thumb|right|275px|Esquema de las principales rutas metabólica.
El término metabolismo (acuñado por Theodor Schwann,Capítulo "El largo aliento de Hans Krebs", capítulo XIII (pp. 367-474) de Monteverde, E. (2015). Historias épicas de la medicina: demonios, pócimas, enfermedades y curaciones que alguna vez fueron mortales. México: Crítica. 488 pp. ISBN 978-607-8406-61-6 (Consultado lunes, 12 de septiembre del 2022.) proveniente del griego μεταβολή, metabole, que significa cambio, más el sufijo -ισμός (-ismo) que significa cualidad, sistema),Origen de las palabras, en Diccionario etimológico, consultado en el 9 de octubre de 2015.Sobre el origen etimológico de "metabolismo" (Consultado lunes, 12 de septiembre del 2022.) hace referencia a todos los procesos físicos y químicos del cuerpo que convierten o usan energía, tales como: respiración, circulación sanguínea, regulación de la temperatura corporal, contracción muscular, digestión de alimentos y nutrientes, eliminación de los desechos a través de la orina y de las heces y funcionamiento del cerebro y los nervios. Estos complejos procesos interrelacionados son la base de la vida a escala molecular y permiten las diversas actividades de las células: crecer, reproducirse, mantener sus estructuras y responder a estímulos, entre otras.
El metabolismo se divide en dos vertientes dependiendo de lo que ocurra con las moléculas implicadas: el catabolismo y el anabolismo. Estos son procesos acoplados, puesto que uno depende del otro: Las reacciones catabólicas liberan energía; un ejemplo de ello es la glucólisis, un proceso de degradación de compuestos como la glucosa, cuya reacción resulta en la liberación de la energía retenida en sus enlaces químicos. Las reacciones anabólicas, en cambio, utilizan esa energía para recomponer enlaces químicos y construir componentes de las células, como las proteínas y los ácidos nucleicos.
Este proceso está a cargo de enzimas localizadas en el hígado. En el caso de las drogas psicoactivas a menudo se trata simplemente de eliminar su capacidad de atravesar las membranas de lípidos para que no puedan pasar la barrera hematoencefálica y alcanzar el sistema nervioso central, lo que explica la importancia del hígado y el hecho de que ese órgano sea afectado con frecuencia en los casos de consumo masivo o continuo de drogas.
thumbnail|275px|Modelo de espacio lleno del adenosín trifosfato (ATP), una coenzima intermediaria principal en el metabolismo energético, también conocida como la “moneda de intercambio energético”.
La economía que la actividad celular impone sobre sus recursos obliga a organizar estrictamente las reacciones químicas del metabolismo en vías o rutas metabólicas en las que un compuesto químico (sustrato) es transformado en otro (producto) y este a su vez funciona como sustrato para generar otro producto, en una secuencia de reacciones en las que intervienen diferentes enzimas (por lo general una para cada sustrato-reacción). Las enzimas son cruciales en el metabolismo porque agilizan las reacciones fisicoquímicas al convertir posibles reacciones termodinámicas deseadas, pero "no favorables", mediante un acoplamiento, en reacciones favorables. Las enzimas también se comportan como factores reguladores de las vías metabólicas —de las que modifican la funcionalidad, y por ende la actividad completa— en respuesta al ambiente y a las necesidades de la célula o según señales de otras células.
El metabolismo de un organismo determina las sustancias que encontrará nutritivas y las que encontrará tóxicas. Por ejemplo, algunas células procariotas utilizan sulfuro de hidrógeno como nutriente, pero ese gas es venenoso para los animales.Friedrich C.G., “Physiology and genetics of sulfur-oxidizing bacteria”, Adv Microb Physiol 1998, 39: 235-289. PMID 9328649. La velocidad del metabolismo, el rango metabólico, también influye en cuánto alimento va a requerir un organismo.
Una característica del metabolismo es la similitud de las rutas metabólicas básicas incluso entre especies muy diferentes. Por ejemplo, la secuencia de pasos químicos en una vía metabólica como el ciclo de Krebs es universal entre células vivientes tan diversas como la bacteria unicelular Escherichia coli y organismos pluricelulares como el elefante.Smith E. y Morowitz H., "Universality in intermediary metabolism", Proc Natl Acad Sci USA 2004, 101(36): 13168-13173. DOI: 10. 1073/pnas. 0404922101. PMCID: PMC516543.
Es probable que esta estructura metabólica compartida sea el resultado de la alta eficiencia de estas rutas y de su temprana aparición en la historia evolutiva.Ebenhöh O. y Heinrich R., “Evolutionary optimization of metabolic pathways. Theoretical reconstruction of the stoichiometry of ATP and NADH producing systems”, Bull Math Biol 2001, 63 (1): 21-55. PMID 11146883.Meléndez-Hevia E., Waddell T. y Cascante M., “The puzzle of the Krebs citric acid cycle: assembling the pieces of chemically feasible reactions, and opportunism in the design of metabolic pathways during evolution”, J Mol Evol 1996, 43 (3): 293-303. PMID 8703096. Disponible en formato PDF en .
Investigación y manipulación
thumbnail|275px|derecha|Red metabólica del ciclo de Krebs de la planta Arabidopsis thaliana. Las enzimas y los metabolitos se muestran en rojo y las interacciones mediante líneas.
El método clásico para estudiar el metabolismo consiste en un enfoque centrado en una ruta metabólica específica. Los diversos elementos que se utilizan en el organismo son valiosos en todas las categorías histológicas, de tejidos a células, que definen las rutas de los precursores hacia su producto final.Rennie M., “An introduction to the use of tracers in nutrition and metabolism”, P Nutr Soc 1999, 58 (4): 935-944. PMID 10817161. Las enzimas que catabolizan esas reacciones químicas pueden ser purificadas para estudiar su cinética enzimática y las respuestas que presentan frente a diversos inhibidores. Otro tipo de estudio que se puede llevar a cabo en paralelo es la identificación de los metabolitos presentes en una célula o tejido (el estudio del conjunto de esas moléculas se denomina metabolómica). Los estudios de ese tipo ofrecen una visión de las estructuras y funciones de rutas metabólicas simples, pero son inadecuados cuando se quieren aplicar a sistemas más complejos como el metabolismo global de la célula.Phair R., “Development of kinetic models in the nonlinear world of molecular cell biology”, Metabolism 1997, 46 (12): 1489-1495. PMID 9439549.
En la imagen de la derecha se puede apreciar la complejidad de una red metabólica celular que muestra interacciones entre tan solo cuarenta y tres proteínas y cuarenta metabolitos, secuencia de genomas que provee listas que contienen hasta 45000 genes.Sterck L., Rombauts S., Vandepoele K., Rouzé P. y Van de Peer Y., "How many genes are there in plants (… and why are they there)?", Curr Opin Plant Biol 2007, 10 (2): 199-203. PMID 17289424. Sin embargo, es posible usar esta información para reconstruir redes completas de comportamientos bioquímicos y producir más modelos matemáticos holísticos que puedan explicar y predecir su comportamiento.Borodina I. y Nielsen J., "From genomes to in silico cells via metabolic networks", Curr Opin Biotechnol 2005, 16 (3): 350-355. PMID 15961036. DOI: 10. 1016/j. copbio. 2005. 04. 008. Estos modelos son mucho más efectivos cuando se usan para integrar la información de las rutas y de los metabolitos obtenida por métodos clásicos con los datos de expresión génica logrados mediante estudios de proteómica y de chips de ADN.Gianchandani E., Brautigan D. y Papin J., "Systems analyses characterize integrated functions of biochemical networks", Trends Biochem Sci 2006, 31 (5): 284-291. PMID 16616498. DOI:10. 1016/j.tibs. 2006. 03. 007.
Una de las aplicaciones tecnológicas de esta información es la ingeniería metabólica. Con esta tecnología, organismos como las levaduras, las plantas o las bacterias son modificados genéticamente para tornarlos más útiles en algún campo de la biotecnología, como puede ser la producción de drogas, antibióticos o químicos industriales.Thykaer J. y Nielsen J., "Metabolic engineering of beta-lactam production", Metab Eng 2003, 5 (1): 56-69. PMID 12749845. DOI:10. 1016/S1096-7176(03)00003-X.González-Pajuelo M., Meynial-Salles I., Mendes F., Andrade J., Vasconcelos I. y Soucaille P., "Metabolic engineering of Clostridium acetobutylicum for the industrial production of 1, 3-propanediol from glycerol", Metab Eng 2005, 7 (5-6): 329-336. PMID 16095939 DOI:10. 1016/j. ymben. 2005. 06. 001.Krämer M., Bongaerts J., Bovenberg R., Kremer S., Müller U., Orf S., Wubbolts M. y Raeven L., "Metabolic engineering for microbial production of shikimic acid", Metab Eng 2003, 5 (4): 277-283. PMID 1464235. Estas modificaciones genéticas tienen como objetivo reducir la cantidad de energía usada para generar el producto, incrementar los beneficios y reducir la producción de desechos.Koffas M., Roberge C., Lee K. y Stephanopoulos G., "Metabolic engineering", Annu Rev Biomed Eng 1999, 1, 535-557. PMID 1170149 .
Biomoléculas principales
thumbnail|275px|Estructura de un lípido, un triglicérido. miniatura|Diagrama de las principales rutas metabólicas en humanos
La mayor parte de las estructuras constitutivas de los animales, las plantas y los microbios pertenecen a alguno de los siguientes tres tipos de moléculas básicas: proteínas, glúcidos o lípidos (también denominados grasas). Como esas moléculas son esenciales para la vida, el metabolismo se centra en sintetizarlas en la construcción de células y tejidos, o en degradarlas y utilizarlas como recurso energético en la digestión. Muchas biomoléculas pueden interaccionar para crear polímeros como el ácido desoxirribonucleico (ADN) y las proteínas. Esas macromoléculas son esenciales en los organismos vivos. En la siguiente tabla se muestran los biopolímeros más comunes:
Tipo de moléculaNombre de formas de monómeroNombre de formas de polímero Proteínas Aminoácidos Polipéptidos Carbohidratos Monosacáridos Polisacáridos Ácidos nucleicos Nucleótidos Polinucleótidos
Aminoácidos y proteínas
Las proteínas están compuestas por los aminoácidos, dispuestos en una cadena lineal y unidos por enlaces peptídicos. Las enzimas son proteínas que catalizan las reacciones químicas en el metabolismo. Otras proteínas cumplen funciones estructurales o mecánicas, como las proteínas del citoesqueleto, que configuran un sistema de andamiaje para mantener la forma de la célula.Michie K. y Löwe J., "Dynamic filaments of the bacterial cytoskeleton", Annu Rev Biochem 2006, 75, 467-492. PMID 16756499. Las proteínas también son partícipes de la comunicación celular, la respuesta inmunitaria, la adhesión celular y el ciclo celular.Nelson D.L. y Cox M.M., Lehninger Principles of Biochemistry , 4a ed., Nueva York, W. H. Freeman and Company, 2005, 841 pp. ISBN 0-7167-4339-6.
Lípidos