Funciones vitales: nutrición y metabolismo

La nutrición es el conjunto de procesos mediante los cuales los seres vivos intercambian materia y energía con el medio ambiente para mantener su organización interna, crecer y reproducirse. No debe confundirse con la alimentación, que es solo el acto de ingerir nutrientes.

Existen dos estrategias principales según la fuente de carbono:

1. Nutrición Autótrofa: Los organismos sintetizan su propia materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas ($CO_2$, $H_2O$).
   • Fotótrofos: Usan la luz solar (plantas, algas).
   • Quimiótrofos: Usan energía de reacciones químicas (algunas bacterias).
2. Nutrición Heterótrofa: Los organismos obtienen la materia orgánica ya sintetizada por otros seres vivos (animales, hongos, protozoos).

La nutrición es la base de la vida, ya que permite la renovación constante de las estructuras celulares y la obtención de energía necesaria para el trabajo biológico.

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en el interior de las células. Estas reacciones no están aisladas, sino organizadas en rutas metabólicas.

• Catabolismo: Rutas de degradación de moléculas complejas a sencillas. Son reacciones exergónicas (liberan energía) y oxidativas.
• Anabolismo: Rutas de síntesis de moléculas complejas a partir de sencillas. Son reacciones endergónicas (requieren energía) y reductoras.

El ATP (Adenosín Trifosfato) actúa como la "moneda energética" universal. Cuando la célula necesita energía, hidroliza el ATP en ADP y fosfato inorgánico ($P_i$), liberando energía útil.

Las enzimas son biocatalizadores de naturaleza proteica que aumentan la velocidad de las reacciones disminuyendo la energía de activación necesaria.

• Cinética enzimática: Las enzimas se unen a un sustrato en el centro activo. Factores como el pH o la temperatura pueden desnaturalizarlas. Muchas requieren cofactores (iones metálicos) o coenzimas (moléculas orgánicas como el NAD+).
• Reacciones Redox: La transferencia de energía en el metabolismo ocurre mediante electrones. La oxidación es la pérdida de electrones, mientras que la reducción es la ganancia. Los transportadores como el $NAD^+$, $FAD$ y $NADP^+$ son esenciales para mover estos electrones entre rutas.

El primer paso para obtener energía de la glucosa ($C_6H_{12}O_6$) es la glucólisis, que ocurre en el citosol y no requiere oxígeno.

1. Glucólisis: Una molécula de glucosa se rompe en dos de piruvato. El rendimiento neto es de $2 \text{ ATP}$ y $2 \text{ NADH}$.
2. Fermentaciones: En ausencia de oxígeno (condiciones anaeróbicas), el piruvato se utiliza para regenerar el $NAD^+$ y que la glucólisis no se detenga.
   • Láctica: Produce lactato (en músculos o bacterias del yogur).
   • Alcohólica: Produce etanol y $CO_2$ (levaduras).

El rendimiento energético de la fermentación es muy bajo comparado con la respiración aeróbica, ya que la materia orgánica no se oxida completamente.

Si hay oxígeno disponible, el piruvato entra en la mitocondria para una oxidación total.

• Descarboxilación del piruvato: El piruvato se convierte en Acetil-CoA, liberando $CO_2$.
• Ciclo de Krebs: Ocurre en la matriz mitocondrial. El Acetil-CoA se oxida completamente a $CO_2$, generando $GTP$ (equivalente a ATP), $NADH$ y $FADH_2$.
• Cadena de transporte electrónico: Los electrones del $NADH$ y $FADH_2$ pasan por proteínas en la cresta mitocondrial. Esta energía se usa para bombear protones, creando un gradiente que la enzima ATP-sintasa aprovecha para fabricar ATP (quimiósmosis). El aceptor final de electrones es el oxígeno, formando agua.

No solo quemamos azúcar. Otras moléculas convergen en las rutas centrales:

• Lípidos: Los triglicéridos se separan en glicerol y ácidos grasos. Estos últimos sufren la $\beta$-oxidación para producir grandes cantidades de Acetil-CoA.
• Proteínas: Solo se usan como fuente de energía en casos extremos. Los aminoácidos sufren desaminación (pérdida del grupo amino, que se elimina en el ciclo de la urea) y el resto de la molécula entra en el ciclo de Krebs.

Ocurre en los tilacoides del cloroplasto y depende directamente de la luz. Los pigmentos (clorofilas y carotenoides) se agrupan en fotosistemas.

1. La luz excita electrones que viajan por una cadena de transporte.
2. Fotólisis del agua: El agua se rompe para reponer esos electrones, liberando $O_2$ a la atmósfera.
3. Se genera ATP (fotofosforilación) y NADPH.

Ocurre en el estroma y no necesita luz directamente. Utiliza el ATP y NADPH de la fase anterior para fijar el $CO_2$ atmosférico y fabricar materia orgánica (glucosa). La enzima clave es la RuBisCO, que une el $CO_2$ a una molécula de 5 carbonos. La RuBisCO es probablemente la proteína más abundante de la biosfera.

Factores como la concentración de $CO_2$, la intensidad lumínica y la temperatura influyen críticamente en el rendimiento de este proceso.

Es un tipo de nutrición autótrofa exclusiva de algunas bacterias. En lugar de luz, utilizan la energía desprendida de la oxidación de moléculas inorgánicas ($NH_3$, $H_2S$, $Fe^{2+}$). Son fundamentales en los ciclos biogeoquímicos (como el ciclo del nitrógeno), ya que transforman compuestos que otros seres vivos no pueden usar en formas asimilables.

Las plantas necesitan captar nutrientes del medio de forma coordinada:

• Absorción: El agua y las sales minerales entran por los pelos absorbentes de las raíces.
• Transporte: La savia bruta sube por el xilema (vasos leñosos) gracias a la transpiración. La savia elaborada (azúcares) se reparte por el floema.
• Intercambio gaseoso: Se realiza a través de los estomas en las hojas, que regulan la entrada de $CO_2$ y la salida de $O_2$ y vapor de agua.

Los animales deben transformar alimentos complejos en moléculas sencillas.

• Digestión mecánica: Masticación y movimientos peristálticos.
• Digestión química: Acción de enzimas en la boca (amilasa), estómago (pepsina) e intestino.
• Absorción: Las microvellosidades del intestino delgado aumentan la superficie para que los nutrientes pasen a la sangre.

Para mantener la homeostasis, los animales deben captar $O_2$ y eliminar desechos.

• Respiración: Puede ser cutánea, branquial, traqueal o pulmonar, dependiendo del hábitat.
• Excreción: Los riñones filtran la sangre para eliminar productos nitrogenados (urea, ácido úrico o amoníaco) y regular el equilibrio de agua y sales.

El cuerpo no quema energía al azar; existe un control hormonal estricto:

• Insulina: Se libera cuando hay mucha glucosa en sangre (tras comer), favoreciendo su entrada en las células y la síntesis de glucógeno.
• Glucagón: Se libera en ayuno para movilizar las reservas de energía.
• En el ejercicio, el metabolismo se activa para oxidar grasas y azúcares rápidamente.

Una nutrición inadecuada altera el equilibrio químico del cuerpo:

• Diabetes Mellitus: Incapacidad de regular los niveles de glucosa.
• Obesidad: Exceso de tejido adiposo que genera inflamación crónica.
• TCA: Trastornos como la anorexia o bulimia con graves consecuencias metabólicas. La dieta mediterránea, rica en grasas insaturadas, fibra y antioxidantes, es el mejor modelo preventivo.

El ser humano ha aprendido a "domesticar" el metabolismo celular:

• Industria alimentaria: Uso de levaduras para pan y cerveza, o bacterias para queso.
• Biocombustibles: Producción de bioetanol mediante la fermentación de biomasa vegetal.
• Ingeniería metabólica: Modificación de microorganismos para que produzcan fármacos (como la insulina humana) de manera eficiente.