Metabolismo: comer papas fritas es una necesidad energética, no solo un antojo

1. Entrando en tema

Transcripción del audio: "Salís a tomar algo con tus amigas/os una nochecita de verano y esa cerveza helada pide compañía. El menú ofrece unas papas fritas. Sabes que ahí son crocantes y sabrosas, te gustaría agregarles queso cheddar pero ponerse de acuerdo no es fácil: 

-S no come carne, por lo que no podemos incluir panceta con el cheddar
-M necesita asegurarse que el cheddar no tenga gluten. Pero podría picar unos champiñones
-L tiene más ganas de unos bastoncitos de muzzarella, pero G es vegana/o
Más allá de cómo dirimir esta cuestión, ¿alguna vez te preguntaste qué necesita cada persona de esos alimentos?¿Todas y todos necesitamos lo mismo? ¿Todos los alimentos nos brindan eso que necesitamos?"

2. Seamos lo que comemos, que lo demás no importa nada (bueno, no tan así)

A. Materia y energía: ser polvo de estrellas y ¡que fluya!

La verdad es que todos los organismos necesitan lo mismo para funcionar: elementos para construir estructuras propias (que las/los físicas/os llaman materia) y una fuerza que mantenga juntas las estructuras y les permita hacerlas crecer y multiplicarlas (que entre nos vamos a identificar como energía). La energía que circula en nuestro planeta viene del Sol, nuestra estrella más cercana, y hay toda una liga de superhéroes (unos/as Avengers del mundo natural que ya vamos a conocer) capaces de captarla, transformarla y transferirla permitiendo que otras/os se desarrollen; lo único que no podemos hacer (ni nosotros ni los Avengers) es fabricarla (prohibidísimo por eso de que “la energía no se crea ni se destruye”…como explica la Primera Ley de la Termodinámica). Y la de problemas que eso nos está trayendo…

Desde hace unos años, un grupo de científicas/os viene monitoreando la cantidad de CO₂ atmosférico y la temperatura en la superficie de la tierra y los océanos, y llegaron a la conclusión de que nuestro uso de combustibles fósiles efectivamente calentó y está calentando el planeta:

Figura 1: Gráfico que muestra el aumento en la temperatura de la superficie del planeta (eje vertical, en grados Celsius) y aumento de dióxido de carbono (CO₂) atmosférico (eje horizontal) desde el “tiempo 0” (estimado por técnicas). Hay una relación lineal y positiva entre ambas variables, lo que nos dice que cuanto más CO₂ hay en la atmósfera....¡más aumenta la temperatura del planeta! Redibujado del informe del IPCC (2021), el panel de expertas/os que monitorea el cambio global.

Hay una relación lineal y positiva entre ambas variables, lo que nos dice que cuanto más CO₂ hay en la atmósfera....¡más aumenta la temperatura del planeta! Redibujado del informe del IPCC (2021), el panel de expertas/os que monitorea el cambio global. Descripción completa de la imagen: la figura mostrada es un gráfico de dos ejes, Y vertical, X horizontal. En el eje vertical se muestra el aumento en la temperatura del planeta expresado en grados Celsius y el eje horizontal muestra el aumento de dióxido de carbono (CO₂) atmosférico desde un tiempo 0 estimado por técnicas. Se ve una relación lineal y positiva entre ambas variables, es decir, que cuando aumenta la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera aumenta la temperatura de la superficie del planeta. Redibujado del informe del IPCC (2021), el panel de expertas/os que monitorea el cambio global

En cuanto a la materia, hace unos años un astrofísico de eterna polera, Carl Sagan (que era todo lo que está bien) le contó a la generación de sus padres que todos/as éramos polvo de estrellas. ¿Cómo llegó a semejante frase? Sabiendo que todas las estrellas del Universo se desarman, porque explotan, y que los pedacitos de esa explosión son las porciones de materia con las que los seres vivos nos construimos (y que en el bloque de Biomoléculas llamamos átomos).

B. Dime cómo te alimentas y te diré quien eres

Todos los seres vivos necesitamos materia y energía y no todos la conseguimos de la misma forma. Las personas (y el resto de los animales, los hongos y organismos tan distintos como una ameba y un paramecio) podemos fabricar nuestras propias estructuras, pero para eso necesitamos un combustible del cual extraer energía. En lenguaje biológico, eso significa ser un organismo heterótrofo (del griego “hetero”=distinto y “trofos”=alimentación, o sea, que se alimenta gracias a un “distinto” que le provee ese alimento).

Hay una molécula que funciona como combustible universal para los seres vivos y que, oh ironía, no podemos sintetizar ninguno de los heterótrofos. Esa molécula es fabricada por las plantas (y otros organismos que funcionan de manera similar), es un hidrato de carbono y se llama glucosa. Todos los organismos que pueden fabricarla son organismos autótrofos (para los griegos, “auto” significa por sí mismo, y “trofos” quiere decir nutrición). ¿Qué significa esto? Que a nivel energético, lo que importa es quién produce la glucosa, porque proporciona la energía que TODO el resto de los organismos necesita para funcionar.

Figura 2: La glucosa que consumimos, por ejemplo, al comer pan (un derivado de harina que se fabrica con los granos de trigo), nos brinda la energía necesaria para “alimentar” nuestro metabolismo. Esa glucosa es de fabricación propia de la planta de trigo. Lo mismo ocurre con todos los alimentos de origen vegetal que consumimos.

O sea que en vez de cheddar y papas fritas, panceta si o panceta no, lo que importa es que “comamos” glucosa. ¿Y con eso alcanza?

C. SimCity (R) edición cuerpo: metabolismo

La verdad es que sólo con adquirir la glucosa no alcanza, porque aunque la consigamos tenemos que saber qué hacer con ese combustible. Los seres humanos construyen sus cuerpos, armando y desarmando moléculas permanentemente.

Para quienes estén consultando el curso desde un celular, recomendamos rotar la pantalla, hacer clic en los tres puntos del margen inferior derecho y aplicar la pantalla completa.

Figura 3: la fabricación de cada elemento del nuestros cuerpos es un juego...¡pero no hay que olvidarse de TODO lo que se necesita!

Para pensar a un individuo no podemos separar la síntesis (es decir, la fabricación de compuestos) de la degradación (es decir, la ruptura de compuestos): si no se degradan moléculas no se libera la energía que permite la síntesis ni tendremos las piezas simples para construir moléculas más complejas; si no hay síntesis, no se fabrican los elementos necesarios para ejecutar las acciones de los seres vivos (incluidas aquellas que permiten la degradación de moléculas). Este par síntesis-degradación se vuelve “inseparable”, y se conoce formalmente como metabolismo.

El metabolismo engloba a la totalidad de reacciones químicas que ocurren en un ser vivo y que le permiten llevar adelante su vida diaria. Todas/os las/os amigas/os que salieron a disfrutar de una noche de verano en algún bar pueden diferir en las reacciones químicas que realicen a partir de comer diferentes alimentos, pero en todas/os están ocurriendo, en simultáneo, un gran número de transformaciones químicas que o bien están armando o sintetizando moléculas, o bien las están desarmando o degradando, independientemente de si eligen o no comer carne, o si toleran o no el glúten.

Vamos a denominar entonces a las reacciones de síntesis como anabolismo: fracción del metabolismo que comprende las reacciones de síntesis; es decir, la fracción del metabolismo “que construye o arma”, y a las reacciones de degradación como catabolismo: fracción del metabolismo que comprende las reacciones de degradación, es decir, la fracción del metabolismo “que desarma”)

Figura 5: Relación entre el catabolismo y el anabolismo como las dos partes complementarias del metabolismo. Las flechas amarillas indican la energía que sale del catabolismo y/o que entra al anabolismo, y la máscara indica un compuesto misterioso un compuesto misterioso.

El catabolismo toma moléculas grandes, complejas, con mucha energía, y las transforma en moléculas pequeñas, sencillas, con bajo contenido energético. La energía fluye del catabolismo a un compuesto misterioso, que la almacena transitoriamente hasta cederla al anabolismo, dentro del cual se toman precursores pequeños y se ensamblan para formar moléculas grandes y complejas. Es cierto que una fracción pequeña de la energía del catabolismo se pierde como calor, pero el resto ¿a dónde va? ¿Cuál es el compuesto misterioso? ¿Acaso la energía liberada en una degradación se utiliza en una síntesis…? La respuesta es SÍ, PERO NO: SI se utiliza la energía cosechada por la degradación de glucosa, pero NO DIRECTAMENTE…

3. ATP: el bondi energético

En este punto de nuestro relato revelamos la identidad del compuesto misterioso: hace su aparición una nueva molécula involucrada en los planteos metabólicos, el ATP (adenosín trifosfato). El ATP es un nucleótido que tiene un rol específico como transportador de energía: almacena temporalmente la energía, la toma de las reacciones catabólicas o de degradación que la liberan, y entrega energía en las reacciones de síntesis que la necesitan. Un datazo que verán en Biomoléculas: la energía química está contenida en los enlaces o uniones entre átomos y moléculas, por eso, cuando algo se rompe libera energía y cuando se sintetiza requiere energía para armar la unión. 

Figura 6: Las reacciones catabólicas resultan en la síntesis de ATP, un transportador energético que, a la manera de un colectivo, lleva la energía desde donde se libera hacia donde es requerida.

Este almacenamiento es temporal; esa misma molécula de ATP romperá uno de sus enlaces o uniones y se liberará la energía contenida, permitiendo la utilización de esa energía en la construcción de otra molécula en el mismo organismo. 

Tengamos en cuenta también que el uso de la energía liberada por la ruptura del ATP no es directo, sino que esa energía permite que ocurran todas las acciones necesarias (movimiento, interacción, transferencia y transformación de moléculas y/o elementos) para construir nuevos elementos. 

Transcripción del audio: "Llegamos hasta acá sabiendo que los seres vivos transforman moléculas en todo momento y para todo propósito, y que esa transformación está íntimamente vinculada a la necesidad de energía para llevar adelante….bueno, todas las acciones de la vida diaria. Ahora, por si no lo notaron, ni ustedes ni ningún otro organismo que conozcan cuentan con “cable USB” para enchufar a la red eléctrica y recargarse. Sería bueno, ¿no? Si, sería bueno, pero no es la forma en la que funcionamos los seres vivos. Si no hay cable USB, entonces, ¿de qué manera conseguimos los seres vivos la energía que nos permite funcionar?"

La respuesta a la pregunta del audio está en dos procesos químicos clave del metabolismo, y que suelen utilizarse como ejemplos claros de vías metabólicas anabólicas y catabólicas.

4. Fotosíntesis y respiración celular, dos procesos que la rompen (o la crean)

A. Los Avengers del mundo natural: los organismos autótrofos o fotosintéticos. 

¿Qué mejor superpoder que fabricar absolutamente todos tus componentes Y tu propio combustible? Y además, hacerlo con insumos muy accesibles: un poquito de luz, unos tragos de agua con nutrientes minerales y mucho CO₂ (dióxido de carbono, un gas muy abundante en la atmósfera) y listo, a vivir la vida. Pero no se vistan que en esta foto no salen: como ya les adelantamos, los heterótrofos no tenemos esa capacidad, sino que dependemos de las migas que nos vayan tirando los verdaderos superhéroes del planeta: los autótrofos. Mediante la fotosíntesis, los autótrofos le cambiaron la cara a nuestro planeta, lo llenaron de plantas autosuficientes y de oxígeno (Figura 7). 

Figura 7: Los organismos capaces de realizar fotosíntesis fabrican la molécula de glucosa que les sirve de combustible y que también representa el combustible celular preferido de aquellOS incapaces de fotosintetizar.

Para poder realizar este proceso, los organismos autótrofos cuentan con pigmentos, entre ellos, el que para ustedes debe ser más familiar: la clorofila (pigmento capaz de absorber la energía lumínica y al convertirla en energía química, desencadenar la primera etapa del proceso de fotosíntesis. La clorofila le da el color verde característico a las plantas. En la primera etapa de la fotosíntesis, la clorofila absorbe la energía de la luz del sol y desencadena la síntesis de ATP, al mismo tiempo que se rompe una molécula de agua liberando oxígeno gaseoso (O₂). El ATP se utilizará en una segunda etapa del proceso fotosintético: la síntesis de glucosa (serie de reacciones químicas que conforman un ciclo, el Ciclo de Calvin y Benson). Mediante este proceso se fabrica la molécula de glucosa por combinación del CO₂ que hay en la atmósfera, con un compuesto que ya fue previamente sintetizado por la planta. Para lograr la fabricación de este compuesto es necesario que el organismo cuente con CO₂, un gas muy abundante en la atmósfera (Figura 8)

Figura 8: La fotosíntesis requiere dióxido de carbono, agua y luz solar.

Momento…. justo antes de este párrafo también está graficado el proceso de respiración celular…¿Eso está bien? Si, claro que está bien, porque los autótrofos hacen tanto fotosíntesis como respiración celular. Antes de que se queden recalculando como la señora del meme, hablemos de respiración celular para que se entienda.

B. Respiración celular: qué tenemos en común con los hongos (además de los  sombreros)

Como venimos diciendo, la glucosa es el combustible planetario, o sea, el que usamos todos los seres vivos. Pero para extraer la energía que aporta esa glucosa es necesario que atraviese un proceso de degradación que llamamos respiración celular. La primera etapa de la respiración celular es una ruptura y transformación parcial de la glucosa, que produce un número pequeño de ATP, y que se conoce como glucólisis. Luego de la glucólisis muchos organismos (como nosotros pero también las papas antes de ser fritas y los champignones antes de terminar en el plato) pueden generar una cantidad extra (y muy grande) de ATP en presencia de oxígeno, porque cuentan con unas organelas celulares que se llaman mitocondrias.

Eso no se pudrió, ¡fermentó!

Con lo que saben hasta acá sobre respiración celular pueden entender la fabricación de muchos de los alimentos que consumimos en nuestra vida cotidiana: las bebidas alcohólicas y los yogures. Estos alimentos dependen de organismos microscópicos que hacen glucólisis porque o bien no pueden o bien no están dadas las condiciones para completar la respiración celular. Así, un hongo pequeñísimo privado de oxígeno (O2) procesa la glucosa que contienen la malta y la cebada y fabrica una pequeña cantidad de ATP, que le permite seguir viviendo. En el camino también “inunda” el sitio donde está fermentando con un producto de esa reacción: alcohol. Nosotros filtramos ese líquido y lo llamamos “cerveza”. Algo similar ocurre con un grupo de bacterias (no todas son “malas”) que, al nutrirse de la leche, degrada lla glucosa que contiene la leche y produce yogur. Los seres humanos conocemos este proceso, denominado “fermentación”, mucho antes de conocer a los organismos involucrados, y muchísimo antes de entender el proceso que ocurre, para disfrutar de estos riquísimos alimentos.

Figura 9: Fermentación alcohólica y fermentación láctica junto con los organismos que son capaces de llevarlas a cabo: levaduras (hongos unicelulares microscópicos) y bacterias.

 

En las mitocondrias va a ocurrir una segunda transformación de los restos de la glucosa que culmina en un proceso, la fosforilación oxidativa, que produce una gran cantidad de ATP. ¿Cómo ocurrirá el proceso de respiración celular en los heterótrofos? De la misma manera que ocurre en los autótrofos, con los mismos “insumos” o “sustratos” (glucosa y O₂) y los mismos “resultados” o “productos” (ATP y CO₂). Vamos a verlo en les amigues que está en el bar (Figura 10):

 

 

Figura 10: el proceso de respiración celular de dos personas que salieron a tomar algo y a comer a un bar una noche de verano.

 

Una vez producidas, estas moléculas serán distribuidas y utilizadas tanto para la fabricación de moléculas como para procesos que representan un “gasto” energético (como hacer vibrar las cuerdas vocales para pedir a viva voz otra porción de papas fritas). Y en eso es donde nos parecemos más a los hongos que a las plantas: la energía para todos los procesos de nuestro cuerpo, al ser estrictamente heterótrofos, depende de la glucosa sintetizada por otros que son los héroes en todo este lío: los autótrofos (Figura 11).

Figura 11: La capacidad de los autótrofos de sintetizar glucosa durante la fotosíntesis fue un antes y un después en la historia de nuestro planeta. Se merecen todos los brindis y los aplausos.

 

Pero, además de ATP, la respiración celular produce un gas que se libera a la atmósfera: dióxido de carbono, o CO₂. ¿Les suena? ¿De dónde? Un momento…

5. Somos más que un estómago: los seres vivos como un todo

Transcripción del audio: "Volvamos a las y los amigas y amigos del bar, que estaban tomando una cerveza helada y tenían ganas de pedir papas fritas. Ahora ustedes ya saben que tooooodas esas personas incorporan oxígeno y descartan dióxido de carbono, y que ambos gases están involucrados en la respiración celular. También saben que si la mesa en la que están reunidas y reunidos está bajo la copa de un palo borracho (que es un árbol nativo pero que además díganme si no es ideal para estar en la vereda de un bar), ese árbol además de hacer respiración celular también está haciendo fotosíntesis. Entonces…¿el árbol podría utilizar para hacer fotosíntesis moléculas de CO₂ generadas por la respiración celular de les amigues? SI."

Figura 12: la fotosíntesis y la respiración funcionando en un árbol y una persona. Las flechas de color rosa indican movimiento de O₂, y las flechas de color lila indican movimiento de CO₂. Noten cómo el O₂ producido en la fotosíntesis del árbol podría ser inspirado por la persona y utilizado en su respiración celular.

Esto, además de ser increíble, resalta hasta qué punto, en la naturaleza, los organismos estamos entrelazados, integrados, conectados: literalmente lo que para uno es un desecho (el CO₂ de la respiración de la persona), para otro es material indispensable (ese mismo CO₂ para la fotosíntesis del árbol). Entender estas conexiones nos permite apreciar y defender la integridad de los sistemas naturales, porque además… nosotras/os también pertenecemos a estos sistemas, y dependemos de otros organismos para vivir. ¿Quién, si no, nos aportará la glucosa, el combustible para todo lo que hacemos? ¿y el oxígeno? Así como no podemos pensarnos únicamente como un estómago, porque sólo no completaría la digestión, no podemos concebirnos fuera de los ecosistemas, del ambiente. ¿Importa entonces lo que comemos, el tipo de alimentación que elegimos? Si, claro, como les contamos previamente, la producción de nuestros alimentos tiene un impacto ambiental alto, y nuestras decisiones tienen el potencial de modificar ese impacto.

6. Metabolismo humano y “metabolismo” de los sistemas naturales, ¿un sólo corazón?

Esperamos, a esta altura, haberlas/os convencido de cuánto depende nuestro propio metabolismo de lo que ocurra con las plantas y los animales que nos rodean y nos nutren. También sabemos que nuestro “comportamiento” como especie con el resto de los organismos con los que compartimos el planeta dista de ser ejemplar…¿Será que la salud del ambiente y la salud humana están conectadas? ¿Podemos pensar alternativas para lograr una convivencia más justa con el resto de los seres vivos de la Tierra? 

7. Cuestionario

Te invitamos a resolver el siguiente cuestionario.

8. Para leer y ver en pijama

Las y los invitamos a explorar algunos contenidos vinculados a las ideas y conceptos que fuimos desarrollando en este bloque:

• Una exploración interactiva del metabolismo de los seres humanos
• Un paseo por el IPCC, su misión y sus integrantes (¡descubran a las/los argentinas/os!)
• Una idea de cuántas personas hay en el mundo, segundo a segundo (cruzamos este número por el mapa metabólico de cada persona y…¡explota la cabeza!)
• Una forma más amigable de producir nuestros alimentos, teniendo en cuenta la vida de quienes nos acompañan en el planeta: la agroecología

9. ¿Nos regalás 5 minutos?