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Las células de nuestro cuerpo (y de cualquier otro animal) son “industrias” en miniatura que consumen energía para mantener estable su fisiología y generar materia orgánica. Pero como en cualquier industria, la actividad genera productos de desecho.
Una de estas sustancias tóxicas generadas durante el metabolismo celular es el amonio (NH4+), una sustancia química que resulta de degradar los aminoácidos, un proceso que cualquier célula del organismo realiza ya sea para obtener energía o para conseguir unidades más pequeñas que puedan utilizar para la síntesis de otras moléculas orgánicas.
De todos modos, este amonio es tóxico (si está en cantidades demasiado altas), al igual que, por ejemplo, el dióxido de carbono. El problema es que no puede ser eliminado del cuerpo de forma tan sencilla como el CO2, por lo que el organismo ha tenido que desarrollar un proceso que permita convertir el amonio en otra molécula que sí que pueda ser excretada.
Y este proceso bioquímico es el ciclo de la urea, una ruta metabólica en la que estos grupos amino, que son desechos tóxicos del metabolismo celular, son convertidos en urea en las células hepáticas (del hígado), la cual será secretada al torrente sanguíneo y viajará a los riñones, donde será filtrada para eliminarse a través de la orina. En el artículo de hoy analizaremos las características de esta ruta metabólica y ofreceremos un resumen de la misma.
¿Qué es una ruta metabólica?
Antes de empezar a analizar el ciclo de la urea en profundidad, es importante entender primero qué es una ruta metabólica, pues la bioquímica y especialmente el ámbito del metabolismo celular se encuentra entre los campos de estudio más complejos de la biología. Pero intentaremos explicarlo de la forma más sencilla posible.
Una ruta metabólica, pues, es cualquier proceso bioquímico (reacciones químicas que ocurren en el interior de una célula) en el que, a través de la acción de moléculas catalizadoras conocidas como enzimas, se produce la conversión de unas moléculas a otras, ya sea aumentando su complejidad estructural o disminuyéndola. En otras palabras, una ruta metabólica es aquella reacción química en la que, gracias a unas moléculas que actúan acelerándola, una molécula A se convierte en una molécula B.
La diversidad de rutas metabólicas es inmensa y, de hecho, las células de cualquier órgano o tejido de nuestro cuerpo son auténticas “fábricas” de reacciones químicas. Y tiene que ser así, pues estas rutas, que conforman el metabolismo celular, son el único modo de mantener el equilibrio entre energía y materia en el cuerpo, pues son estos procesos bioquímicos los que nos permiten obtener energía para mantenernos vivos pero también los que nos hacen obtener materia para dividir células, reparar tejidos y constituir nuestros órganos.
Pero, ¿cómo se consigue este balance entre energía y materia? Muy “sencillo”: por las propiedades químicas de las moléculas que intervienen en la ruta. Y es que si la molécula B es más sencilla que la A, este proceso de “desintegración” liberará energía; mientras que si la B es más compleja que la A, para sintetizarla habrá que consumir energía.
Las rutas metabólicas son muy complejas, pero todas comparten algunos principios en común. Luego ya nos centraremos en el ciclo de la urea, pero veamos en qué consiste una ruta metabólica de forma general.
Y en cualquier ruta metabólica entran en juego los siguientes aspectos: célula, metabolito, enzima, energía y materia. Si somos capaces de entender el papel de cada uno de ellos, también comprenderemos la base de toda ruta metabólica.
El primer concepto es el de célula. Y esto es simplemente para recordar que absolutamente todas las rutas metabólicas del organismo tienen lugar en el interior de las células. Dependiendo de la ruta en cuestión, lo hará en un lugar u otro de la misma. En el caso del ciclo de la urea, esta sucede en el interior de las mitocondrias de las células hepáticas, es decir, del hígado.
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Es en el interior de las células, pues, que se da la conversión de unas moléculas a otras, cosa que, como hemos dicho, es la esencia del metabolismo. Pero en este ámbito de la biología, no hablamos de moléculas, sino de metabolitos. Y aquí viene el segundo concepto. Un metabolito es cualquier sustancia química generada durante el metabolismo celular. Hay veces en las que solo hay dos: uno de origen (metabolito A) y un producto final (metabolito B). De todos modos, lo más frecuente es que haya varios metabolitos intermedios.
Pero, ¿estos metabolitos pueden convertirse en otros sin más? ¿La ruta metabólica progresa sin ninguna ayuda? No. Estas reacciones químicas de conversión de metabolitos no suceden por “arte de magia”. La célula necesita otras moléculas que, si bien no son metabolitos, son las que permiten el paso de un metabolito a otro.
Estamos hablando de las enzimas, unas moléculas intracelulares especializadas en catalizar reacciones bioquímicas de conversión de metabolitos, es decir, aceleran la ruta metabólica y también garantizan que esta ocurre en el orden y secuencia adecuada. Intentar que estas reacciones fueran eficientes sin la acción de las enzimas, sería como intentar encender un petardo sin fuego.
Y llegamos a los dos últimos conceptos, que es en lo que se fundamenta cualquier ruta metabólica: energía y materia. Y debemos estudiarlos juntos porque todas estas reacciones bioquímicas consisten en un delicado equilibrio entre el consumo y producción tanto de energía como de materia.
La energía es la fuerza que da combustible a las células, mientras que la materia es la sustancia orgánica que conforma nuestros órganos y tejidos. Están estrechamente relacionadas porque para conseguir energía tenemos que degradar materia orgánica (que viene de los alimentos), pero para generar materia también hay que consumir energía, la cual está en forma de ATP.
Anabolismo, catabolismo y anfibolismo
El ATP es un concepto muy importante en biología, pues es la molécula “combustible” de nuestro cuerpo. Todo el metabolismo celular se basa en la obtención (o consumo) de moléculas de ATP, las cuales, por sus propiedades químicas, almacenan energía que puede ser liberada por la célula cuando lo necesite para estimular distintas reacciones químicas.
Dependiendo de cuál sea la relación con este ATP, estaremos ante un tipo de ruta metabólica u otra. Las rutas anabólicas son aquellas en las que, partiendo de unos metabolitos sencillos, se “fabrican” otros de más complejos que la célula puede utilizar para conformar los órganos y tejidos. Como el metabolito B es más complejo que el A, se tiene que gastar energía, es decir, consumir ATP. La ruta produce materia.
Las rutas catabólicas, por su parte, son aquellas en las que un metabolito inicial se degrada en otros de más sencillos. Como el metabolito B es más sencillo que el A, este proceso de ruptura de enlaces químicos resulta en la obtención de moléculas de ATP. La ruta produce energía. El ciclo de la urea que analizaremos a continuación es de este tipo.
Y por último tenemos las rutas anfibólicas, las cuales, como se puede deducir por su nombre, son rutas metabólicas mixtas, es decir, que combinan fases anabólicas y catabólicas. Son rutas que culminan con la obtención de ATP, es decir, de energía (parte catabólica), pero también se generan metabolitos intermedios que son utilizados como precursores por otras rutas metabólicas que buscan generar materia orgánica (parte anabólica).
¿Cuál es la finalidad del ciclo de la urea?
El objetivo del ciclo de la urea es muy claro: eliminar el exceso de nitrógeno del cuerpo. En este sentido, el ciclo de la urea, también conocido como ciclo de la ornitina, es una ruta catabólica (un metabolito inicial se degrada en otros de más sencillos con la consecuente obtención de energía) en la que el amonio generado como desecho del metabolismo celular se convierte en urea, la cual sigue siendo una sustancia tóxica pero puede pasar a la sangre y ser filtrada en los riñones para expulsarse a través de la orina.
Como hemos dicho, el ciclo de la urea tiene lugar en el interior de las mitocondrias (los orgánulos celulares que albergan la mayoría de rutas catabólicas) de las células hepáticas, es decir, las del hígado.
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Los iones de amonio (NH4+) se generan durante el catabolismo de los aminoácidos, una ruta metabólica distinta en la que estas moléculas se degradan para obtener energía pero sobre todo para obtener unidades más pequeñas (grupos amino) que la célula pueda utilizar para construir moléculas nuevas, especialmente proteínas.
El problema es que, en exceso, este amonio es tóxico para las células, por lo que entra en el ciclo de la urea como metabolito de origen (metabolito A) y pasa por una serie de reacciones bioquímicas de conversión que culminan con la obtención de urea (metabolito final), una sustancia química que ya puede ser eliminada del cuerpo a través de la micción. De hecho, una de las principales funciones de la orina es la de expulsar este exceso de nitrógeno del cuerpo.
Un resumen del ciclo de la urea
Para estudiar en profundidad el ciclo de la urea (y cualquier otra ruta metabólica) necesitaríamos varios artículos. Y como la finalidad de este no es la de dar una clase de bioquímica pura, vamos a sintetizarlo al máximo y a quedarnos con las ideas más importantes. Si se ha entendido el concepto general de ruta metabólica y se comprende la finalidad de esta en concreto, ya hay mucho ganado.
Lo primero que hay que dejar claro, de nuevo, es que esta ruta metabólica tiene lugar en las células hepáticas (del hígado), las cuales son las que reciben los iones amonio de todo el cuerpo para que sean procesados. Y más concretamente en las mitocondrias, unos orgánulos celulares que “flotan” por el citoplasma y que albergan las reacciones bioquímicas de obtención de energía.
Esto tiene todo el sentido del mundo, pues no olvidemos que el ciclo de la urea es una ruta catabólica, pues la urea es más sencilla que el amonio, por lo que su conversión culmina con la obtención de moléculas de ATP. Por ello, aunque su finalidad no sea generar energía, sigue siendo una ruta catabólica.
Ahora que ya está clara la finalidad y dónde tiene lugar, podemos analizarla desde el principio. A grandes rasgos, el ciclo de la urea se completa en 5 pasos, es decir, hay 5 conversiones de metabolitos catalizadas por 5 enzimas diferentes. El primero de estos metabolitos es el amonio y el último, la urea.
En primer lugar, los iones amonio que llegan a las células hepáticas se convierten, gastando energía (que sea una reacción catabólica no significa que todo genere energía, sino que al final de la ruta, el balance es positivo), en un metabolito conocido como carbamoil fosfato.
Sin entrar en más detalles, este segundo metabolito va pasando por conversiones químicas aceleradas e inducidas por distintas enzimas hasta llegar a la arginina, el penúltimo metabolito. Aquí entra en juego la última enzima (la arginasa), que cataliza la ruptura de la arginina en, por un lado, urea y, por otro, ornitina. De ahí que también se conozca como ciclo de la ornitina. Las últimas reacciones del ciclo de la urea tienen lugar en el citoplasma celular.
Esta ornitina vuelve a entrar a la mitocondria para ser aprovechada en otras rutas metabólicas, mientras que la urea sale de la célula y se secreta al torrente sanguíneo, a través del cual llega a los riñones.
Una vez ahí, las células renales filtran la urea, que constituye uno de los componentes principales de la orina. De este modo, al miccionar eliminamos el nitrógeno sobrante del organismo e impedimos que resulte tóxico.
