Hemos terminado de describir las reacciones de algunas de las vías metabólicas que conducen a la degradación y la síntesis de moléculas de glucosa, las cuales se han analizado a lo largo de los últimos tres capítulos, pero, también hemos aprendido que el metabolismo es una actividad altamente regulada. Por lo tanto, nos falta analizar cómo se regula el catabolismo y el anabolismo de la glucosa. La pregunta que trataremos de responder es la siguiente: ¿En que momento un organismo decide si sintetiza o degrada glucosa y cómo lo hace?
Nos limitaremos a analizar lo que ocurre en una sola célula. La coordinación de las actividades metabólicas entre los diferentes órganos, que integran a un individuo, se deja para más tarde, cuando se hayan visto otras rutas metabólicas.
La regulación metabólica implica la capacidad de intercambiar información entre diferentes sistemas multienzimáticos, los cuales, deben recibir señales que, de acuerdo a un código establecido, indiquen si se debe activar o inhibir una ruta metabólica. Los sistemas vivos están organizados siguiendo patrones lógicos muy hermosos.
Para analizar el fenómeno de la regulación, en una primera instancia debemos de responder la siguiente pregunta, un poco menos general que la que planteamos en los párrafos anteriores: ¿cuál es el objeto de degradar glucosa y cuál el de sintetizarla?
De acuerdo a las vías metabólicas estudiadas podemos responder, a la pregunta anterior, diciendo que el principal objetivo por el que la célula degrada glucosa, es la liberación de energía que le permita sintetizar ATP, el cual le permitirá hacer trabajo químico, osmótico o mecánico. Por lo tanto, una célula que se encuentre en plena actividad requerirá más energía, que otra que se encuentre en una condición más pasiva. No tienen la misma actividad metabólica las células musculares de un deportista en plena faena, que cuando se encuentra durmiendo. De acuerdo a lo expresado podemos concluir que, en un momento dado, una célula que está sintetizando, transportando o contrayéndose a un nivel elevado, va a tener una demanda de ATP mayor que una célula en reposo y por lo tanto, tendrá que degradar una mayor cantidad de glucosa para satisfacer sus necesidades.
Se concluye que la célula debe tener un lenguaje que traducido al español diría a los sistemas enzimáticos, algo parecido a esto: "el músculo x entró en una fase de gran actividad, se requiere ATP, degraden glucosa". O en el otro extremo: "el músculo x entró en reposo, ya no se requiere ATP en grandes proporciones, disminuyan la degradación de glucosa".
Sin la regulación la vida no sería posible, ¿qué pasaría si un grupo de células comenzaran a degradar glucosa, en grandes cantidades, aun y cuando no se requiriera en esos momentos?, “desobedeciendo” las señales que indicaran que no se requiere energía, esas células acabarían con la reserva energética del organismo y cuando se necesitara de verdad degradar este carbohidrato, ¡ya no habría el suficiente!, lo que no es muy recomendable, considerando, por ejemplo, que el músculo perteneciera a un herbívoro, que va a ser atacado por un carnívoro y requiere huir, o sea mover un conjunto de músculos para alejarse del peligro que lo acecha.
Hay tumores cancerosos que hacen precisamente lo que se acaba de describir. Por alguna causa, dejan de “obedecer” las señales que les envían otras células, degradando o sintetizando moléculas a diestra y siniestra, provocando un caos metabólico. Las células cancerosas tienen también la propiedad de seguirse multiplicando, sin “oír” las señales que les “indican” detener la proliferación, lo que conduce finalmente a la muerte del sistema.
Ahora tratemos de descifrar el lenguaje químico que usan las células, para regular el metabolismo de la glucosa, ya que por supuesto no se comunican en español. Se ha mencionado que cuando una célula está en actividad consume mucho más ATP, comparado a cuando está en reposo. Ahora bien, el ATP al ser utilizado se transforma en ADP y Pi. Por lo tanto en una célula, que en un momento dado aumenta el trabajo, ya sea químico, osmótico o mecánico, sus niveles de ATP disminuyen, debido a que este compuesto se empieza a consumir, pero en estas condiciones la concentración de ADP y de Pi aumentan.
Las concentraciones de ATP, ADP y Pi parecen ser muy adecuadas para indicar a los sistemas multienzimáticos si requieren activarse o inhibirse, ya que una concentración elevada de ATP, en español sería equivalente a decir: "hay ATP suficiente, inhiban la degradación de glucosa y activen su síntesis". Cuando hay mucho ATP hay poco ADP y Pi por lo que una concentración baja de estos compuestos significa lo mismo en el lenguaje molecular. Cuando la concentración de ATP es baja, la concentración de ADP y Pi es alta y esto se puede interpretar de la siguiente manera: "hace falta ATP, hay que activar la degradación de la glucosa e inhibir su síntesis".
Otros compuestos que pueden indicar situaciones metabólicas es el NAD(P)H y el NAD(P)+. Cuando hay degradación se sintetiza el primero y cuando hay anabolismo el segundo. De tal manera que una concentración elevada de NAD(P)H indica inhibir el catabolismo y activar el anabolismo. La concentración elevada de NAD(P)+ indica lo contrario.
Para que los compuestos mencionados puedan servir como mensajes, se requiere que las células posean sensores, que detecten la concentración de esas moléculas y que transfieran la información a la maquinaria celular. Por supuesto, los sensores son las enzimas alostéricas, las cuales se estudiaron en el capítulo dedicado a enzimas y por lo tanto el ATP, ADP, Pi, NAD(P)+ y NADPH actúan como moduladores, positivos o negativos, de esas proteínas.
Si usted fuera el arquitecto de los sistemas vivientes, ¿en qué puntos de las vías metabólicas estudiadas, colocaría los pasos de regulación de las mismas?
Colocarlos en donde se encuentra una enzima que es usada lo mismo para degradar, que para sintetizar, no sería una buena idea, ya que una molécula que inhibe este punto va a bloquear tanto el catabolismo como el anabolismo y así no sería posible activar un camino e inhibir el otro. Los puntos ideales para regular son en donde se usa una enzima para la síntesis y otra diferente para la degradación, o sea en los pasos irreversibles. Son en esas reacciones en donde se encuentran las enzimas alostéricas.
Para el caso de la glucosa, se han descrito las reacciones en las que se usa una enzima para la síntesis y otra para la degradación y por lo tanto es donde se regula el metabolismo de la hexosa. En la Figura 11.36 se muestra un esquema general, en donde se aprecia claramente este fenómeno.