Luz, pan, vida. El significado del metabolismo
autor: Giorgio Dieci
Departamento de Ciencias Biológicas, Universidad de Estudios de Parma
fecha: 2016-07-07
fuente: SCIENZAinATTO/ Luce, pane, vita. Il senso del metabolismo
Publicado en el n. 61 de Emmeciquadro (2016-06)
traducción: María Eugenia Flores Luna

Nuestro ser vivo depende de un número impresionante de transformaciones químicas continuamente en acción y que implican continuamente nuestra relación muy profunda con «otro diferente a nosotros» que es el ambiente: agua, oxígeno, sales inorgánicas, nutrientes orgánicos (y últimamente pues luz solar). El artículo quiere hacer captar la belleza y la grandiosidad del metabolismo, sea mostrando la arquitectura de ciertas proteínas fundamentales (por ejemplo los centros de reacción fotosintéticos), o los geniales network de vías metabólicas interconectadas, sea reiterando algunas intuiciones de escritores y filósofos

El término «metabolismo», uno de los más característicos y centrales de la Biología, se deriva de la palabra griega , que significa exactamente cambio, mudamiento, transformación. ¿A qué transformación se refiere el metabolismo? Para no hacer prevalecer el carácter obvio y por tanto aburrido de lo ya conocido, es fundamental tomar muy en serio esta pregunta, y contemplar la respuesta en la totalidad de lo que implica.

Se podría responder, de modo simple pero no banal, que el metabolismo es la transformación continua de lo que no está vivo en lo que está vivo, de la materia inanimada en materia viva.
Difícilmente podremos imaginar una transformación más radical, nosotros que estamos vivos, y conocemos pues por experiencia directa, por así decir desde el interior, este estado vivo que es la sede misma del manifestarse de nuestra naturaleza y del mundo. Sin embargo nuestro estar vivo está profundamente radicado en lo que no está vivo, y esto resuena ya en los versículos del libro de la Génesis: «Con el sudor de tu frente comerás tu pan hasta que vuelvas a la tierra, pues de ella fuiste sacado. Porque eres polvo y al polvo volverás» (Gén. 3,19).

Metabolismo: de la materia inanimada a la materia viva

Un experimento dirigido a captar el metabolismo, experimento aparentemente muy elemental por ser propuesto como tal, podría ser éste: tomen una materia inanimada, y transfórmenla en materia viva. ¿Puede ser realizado? ¿Quién es capaz de realizar este experimento? ¿En qué condiciones? ¿Y qué quiere decir pues «materia viva»? ¿La materia no es siempre la misma, viva o no?
Con respecto a la viabilidad del experimento, la respuesta es simple: cada uno de nosotros realiza la transformación de la materia inanimada en materia viva cada vez que se nutre. Una versión más precisa del experimento, y de los resultados más directamente tangibles, podría ser ésta: tomar un caldo de cultivo estéril, inocular poquísimas bacterias y verificar cómo, al día siguiente, se haya producido una cantidad inverosímil de células bacterianas, cuya masa comienza a ser considerable, mientras antes era imperceptible; una parte de la materia no viva que constituía el caldo de cultivo ha sido transformada en materia viva.

El conjunto de procesos que hacen posible esta transformación es el «metabolismo», como dice también una definición (una de tantas) un poco anticuada, pero que sigue siendo válida: «Conjunto de los procesos químicos y físicos mediante los cuales la sustancia viva viene producida, mantenida, degradada y mediante la cual a ella le está permitido realizar sus funciones [Gran Diccionario Enciclopédico, UTET, 1970]».

El metabolismo se presenta así como la clave para comprender el misterio del origen de la vida. También nos hemos preguntado, aún, en qué condiciones pueda ser realizada la transformación extraordinaria a la cual alude el término metabolismo.
¿En qué condiciones? Desafío a quienquiera a tomar cualquier mezcla de todas las sustancias orgánicas e inorgánicas presentes en los seres vivos, pero en ausencia de formas preexistentes de vida, y hacer emerger de estas un ser vivo.
Nuestra mente es muy hábil para admitir la viabilidad de este proceso, sobre todo sobre la base de la constatación que a un periodo muy lejano en que no había huella de vida en la Tierra es seguido un periodo larguísimo, que dura hasta ahora, en que la vida permea el planeta: Por tanto a cierto punto tiene que haber ocurrido este paso extraordinario – el origen de la vida. Al mismo tiempo, si nos limitamos a lo que podemos ver ocurrir, hay una condición fundamental para la elaboración de la transformación de materia inanimada en materia viva: que exista ya algo vivo, capaz de realizar esta transformación.

La más extrema de las transformaciones

Todas la preguntas sobre el metabolismo pueden por tanto conducir a ésta: « ¿qué cosa existe, en los seres vivos, que hace posible la transformación en algo viviente de lo que no está vivo?». Explicar el metabolismo significa pues ante todo darse cuenta de un impresionante despliegue de fuerzas y recursos ya existentes en cada ser viviente.
Esto puede parecer un paso incompleto, respecto a lo que se necesitaría para aclarar el instante inicial de la vida en nuestro planeta.

Y sin embargo ya sólo el intento de responder plenamente a esta pregunta: cómo ocurre que las moléculas, los átomos que componen el pan y queso que he comido se vuelvan en poco tiempo parte de las fibras musculares a través de las cuales puedo moverme, o de las neuronas que hacen posible mi pensamiento, ya sólo esto nos lleva a un microcosmo de delicadísima y maravillosa complejidad.

Antes de explorar algunas partes periféricas de este microcosmos, una nada respeto a la totalidad de sus espacios, quisiera indicar que la transformación del pan en lo que soy yo es quizá la más extrema de las transformaciones que podemos imaginar (no nos engañe la cotidianidad de este hecho: se trata de lo extraordinario que permea y nutre a cada instante la aparente normalidad de nuestro vivir).
André Sentenac (1939-…), un gran bioquímico francés en cuyo laboratorio he tenido la suerte de trabajar por dos años, se asombraba siempre de cómo las azufaifas y los caramelos de mala calidad que alguna vez alguien, para desecharlos, abandonaba en la mesa de la cocina del Instituto de investigación, desaparecieran con gran rapidez, engullidos por estudiantes graduados y post-doc (incluso yo) que pasaban por allí entre un experimento y otro: « ¡Es fantástico que esta cosa pueda ser transformada tan fácilmente en pura ciencia!» decía con sincero entusiasmo.

Al inicio del diálogo El alma y la danza de Paul Valery (1871-1945), el autor hace decir a Sócrates palabras muy sugestivas sobre este tema. La escena es la de un banquete que llega a su fin. Erissimaco, sacio de las óptimas viandas, sintiendo la necesidad de algo más seco y espiritual, se dirige a Sócrates que está diciendo algo para sí mismo.
«Erissimaco: ¿Qué murmuran tus labios, querido Sócrates?
Sócrates: Estas me dicen dulcemente: el hombre que come es el más justo de los hombres… […].

El hombre que come, dicen, nutre sus bienes y sus males. Cada bocado que él siente fundirse y desaparecer en él mismo, va a llevar nuevas fuerzas a su virtud así como, indistintamente, a sus vicios. Ello sustenta sus tormentos así como engrosa sus esperanzas; y en cualquier punto se reparte entre las pasiones y las razones. El amor tiene necesidad como el odio; y mi alegría y mi amargura, mi memoria con mis proyectos, se dividen como hermanos la misma sustancia de una sugerencia»
El mismo tipo de prodigio es notado también por Ernst Gombrich (1909-2001), en su escrito En memoria de Frances A. Yates. Hablando del glorioso Warburg Institute en 1945, apenas terminada la guerra, Gombrich cuenta que ello era ubicado en locales donde «tuve el privilegio de asistir al triunfo del espíritu sobre la materia. En el oscuro escuálido subsuelo había una cafetería self-service que suministraba algunas de las comidas más malas que se pudieran encontrar también en aquellos tiempos de austeridad. No todos mis colegas tenían el valor de afrontar aquellos horrendos menjunjes de carne molida de aspecto muy dudoso, de papas aplastadas y verduras podridas, pero no creo que Frances Yates o Rudi Wittkower hayan jamás prestado atención a lo que comían. Yo sí, pero a menudo me sentaba junto a ellos en una de aquellas largas mesas, para escuchar sus inspiradas conversaciones. Los deprimentes locales de la cafetería se transformaban, como por encanto, en una de aquellas academias que formaban el objeto de los estudios de Frances». [1]
¿Qué, pues, permite a cada ser vivo transformar en sí - asimilar - continuamente porciones de materia sin vida?

El fenómeno de la Nutrición

Antes de tratar de responder a esta pregunta crucial quisiera, para hacer aún más amplia su aplicación, detenerme aún en el fenómeno de la nutrición, a partir de una experiencia que todos hacemos continuamente: la experiencia del hambre y la sed.
Estas experiencias estrechamente conectadas entre sí se manifiestan como una forma radical de necesidad, de dependencia. Gracias a la experiencia del hambre y de la sed, sabemos que nuestro ser se connota ante todo como un ser dependiente. Esto parece un hecho obvio, pero me parece importante ponerlo en el centro y contemplarlo.

Todos tenemos la posibilidad de reconocer el hambre y la sed como la forma primordial de nuestro depender, talmente primordial que cada recién nacido, aún con los ojos cerrados, busca primero el seno de la madre. Y antes de nacer (pero de esto nadie tiene memoria) el depender era aún más profundo, entrando en el verdadero «ser hechos».
En la experiencia de cada uno la nutrición, el acto de nutrirse es el modo en que más claramente se explícita, exteriormente e interiormente, nuestra dependencia de la realidad material. Es expresión y experiencia de esta dependencia aun la respiración, cuyo significado está en efecto estrechamente conectado a aquel de la nutrición. Dicho esto, hay una consideración muy importante que hacer, que nos permite ir más allá de la experiencia de la dependencia para insertarla en un contexto más amplio, que se extiende hasta bañar las riberas del misterio en que todo el mundo natural, y nosotros, estamos inmersos.

La nutrición consiste en tomar porciones de materia del ambiente para transformarlas en nosotros mismos. Pero decir esto significa reconocer ya que nosotros mismos somos algo radicalmente diferente de la materia que asumimos.
Si yo no fuera algo diferente, no diría que transformo algo en mí mismo (aun la bacteria en que se transforma el caldo de cultivo testimonia la irrupción continua de un modo de ser nuevo y diverso). Pero, al mismo tiempo, el hecho de que tenemos que nutrirnos indica una dependencia radical nuestra de esta materia inanimada de la que somos tan diferentes.
En los seres vivos, libertad y dependencia están unidas por un nexo inseparable, misterioso. ¿Lo que está muerto depende? No. ¿Se puede decir pues que sea libre? Tampoco.
El metabolismo es lo que la ciencia logra ver de este nexo. «La vida está esencialmente relacionada con algo» [2], y el metabolismo es lo que la ciencia logra ver de este implanto relacional.

El fenómeno de la asimilación

Ahora pensamos en nosotros mismos qué hacemos, comiéndolo, un pan con jamón. ¿Cómo es que un pan con jamón sea transformado en lo que somos? Limitándose a un cierto nivel inmediato, se podría decir que el pan con jamón está hecho de polisacáridos, grasas y proteínas. Estos componentes pueden ser ulteriormente descompuestos (los polisacáridos en moléculas de azúcar, la proteínas en aminoácidos), y estos compuestos orgánicos pueden entrar para hacer parte del conjunto de moléculas y macromoléculas orgánicas que constituyen nuestras células. Esto es verdad, Pero es sólo una parte de la historia.
Hay en efecto al menos tres aspectos que es importante considerar para evitar banalizar el fenómeno de la asimilación.

Tres aspectos de la asimilación

Reutilizar los ladrillos (por ejemplo monosacáridos o aminoácidos) para hacer nuevas construcciones macromoleculares requiere energía; ésta es recabada también de las demoliciones de los nutrientes y en todos los seres vivos se presenta sobre todo en la forma de la molécula de ATP (trifosfato de adenosina).
Se puede, es decir, distinguir en los sistemas metabólicos un catabolismo, cuyo resultado son componentes moleculares simples y energía química utilizable, y un anabolismo, cuyo resultado son nuevas moléculas (pequeñas o grandes) sintetizadas a costo de la energía recabada de las reacciones del catabolismo.
Además de ser fundamental para las biosíntesis orgánicas, la energía que el catabolismo deja es también transformada en trabajo mecánico (motilidad, movimiento), energía eléctrica (actividad nerviosa), calor (termorregulación), luz (bioluminiscencia).

Por último, va subrayado que la energía recabada por los nutrientes no es utilizada sólo para las biosíntesis y para las actividades enumeradas anteriormente, sino también para el puro y simple mantenimiento de un estado ordenado y organizado de todas las estructuras celulares. Este es un aspecto que viene generalmente descuidado, pero es impresionante ver lo que la bioquímica celular muestra, por ejemplo, del tráfico de las proteínas neo-sintetizadas en cada célula, a través del cual millares de especies proteicas diversas alcanzan cada una su destino específico a través de sistemas de generación de órdenes acopladas al consumo de energía metabólica.
Esto da la ocasión para subrayar cómo, también sólo para el operar continuo de estos sistemas en los organismos vivos, sea inexacto parangonar el organismo a una máquina. Según la visión de Descartes (1596-1650), la máquina (atribuible a la estructura anatómica) funciona gracias al calor de la combustión de la comida (metabolismo).

Esta visión es muy reductiva, porque en los organismos la estructura misma –cada una de nuestras células-, mientras es la ejecutora del metabolismo, simultáneamente continúa siendo también el resultado. La energía implicada en el metabolismo sirve a nuestras células ante todo para la continua construcción de sí mismas, y por tanto también de nosotros como organismos. Sin darnos cuenta, venimos continuamente construidos a través del metabolismo [1].

Un cuarto aspecto

Al pensar en todo lo que hace posible el fenómeno de la asimilación, hay pues un cuarto aspecto importantísimo que tener en consideración, aunque nosotros lo dejaremos al margen.
¿Qué es lo que da a una célula su forma, a un organismo su forma, a un hombre su forma de hombre y a la medusa la forma de medusa?

Una parte importante de la respuesta es que hay algo que está escrito en cada una de nuestras células desde el momento en que éramos una sola célula: es un conjunto único e imponente de instrucciones, nuestro ADN; pero eso no basta: es también un implanto molecular y estructural único que posee la capacidad de leer correcta y productivamente estas instrucciones, y de ponerlas en práctica.
Y, como evidenciado antes, es sólo si ya hay un organismo en acto que los nutrientes se pueden transformar en ello.

Al aludir el gran tema de la información genética, y de su rol al conferir y mantener la forma de los organismos, he usado los verbos «escribir» y «leer», los cuales adecuadamente nos introducen a una dimensión de señales, códigos y significados prescindiendo de la cual ningún sistema vivo sería comprensible [3].
No sólo pues por un primordial principio de «libertad» inherente al metabolismo, sino también por el equilibrio fundamentalmente semiótico de los organismos vivos, vale la afirmación de Hans Jonas (1903-1993) de la existencia en ellos de algo radicalmente «extraño a soles,planetas, átomos» [4]

El metabolismo desde el punto de vista químico

Desde el punto de vista químico, el metabolismo se basa en un número altísimo de reacciones, del orden de los miles o decenas de miles. Pero un punto fundamental es éste: deben ser y son reacciones intrínsecamente muy lentas en el ambiente de reacción de las células.
¿Por qué? Porque eso hace posible que se las controle una por una a través de catalizadores altamente específicos. Estos catalizadores, llamados enzimas, son macromoléculas de naturaleza proteica.

Gracias a la existencia en cada célula de miles de enzimas diferentes cada una dedicada en modo altamente selectivo a una particular reacción química, cada reacción del metabolismo no es dejada a sí misma, sino a un control muy riguroso, que tiene lugar en armonía con todas las otras reacciones teniendo en cuenta lo que ocurre dentro y fuera de la célula.
Cada enzima en efecto es a su vez controlada en su velocidad de síntesis (mediante el control de la expresión del gen que codifica para ese) y de degradación, así como en su eficiencia catalítica, en este caso a través de modificaciones químicas (por ejemplo fosforilaciones) operadas en ella por otras enzimas, o bien a través de la interacción con pequeñas moléculas o incluso iones (regulación alostérica).

Y todos estos sistemas de regulación sufriendo en modo muy fino condiciones internas (por ejemplo abundancia o carencia de ciertas moléculas del metabolismo) y externas (por ejemplo hormonas u otras moléculas de señalación) a la célula, de modo que variaciones en la concentración/actividad de las enzimas tome cuerpo una respuesta celular a cambios aun pequeños de las condiciones de vida y de crecimiento.
Existe por tanto en cada célula un intrincado network de miles de reacciones metabólicas interconectadas en la que sería necesario adentrarse para apreciar plenamente en qué modo está organizado el metabolismo, o sea la plataforma de asimilación a la vida de lo que no está vivo.

¿De dónde viene, últimamente, el pan?

Pero nuestra exploración, necesariamente limitada, no nos llevará en esta dirección. Nos interrogaremos en cambio con respecto a la última proveniencia de la materia y de la energía que forman el terreno de aplicación y la posibilidad misma de existencia del metabolismo.
Esta energía, gracias a la cual la materia presente en la Tierra puede ir hacia la prodigiosa transformación en vivo, de nosotros mismos, ¿ante todo de dónde viene? Para hacer la pregunta de modo debidamente simplificado y hecho esencial: ¿de dónde viene, últimamente, el pan?
Creo que a todos nosotros han dicho al menos una vez que el input energético originario, que hace posible la vida, viene de la estrella llamada Sol, y que hay un proceso primario, sobre todo ligado al Reino vegetal y denominado fotosíntesis clorofiliana, que permite la síntesis de los carbohidratos (los componentes fundamentales del pan) a partir de moléculas simples del así llamado mundo inorgánico.

Más que reasumir aquí nociones bien conocidas relacionadas a este proceso, quisiera detenerme a contemplar la esencia sorprendente, planteando sólo elementos naturales fundamentales como el agua, el aire, el Sol y su luz, las plantas y el hombre. [fig. 1]

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En las plantas, gracias a la energía llevada por la luz solar, una componente del aire (el anhídrido carbónico, CO2) viene relacionado al agua (H2O) para generar azúcares («pan») y oxígeno (O2, el aire en su componente para nosotros más vital directamente).

El hombre vive gracias a pan y oxígeno, que a través de él, en un flujo metabólico que es lo mismo que lo mantiene vivo, se convierte en CO2 y agua.

Decir que el pan está hecho de aire, agua y Sol, y que nuestro vivir de pan libera de nuevo de ello aire y agua, que gracias al Sol se vuelven otra vez pan y por tanto vida, no es pues un expresarse a través de imágenes simbólicas, sino es decir en modo simple la fórmula vertiginosa de nuestra dependencia, fórmula de cuyo despliegue cíclico el mundo vegetal, al mismo tiempo a nosotros tan familiar y tan extraño, representa el eje profundo y silencioso.

En la fotosíntesis clorofiliana, la luz del Sol es recogida por pigmentos (clorofilas y otros) y, gracias a la transferencia de energía por resonancia, la energía solar se hace converger en un par de clorofilas especiales, donde se induce así una separación de carga: un electrón se pierde.

Muchos electrones vienen sustraídos de este modo, transferidos a otras moléculas y por último utilizados para la transformación de CO2 a carbohidrato. El déficit de electrones, allí donde esos han sido sustraídos, será colmado por aquellos sustraídos al agua, de la que se desarrollará así oxígeno – a nosotros necesario como el pan. La sede de este proceso de foto-oxidación del agua es el llamado oxygen evolving complex (OEC), constituido por proteínas que se encuentran inmersas en el sistema membranoso (membrana tilacoide) puesto al interno de los cloroplastos, orgánulos exclusivos de las células vegetales.
Fundamental para el mecanismo a través del cual el complejo extrae electrones del agua es, en el corazón de su sitio activo del OEC, un núcleo inorgánico conteniendo cuatro iones de manganeso. [fig. 2]

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Es asombroso pensar cómo una de las más grandes innovaciones jamás verificadas en nuestro planeta, y es decir la aparición de los ciclos biogeoquímicos de oxígeno y carbono, a la que está estrechamente ligada la posibilidad de nuestra vida y la de todos los otros seres vivos que nos son tan familiares, se basa en átomos de manganeso atrapados en el misterio de los tiempos en el corazón de macromoléculas orgánicas de microorganismos similares a las actuales cianobacterias las cuales, como resultado de un proceso de endosimbiosis aún envuelto en el misterio, pudieron convertirse en cloroplastos de las actuales células vegetales…

Consideraciones análogas vienen suscitadas por la contemplación de la fijación del azoto atmosférico. Por fijación del azoto se entiende su transformación en amoníaco, forma en la cual los átomos de azoto pueden entrar a hacer parte de las principales biomoléculas (primeras entre todos los aminoácidos y los nucleótidos, y por tanto, a partir de ellos, las proteínas y los ácidos nucleicos).
Esta transformación química, hecha ardua por la relativa inercia del azoto molecular (N2), depende de la actividad de complejos metal-enzimas llamados nitrogenasas, poseídas por diversos microorganismos, pero no por las plantas ni los animales. Las nitrogenasas catalizan una reacción (N2 + 8H+ + 8e− → 2NH3 + H2) en que una vez más es fundamental un núcleo inorgánico llamado cofactor hierro-molibdeno, por la presencia de un átomo de molibdeno (pero ¡en ciertos casos también vanadio!) esencial por la actividad de la enzima.

Las plantas gozan directamente de esta prodigiosa fijación del azoto de parte de los microorganismos, o porque estos viven como simbiontes en las raíces mismas de las plantas, o porque sin embargo el azoto liberado en el terreno como amonio puede, después de otras transformaciones, ser absorbido por las plantas. Por ellas el azoto fijado puede luego llegar hasta los animales y por tanto al hombre.
La existencia de todas nuestras proteínas y ácidos nucleicos, y por tanto también de todos los procesos extraordinarios de las que estas macromoléculas son protagonistas en cada una de nuestras 1014 células, depende del hecho de que átomos de molibdeno (un elemento al cual ciertamente no tendemos a asociar la idea de vida) se encuentran, como atrapados y sometidos, en el corazón activo de las nitrogenasas a su vez dispersas en innumerables células bacterianas cuyos nombres nos dicen poco (Rhizobium, Azotobacter, Anabaena…) pero cuya existencia oscura es fundamental para la nuestra.

Observación conclusiva

Espero que este breve relato, tan fragmentado e incompleto que deja – a pesar del título - casi totalmente sin visitar el territorio inmenso del metabolismo, pueda sin embargo llevar a alguien, además de mí, a captar más plenamente el significado de un versículo del libro de la Sabiduría (11,24) que Papa Francisco, en su Encíclica Laudado si, refiere hablando del misterio del Universo: «Tú de hecho amas todas las cosas que existen y no pruebas disgusto por ninguna de las cosas que has creado; si hubiera odiado algo, no la habrías siquiera formado». [2]

Indicaciones bibliográficas
Frances A. Yates, L’arte della memoria (El arte de la memoria), Turín (Einaudi) 1993, pp. XVIII-XIX.
Hans Jonas, Organismo e libertà, (Organismo y libertad), Turín (Einaudi) 1999, p.11.

Marcello Barbieri (2008). Biosemiotics: a new understanding of life, Naturwissenschaften vol. 95, pp.577-599.
Hans Jonas, op. cit., p. 9.

Notas
Escribe Hans Jonas al respecto: «…la comida es algo más que el combustible: además del abastecimiento de energía cinética para el funcionamiento de la máquina (algo que sin embargo no vale para las plantas) su rol fundamental es aquel de construir continuamente la máquina misma […] y este devenir suyo es este mismo una prestación de la máquina: para una tal prestación no existe aún nada análogo en el mundo de las máquinas» [Organismo y libertad, op. cit., p. 108].

El artículo hace referimiento a la lectio magistralis sostenida por el autor durante el Convenio ScienzAfirenze 2016 de título: Las transformaciones en el estudio de los fenómenos naturales.

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