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Fundamentos e importancia de las transformaciones energéticas en el

organismo.

TERMODINÁMICA

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Las leyes de la Termodinámica: su aplicación en los seres vivos

1ª Ley :La primera ley es el principio de conservación de la energía y nos dice que la energía ni se crea ni se destruye, tan solo se transforma.

Dicho de otra forma: no podemos crear energía de la nada o no existe un móvil perpetuo de primera especie.

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2ª Ley: Cuando dos cuerpos se encuentran en contacto fluye calor del

cuerpo caliente al cuerpo frío

La segunda ley nos indica el sentido del flujo de energía: el calor fluye espontáneamente de un punto caliente a uno frío y nunca al revés.

caliente FRIO

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3ª Ley :La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a

cero.El tercer principio de la termodinámica

afirma que el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él.

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Los sistemas vivos convierten la energía de una forma en otra a medida que cumplen funciones esenciales de mantenimiento, crecimiento y reproducción. En estas conversiones energéticas, como en todas las demás, parte de la energía útil se pierde en el ambiente en cada paso. Las leyes de la termodinámica gobiernan las transformaciones de energía

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La primera ley establece que la energía puede convertirse de una forma a otra, pero no puede crearse ni destruirse. La segunda ley establece que en el curso de las conversiones energéticas, el potencial termodinámico -o energía potencial termodinámica- de un sistema en el estado final siempre será menor que el potencial termodinámico del mismo sistema en el estado inicial.

Otra manera de enunciar la segunda ley de la termodinámica es que todos los procesos naturales tienden a ocurrir en una dirección tal que la entropía (la medida del "grado de desorden" o de "aleatoriedad") del Universo se incrementa. Para mantener la organización de la cual depende la vida, los sistemas vivos deben tener un suministro constante de energía que les permita superar la tendencia hacia el desorden creciente. El Sol es la fuente original de esta energía.

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3.2 TRANSFORMACIONES ENERGETICASHay dos procesos principales y

complementarios por los que la energía fluye a través de la biosfera: la glucólisis y la respiración son procesos de degradación de sustancias por los que se obtiene energía

La fotosíntesis es un proceso por el cual la energía lumínica se convierte en energía química y el carbono se fija en compuestos orgánicos.

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Los sistemas vivos convierten la energía de una forma en otra a medida que cumplen funciones esenciales de mantenimiento, crecimiento y reproducción. En estas conversiones energéticas, como en todas las demás, parte de la energía útil se pierde en el ambiente en cada paso

Las transformaciones energéticas en las células vivas implican el movimiento de electrones de un nivel energético a otro y, frecuentemente, de un átomo o molécula a otro. Las reacciones de oxidación-reducción implican movimiento de electrones de un átomo a otro. Un átomo o molécula que pierde electrones se oxida; el que los gana se reduce.

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El total de las reacciones químicas que ocurren en las células constituyen el metabolismo. Las reacciones metabólicas ocurren en series, llamadas vías, cada una de las cuales sirve a una función determinada en la célula. Cada paso en una vía es controlado por una enzima específica. Las reacciones escalonadas de las vías enzimáticas les permiten a las células llevar a cabo sus actividades químicas con una notable eficiencia, en lo que concierne a la energía y a los materiales.

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Las enzimas funcionan como catalizadores biológicos. Así, disminuyen la energía de activación e incrementan enormemente la velocidad a la que se producen las reacciones químicas. Las reacciones catalizadas por enzimas están bajo un estricto control celular. Los principales factores que influyen sobre la velocidad de las reacciones enzimáticas son las concentraciones de enzima y de sustrato y la disponibilidad de los cofactores requeridos. Muchas enzimas son sintetizadas por las células o activadas sólo cuando son necesarias.

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El ATP es el principal transportador de energía en la mayoría de las reacciones que tienen lugar en los sistemas vivos.

Las células son capaces de llevar a cabo procesos y reacciones endergónicas (tales como reacciones biosintéticas, transporte activo o el movimiento de microtúbulos) acoplándolas a reacciones exergónicas que suministran un exceso de energía.

Estas reacciones acopladas generalmente involucran a compuestos trifosfato como el ATP u otros. Las familias de enzimas denominadas quinasas y fosforilasas adicionan o remueven un grupo fosfato a otra molécula respectivamente. La transferencia de grupos fosfato -o fosforilación- cumple un papel importante en la regulación de muchas reacciones químicas de la célula.

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Metabolismo y producción de calorEn cualquier sistema vivo el intercambio de

energía ocurren a través de miles de reacciones químicas diferentes, muchas de las cuales se producen simultáneamente. La suma de todas estas reacciones se conoce como metabolismo (del griego metabole, que significa "cambio").

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Si nos limitáramos meramente a enumerar la lista de las reacciones químicas individuales, sería difícil, en verdad, entender el flujo de energía a través de una célula. Afortunadamente, hay algunos principios que nos guían por el laberinto del metabolismo celular.

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Primero, virtualmente todas las reacciones químicas que tienen lugar en una célula involucran enzimas, grandes moléculas de proteína que desempeñan papeles muy específicos.

Segundo, los bioquímicos son capaces de agrupar estas reacciones en una serie ordenada de pasos, que comúnmente se llama vía; una vía puede tener una docena o más de reacciones o pasos secuenciales. Cada vía sirve a una función en la vida global de la célula o del organismo. Más aun, ciertas vías tienen muchos pasos en común, por ejemplo, las que están vinculadas con la síntesis de los aminoácidos o de las distintas bases nitrogenadas.

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Metabolismo

El fenómeno del metabolismo permite a los seres vivos procesar sus alimentos para obtener

nutrientes, utilizando una cantidad de estos nutrientes y almacenando el resto para usarlo

cuando efectúan sus funciones. En el metabolismo se efectúan dos procesos fundamentales:

anabolismo y catabolismo.Anabolismo: Es cuando se transforman las

sustancias sencillas de los nutrientes en sustancias complejas.

Catabolismo: Cuando se desdoblan las sustancias complejas de los nutrientes con ayuda de enzimas en materiales simples liberando energía. Durante el metabolismo se realizan reacciones químicas y energéticas. Así como el crecimiento, la auto reparación y la liberación de energía dentro del cuerpo de un organismo.

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Procesos metabólicos.El ciclo material, es decir, los cambios químicos

de sustancia en los distintos períodos del ciclo vital, crecimiento, equilibrio e involución;

El ciclo energético, o sea, la transformación de la energía química de los alimentos en calor cuando el animal está en reposo, o bien en calor y trabajo mecánico cuando realiza actividad muscular, así como la transformación de la energía luminosa en energía química en las plantas.

En los organismos heterótrofos, la sustancia y la energía se obtienen de los alimentos. Éstos actúan formando la sustancia propia para crecer, mantenerse y reparar el desgaste, suministran energía y proporcionan las sustancias reguladoras del metabolismo

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BiocatálisisLa catálisis es el proceso a través del cual se

incrementa la velocidad de una reacción química.

Dentro de la células biológicas ocurren muchas reacciones químicas que, sin la presencia de las enzimas, ocurrirían a una tasa demasiado lenta para ser biológicamente relevantes.

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Enzima (del griego, fermento) son moléculas de proteínas particulares cuya función es facilitar o acelerar la mayoría de las reacciones químicas de la célula.

Las enzimas pueden acoplar dos o más reacciones para que ocurran al mismo tiempo, de esta forma una reacción termodinámicamente favorable puede ser utilizada para "dirigir" una reacción desfavorable. Uno de los ejemplos más comunes son las enzimas que utilizan la desfosforilación del ATP para dirigir reacciones no relacionadas.

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Para que las reacciones químicas ocurran es necesario que exista una cierta cantidad de energia de activación. Las enzimas pueden incrementar la velocidad de la reacción favoreciendo o habilitando una vía diferente de reacción con una energía de activación menor haciendo mucho más fácil que la reacción ocurra.

La enzimas son grandes proteínas globulares que catalizan (aceleran) reacciones químicas y son esenciales para las funciones celulares. Las enzimas son muy específicas para las reacciones que catalizan y los químicos (sustratos) que utilizan

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Figura 2: Una enzima (E) cataliza la reacción de dos sustratos (S1 y S2) para formar un producto (P).

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Estructura y propiedades del ATPTodas las actividades biosintéticas de la célula,

muchos de sus procesos de transporte y una diversidad de otras actividades requieren de energía. Una gran proporción de esta energía es suministrada por una sola sustancia: el adenosín trifosfato o ATP.

La glucosa y otros carbohidratos son formas de almacenamiento de energía y también formas en las que se transfiere energía de célula a célula y de organismo a organismo. En cierto sentido, son como el dinero depositado en un banco. Sin embargo, el ATP es como el cambio de bolsillo: es la moneda energética de la célula que puede gastarse de inmediato.

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La molécula de ATP está formada por la base nitrogenada adenina, el azúcar de cinco carbonos ribosa y tres grupos fosfato. Los tres grupos fosfato están unidos por dos enlaces covalentes que se rompen con facilidad, produciendo cada uno aproximadamente 7 kilocalorías de energía por mol. En los sistemas biológicos, las reacciones endergónicas, como las de biosíntesis, se producen gracias a la energía liberada en las reacciones exergónicas con las que están acopladas. En la mayoría de las reacciones acopladas, el ATP es el intermediario que conduce la energía de una reacción a otra.La estructura interna de la molécula de ATP la hace inusualmente adecuada para este papel en los sistemas vivos. En el laboratorio, la energía se libera de la molécula de ATP cuando se elimina el tercer fosfato por hidrólisis dejando ADP (adenosín difosfato) y un fosfato:

ATP + H2O => ADP + fosfato

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En el curso de esta reacción, se liberan unas 7 kilocalorías de energía por mol de ATP. La eliminación del segundo fosfato produce AMP (adenosín monofosfato) y libera una cantidad equivalente de energía:

ADP + H2O => AMP + fosfato

Los enlaces covalentes que unen a estos dos fosfatos al resto de la molécula se simbolizan con el signo ~, y durante muchos años se llamaron enlaces de "alta energía", término incorrecto y confuso. Estos enlaces no son fuertes, como los enlaces covalentes entre el carbono y el hidrógeno, que tienen una energía de enlace de 98,8 kcal/mol. Al contrario, son enlaces que se rompen fácilmente y liberan, como vimos, una cantidad de energía, aproximadamente 7 kcal/mol, adecuada para impulsar muchas de las reacciones endergónicas esenciales de la célula.

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Además, la energía liberada no surge totalmente del movimiento de los electrones de enlace hacia niveles energéticos más bajos. Es también el resultado de un reordenamiento de los electrones en otros orbitales de las moléculas de ADP o de ATP. Cada uno de los grupos fosfato lleva cargas negativas y, por eso, tienden a repelerse. Cuando se elimina un grupo fosfato, la molécula sufre un cambio en la configuración electrónica, lo cual da como resultado una estructura con menos energía

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Oxidación biológica y los procesos de conjugación energética.

Un panorama general de la oxidación de la glucosa

La oxidación consiste en la pérdida de un electrón y la reducción es la ganancia de un electrón. Dado que en las reacciones de oxido-reducción espontáneas, los electrones van de niveles de energía mayores a niveles de energía menores, cuando una molécula se oxida, habitualmente libera energía cuando.

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En la oxidación de la glucosa, los enlaces carbono-carbono (C-C), carbono-hidrógeno (C-H) y oxígeno-oxígeno (O-O) se cambian por enlaces carbono-oxígeno (C-O) e hidrógeno-oxígeno (H-O), a medida que los átomos de oxígeno atraen y acaparan electrones. La ecuación resumida de este proceso es:Glucosa + Oxígeno => Dióxido de Carbono + Agua + Energía

o bien, C6H12O6 + 6O2=> 6CO2 + 6H2O

*G = -686 kcal/mol

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Los sistemas vivos son expertos en conversiones energéticas. Su organización les permite atrapar esta energía libre, de modo que no se disipe al azar, sino que pueda usarse para hacer el trabajo de la célula. Aproximadamente el 40% de la energía libre desprendida por la oxidación de la glucosa se conserva en la conversión de ADP a ATP

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Cadena de transporte electrónicoLas enzimas que catalizan las reacciones del

ciclo de Krebs se hallan en la matriz mitocondrial ; mientras que el sistema transportador de electrones se encuentra inmerso en las crestas mitocondriales. Mediante una serie de reacciones de oxido-reducción, los electrones se transfieren en cascada, ya sea desde el NADH o del FADH2 al oxígeno molecular para que se forme H2O.

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Parte de la energía del electrón es usada para fabricar ATP y el resto se libera como calor. En la reacción de oxidación del NADH se produce una separación de cargas, los protones (H+) permanecen en la solución acuosa, mientras que los electrones se transfieren a través de transportadores de electrones, que incluyen la ubiquinona y un sistema de citocromos.

Los citocromos son moléculas proteícas que poseen un anillo de porfirina con un átomo de hierro, denominado grupo heme, difieren entre si en su cadena proteíca y en la afinidad por los electrones .Así mismo, los citocromos transportan un solo electrón sin el respectivo protón. Se puede decir que los citocromos pasan "las papas calientes" ( electrones) a lo largo de la cadena transportadora de electrones, mientras que la energía liberada en el proceso es capturada en forma de ATP.

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Debido a que cada molécula de citocromo contiene un átomo de hierro, por cada electrón transportado se requiere solamente un citocromo.

La secuencia de los transportadores de electrones en la respiración es:

Los electrones se transfieren desde el NADH al O2 a través de una serie de transportadores de electrones como se ilustra arriba. El complejo de citocromo (a+a3 ) se conoce como citocromo oxidasa; al final se transfieren 4 electrones, que con 4 H+ y una molécula de O2 forman 2 moléculas de H2O:

O2 + 4 H+ + 4 e- 2H2O

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Fosforilación oxidativa

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Ciclo de KrebsEl ciclo de Krebs (también llamado ciclo del

ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una serie de reacciones químicas que forman parte de la respiración celular en todas las células aerobias, es decir que utilizan oxígeno.

En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de hidratos de carbono, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2, liberando energía en forma utilizable (poder reductor y GTP).

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El metabolismo oxidativo de glúcidos, grasas y proteínas frecuentemente se divide en tres etapas, de las cuales el ciclo de Krebs supone la segunda

El ciclo de Krebs también proporciona precursores para muchas biomoléculas, como ciertos aminoácidos. Por ello se considera una vía anfibólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo.

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