(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(El metabolismo)(Introducción)(Generalidades del metabolismo)(Los metabolismos y las reacciones químicas)(Portadores de energía)(Algunos catabolismos)(Algunos anabolismos)(El metabolismo secundario)(La diabetes)(Referencias bibliográficas)(Versión documento word)
Las relaciones entre estructura y función son evidentes en todos los niveles biológicos, desde el nivel molecular hasta el organísmico. En el capítulo anterior vimos que las proteínas tienen una intrincada configuración tridimensional que condiciona su funcionamiento, la cual depende de una secuencia de aminoácidos con cierta tolerancia a los cambios, en donde algunos residuos son más determinantes que otros en la conformación estructural. En este capítulo nos enfocaremos en la función química de cierto grupo de proteínas denominadas enzimas, y como estas enzimas son fundamentales en la organización de los seres vivos y aun así ser capaces de cumplir con las leyes de la termodinámica sin tener que acudir a algún principio vitalista. El único principio al que si hay que hacer referencia es la energía útil que puede transferirse entre un estado químico a otro, la cual es una fracción de la energía total, esta energía se conoce como la energía libre de Gibbs.
Figura 3. La reacción general de la fotosíntesis puede describirse como: 6H2O+6CO2+luz+proteínas→C6H12O6+6O2.
Bioenergética es una palabra mal empleada por estafadores y espiritistas,
pero el punto es que aquí lo trabajaremos exclusivamente desde el punto de
vista de las ciencias de la
naturaleza, y con esto no se quiere decir que nosotros poseamos la verdad y ellos
sean unos timadores –aunque esa sea mi sospecha –lo que queremos decir es que a
cada quien lo suyo.
La bioenergética hace referencia a como la energía, sea esta proveniente
del Sol o de los minerales de la corteza terrestre, es canalizada por los seres
vivos. Los seres bullen de energía, las macromoléculas de todo tipo son
ensambladas, los productos de desecho son excretados, las instrucciones
genéticas fluyen de una molécula a otra, las vesículas son transportadas por
proteínas que actúan como grúas. Para mantener ese nivel de actividad las
células deben adquirir energía. El estudio científico de las transferencias y
transformaciones de la energía en los seres vivos se conoce como bioenergética.
La energía se define como la capacidad se realizar un trabajo mecánico, sin embargo, existen muchas formas energéticas que no necesariamente involucran un desplazamiento mecánico. La energía es un valor arbitrario que solo podemos señalar cuando hay un cambio, transferencia o transformación entre dos momentos diferentes. Intuitivamente podemos saber que dos cuerpos pueden transferir energía entre sí. El estudio de estas transferencias energéticas se conoce como termodinámica.
Figura 4. La ley cero de la termodinámica está relacionada con el principio
de difusión, la energía al igual que las partículas se distribuyen hasta
alcanzar el máximo equilibrio posible, por eso un objeto caliente transfiere
calor a objetos fríos hasta que todos están en equilibrio. El aumento de equilibrio
va aumentado con una disminución de las predicciones que hacemos sobre el
sistema, por lo que decimos aumenta el desorden, lo cual es un ejemplo de la
segunda ley.
La energía no puede definirse en sí misma, por lo que en general
tendemos a confundir su definición no definida propiamente por los físicos
hasta el día de hoy con los mecanismos de transporte de energía, de esta forma
aun en este texto tenderemos a emplear ambos conceptos indistintamente debido a
la facilidad de lenguaje y su uso general en los libros de texto. De esta forma
podemos afirmar que la energía posee diferentes mecanismos de transferencia,
entre los que podemos contar: el calor, la electricidad, el magnetismo, la luz
o radiación electromagnética, los enlaces químicos, las uniones nucleares, el
movimiento cinético entre otros. En términos generales los flujos de energía en
el universo están condicionados por cuatro leyes generales, conocidas como las
leyes de la termodinámica, las cuales definiremos muy someramente a continuación:
Ley cero
La energía deberá fluir desde el cuerpo más energético al menos
energético hasta que se alcanza un punto de equilibrio, momento en el cual la
energía aparentará quedarse estática y los flujos dependerán únicamente de
variables mecánico cuánticas, pero que en la práctica no serán relevantes. En
términos del calor esto se traduce a que el calor solo puede fluir desde el
cuerpo caliente al cuerpo frio y nunca en sentido inverso hasta que se alcanza
el equilibrio térmico.
Primera ley
Establece que la energía total de un sistema cerrado se forma perfecta
es una constante que no puede crearse o destruirse, solo fluir de un lugar más
energético a potro. Esta ley tiene diversas definiciones semánticas, por
ejemplo, la de que la energía total del universo es constante o que la energía
no se crea ni se destruye, solo se transforma. Para los seres vivos esta ley
implica que la energía es un bien limitado y que debe buscarse de forma
externa.
Segunda ley
La segunda ley indica que, en una transferencia energética, la energía
no fluye perfectamente entre los cuerpos, la energía se dividirá en dos partes,
una que fluye al otro cuerpo y otra que se pierde o disipa al universo conocido
como caos entrópico o entropía. Toda transferencia energética involucra un gasto
entrópico, y de forma contraria, las transferencias de energía más eficientes
son las que disminuyen perdida entrópica. El punto relevante es que siempre
habrá unja perdida energética, y que el nivel de entropía del universo en toda
transferencia de energía aumentará inexorablemente hasta la muerte térmica del
universo.
Tercera ley
La tercera ley está relacionada a la temperatura y a los flujos de
energía, esta establece que es imposible tener un cuerpo sin energía que posea
una temperatura de cero absoluto. Esto se debe a la combinación de las leyes
cero y primera, para tener una disminución de temperatura un cuerpo debe ceder
la energía a otro, pero siempre quedará un estado de equilibrio, por lo que el
cuerpo que pretendemos enfriar siempre terminará por poseer una energía
remanente de equilibrio. A demás de esto también está el hecho de que a niveles
cuánticos la energía parece ir y venir aleatoriamente produciéndose y
aniquilándose. Aunque esto parece ir en contra de la primera ley, el punto es
que cuando se calcula la suma neta de energía a niveles más grandes, la suma
siempre es cero, por lo que no se creó o destruyó netamente la energía, sin
embargo, estas producciones cuánticas siempre provocarían que el cuerpo tuviera
una temperatura residual levemente superior al cero absoluto. En resumen, es
imposible llegar al cero absoluto.
La energía libre de Gibbs nos representa la energía que no es consumida por el caos del universo o entropía, es lo que queda de utilidad y por eso se la llama libre, libre para hacer cosas. Es un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes). Nuevamente las condiciones de equilibrio y espontaneidad dependen de los estados iniciales y finales de un sistema y siempre se grafican usando la analogía de la colina y la esfera.
Figura 5. En procesos liberadores de energía o catabólicos, es común que para liberar la energía libre de Gibbs, se tenga que invertir energía para activar las sustancias, semejante a la chispa que activa la explosión de la gasolina. La energía libre es toda la energía conducida a la actividad subsecuente que no se convierte en calor inútil.
Figura 6. Los productos de las reacciones espontáneas tienen menos energía
que la energía libre y la energía de activación. En los procesos no
espontáneos, los productos tienen más energía ya que han sido activados. Una
adecuada activación puede hacer que algo no espontáneo se vuelva espontáneo.
Si el
estado inicial tiene más energía y el estado final menos energía, es como si se
procediera cuesta abajo, siendo un proceso espontáneo, cuya diferencia de
energías será negativo. En base a esto una energía libre negativa indica un
proceso espontáneo como dejar caer una esfera por una colina.
El proceso
opuesto es cuando el estado inicial tiene menos energía y el final posee más
energía, es como subir la colina y se requiere una adición de energía externo,
por lo que es un proceso no espontáneo y en esos casos la diferencia de energía
libre es positivo. Básicamente la energía que mencionamos constantemente en los
procesos metabólicos es la energía libre de Gibbs, ya que otras energías son
consumidas por el universo de forma ineficiente transformándose en calor y
entropía “caos”.
Principio
de Le Chatelier es un heurístico que permite analizar rápidamente un sistema
químico en diferentes momentos de equilibrio, y se aplica mucho en el
metabolismo ya que la mayoría de sus reacciones son reversibles y por lo tanto
aplica el concepto de equilibrio químico. El principio de Le-Chatelier propone
que cuando un sistema ingresa en equilibrio químico tenderá a conservarse en
equilibrio, así cuando se ejerce una perturbación en el sistema como
concentraciones, presión o temperatura; el sistema responderá de modo tal que
neutralice dicho cambio para regresar al estado de equilibrio. Un detalle
importante es que el sistema tarda cierta cantidad de tiempo para regresar al
estado de equilibrio, aspecto que puede ser usado en situaciones industriales
para reducir costos y optimizar producción.
Las reacciones
químicas espontáneas y no espontáneas siguen el razonamiento de los cambios en
la energía libre de Gibbs o simplemente energía útil para la célula en nuestro
contexto. Cuando observamos
ciertas reacciones químicas, podemos comprobar que no solo hay una
transformación en la naturaleza química de la especie reactante, también hay un
cambio energético. Por ejemplo, reacciones como la del gas del cloro y el sodio
metálico son evidentemente explosivas, y no falta ser un genio para señalar que
liberan grandes cantidades de energía. Otras reacciones como la electrolisis del agua,
para producir gas de oxígeno y de hidrógeno requiere invertir una gran cantidad
de energía, en este caso se dan una absorción energética. De esto podemos
desprender una clasificación de las reacciones en torno a sus necesidades
energéticas.
Son
aquellas que liberan energía, ya sea en forma de luz, calor, electricidad o
combinaciones de las anteriores y otras más. Reacciones endergónicas: son
aquellas que absorben energía, ya sea calor, electricidad o luz. A parte de
esto, si tomamos las leyes cero y segunda de la termodinámica podemos decir
que, dado que la energía tiende a dispersarse con el tiempo, y que las
reacciones exergónicas hacen precisamente eso, podemos concluir que las
reacciones exergónicas tenderán a ser espontáneas, se producen naturalmente con
más facilidad ya que tienen a cumplir con más fluidez las leyes cero y segunda
de la termodinámica.
Son
aquellas que tienden a acumular energía, y aunque generalmente no son
imposibles, si requieren de ciertas condiciones para darse, en especial se
requiere un donante de energía externo al sistema químico. A este tipo de
reacciones las denominamos generalmente no espontáneas. De lo anterior
obtenemos generalmente una relación directa: Las reacciones exergónicas son
generalmente espontaneas; mientras que las reacciones endergónicas son
generalmente no espontáneas.
Redox es
un nombre que surge de la fusión de otros dos más conocidos, la oxidación y la
reducción. Todos conocemos macroscópicamente que es una oxidación, pues hemos
observado como el hierro en contacto con el aire o el agua es oxidado, el
producto es el óxido de hierro. Pero ¿Qué es una oxidación? Recordemos que, el
oxígeno es el segundo elemento con mayor electronegatividad en la tabla
periódica, por lo que tiene una gran tendencia a atraer sus propios electrones
así como los electrones de cualquier otro elemento que se encuentre cerca de él
(excepto por otro átomo de oxígeno y por el átomo del flúor). De allí sabemos
que el oxígeno despoja de electrones a los otros átomos, y ese es precisamente
el proceso de oxidación.
(1) Oxidación: Proceso de perdida de electrones (el
elemento se torna más positivo o menos negativo).
1
(2) Reducción: Es el proceso de ganancia de
electrones (el elemento se torna más negativo o menos positivo).
2
(3) Redox: tanto la reducción como la oxidación
ocurren de manera acoplada y casi que simultánea, no puede existir una
oxidación sin que ocurra una reducción, tal como cuando alguien da, existe
alguien que recibe.
3
Son los
elementos o compuestos que despojan de electrones a otras sustancias y en el
proceso se reducen. El más común es el oxígeno y de allí el nombre, sin
embargo, existen otros, como el flúor que es aún más oxidante que el oxígeno.
Otros agentes oxidantes son sustancias con alta electronegatividad, como todos
los elementos halógenos.
Son los
elementos que causan la reducción, en general son donadores de electrones y
poseen bajas electronegatividades. Los metales son casi siempre agentes
reductores. Debemos recordar que, agente oxidante y agente reductor se adjudica
comparando las electronegatividades, pues un mismo elemento puede ser un agente
oxidante en algunas reacciones y un agente reductor en otras. Como nota
adicional, prácticamente todas las reacciones de desplazamiento son reacciones
redox.
Si bien en
sentido último todo depende del flujo de electrones, existen métodos holísticos
para evaluar el estado de oxidación de una molécula orgánica como un todo y es
mediante la presencia de agentes reductores y agentes oxidantes. Una molécula
orgánica se oxida cuando pierde agentes reductores, gana agentes oxidantes o es
degradada “digerida” a compuestos más simples. De manera opuesta una molécula
se reduce cuando gana agentes reductores, pierde agentes oxidantes o su masa se
incrementa por adición de cadenas de carbonos. Los agentes reductores más comunes son el
hidrógeno y otras cadenas de carbono. Los agentes oxidantes más comunes con el
oxígeno y los grupos oxigenados, así como el flúor, el azufre o el nitrógeno. Otros elementos se los puede
clasificar como oxidante o reductor según se comporten como hidrógeno u
oxígeno. Por ejemplo, los metales son agentes reductores porque se comportan
como el hidrógeno y los halógenos/anfígenos restantes son agentes oxidantes.
Las rutas
metabólicas pueden agruparse en dos grupos generales que son opuestos y
complementarios. Las rutas catabólicas son aquellas que se encargan de la
destrucción de moléculas muy complejas para generar compuestos más simples. En
el proceso generalmente se libera energía que luego es aprovechada por la
célula para alimentar los procesos anabólicos. Las rutas catabólicas se caracterizan
porque como un todo se las puede clasificar como un proceso oxidante, y
exergónicas “generalmente exotérmico, pero puede liberar otras formas de
energía diferente”. Las rutas anabólicas por el contrario son aquellas que
ensamblan moléculas complejas a partir de compuestos más simples, e inclusive
de naturaleza completamente inorgánica. Para esto utiliza energía celular
obtenida por las rutas catabólicas o de fuentes externas como el calor, o el
Sol. En el centro de todo existe una serie de moléculas de almacenamiento de
energía que conectan ambos tipos de rutas metabólicas, es decir, son producidas
por el catabolismo, y gastadas en el anabolismo, estas moléculas son el ATP y
el NADP.
Muchas reacciones químicas son poco espontáneas, o en caso de serlo su
velocidad de reacción es tan minúscula que demorarían millones de años en
acumular suficientes intermediarios metabólicos para poder ser empleados en una
reacción celular. En química inorgánica se nos introduce el concepto de
catalizador, una sustancia que no es consumida por la reacción, pero que se
necesita para que esta se de en términos cuantificables. Los seres vivos se
caracterizan por fabricar y perfeccionar sus propios catalizadores que
funcionan gracias a la estructura tridimensional de las proteínas, en este
sentido las proteínas que actúan de catalizadores químicos son denominados
enzimas.
Las enzimas no suplementan energía extra la reacción, por lo que no
pueden hacer nada contra una reacción biológica que sea por naturaleza
irreversible. En otras palabras, las enzimas no pueden alterar las leyes de la
termodinámica, una reacción irreversible y no espontánea continuará siendo
irreversible y no espontánea por más enzimas que se apliquen. Las enzimas
afectan las velocidades de reacción.
Las enzimas son catalizadores particularmente buenos cuando se las
compara con catalizadores no biológicos como en platino metálico o el magnesio,
dichos catalizadores solo aceleran las reacciones entre cientos o miles de
veces, en otras palabras, acelerando o 3 órdenes de magnitud de la reacción.
Las enzimas pueden acelerar en promedio entre 13 y 18 órdenes de magnitud una
reacción. En base a estos números, una reacción que toma entre 3 a 300 000 años
para cumular suficiente sustancia útil, con una enzima solo se tardaría un
segundo o menos. Otro detalle importante es que las enzimas logran esto en las
condiciones celulares, cercanas a las condiciones termodinámicas estándar.
Las enzimas poseen muchas características del tipo de sustancias que
son, proteínas, por lo que son sustancias muy específicas que solo catalizan un
grupo estrechamente relacionado de reacciones químicas, lo que cont6rasta con
los catalizadores no biológicos que son inespecíficos. De igual forma sus
funciones están relacionadas con la apariencia tridimensional de la enzima y su
habilidad para cambiar de forma.
Las enzimas no pueden hacer que una reacción no espontánea se con vierta
en espontánea, pero si pueden dirigir la energía libre de Gibbs de una reacción
muy espontánea para activar los reactivos de la reacción no espontánea.
Recuerde que las reacciones no espontáneas no son imposibles, solo necesitan
una introducción de energía. Este proceso se conoce como acoplamiento de
reacciones, y de esta manera se van construyendo las rutas metabólicas, que, en
su concepto más simple, es la producción de reacciones espontáneas con altos
índices de energía libre, para que esta sea empleada en la generación de
reacciones no espontáneas. El proceso siempre involucra el aumento entrópico
del universo, cada trasferencia energética solo logra canalizar un poco de la
energía en forma de energía libre, mientras que la mayor parte se convierte en
entropía para el universo, por lo que los seres vivos siempre cumplen las leyes
de la termodinámica aun cuando aparentemente construyan un sistema ordenado.
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