ENERGIA
Y METABOLISMO
Metabolismo
es el conjunto de todas las reacciones químicas que se producen en el interior
de las células de un organismo. Mediante esas reacciones se transforman las
moléculas nutritivas que, digeridas y transportadas por la sangre, llegan a
ellas. Requerimientos humanos de energía, se refiere a todo el entramado de
procesos involucrados en el mantenimiento de la vida, tiene lugar dentro de la
célula. Incluye todas las consecuencias de reacciones bioquímicas alas cuales
llamamos “vías metabólicas” Estas
reacciones capacitan a la célula para liberar la energía presente en los
alimentos, interconvertir sustancias y preparar los desechos para su excreción.
La metabolización es un proceso por el cual el organismo consigue que
sustancias activas se transformen en no activas. Es la suma de todas las reacciones químicas que se
producen en el organismo para mantenerse, aquella cantidad de energía que se
consume en estado de reposo. En consecuencia en el interior de las células se producen numerosas reacciones
Químicas que las permiten crecer, reproducirse,
producir energía y eliminar
residuos. El conjunto de estas acciones se llama metabolismo. Es
una actividad muy coordinada cuyos objetivos de forma
Sintética serían:
1) Obtención de energía del medio ambiente.
2) Obtención de moléculas características de la
propia célula.
Para ello se dispone de cientos o miles de reacciones químicas
distintas, catalizadas por enzimas,
; Pero se ha de puntualizar, que
aunque el número de reacciones sea muy grande las clases o tipos de reacciones
son pocas, y además, están organizadas en rutas o vías metabólicas.
En una ruta metabólica se encadenan una serie de transformaciones que
suponen, consideradas individualmente, pequeños cambios químicos. En esta secuencia
o cadena de pasos, un precursor se convierte en un producto, a través de una
serie de moléculas intermediarias que se denominan metabolitos. Aunque el
estudio de cada ruta en el texto y a título didáctico, se realiza de manera
aislada y estanca, hay que tener en cuenta sin embargo, que en la célula están
estrechamente interconectadas realizándose los procesos de una forma
estrictamente coordinada.
Entre sus funciones está el mantenimiento
de: respiración, digestión, actividad cerebral, mantenimiento de la temperatura
corporal, circulación sanguínea, frecuencia cardíaca, pH, nivel de
electrolitos, balance de nitrógeno y bióxido de carbono, hidratación, etc.
•Obtener
energía química utilizable por la célula, que se almacena en forma de ATP
(adenosín trifostato). Esta energía se obtiene por degradación de los
nutrientes que se toman directamente del exterior o bien por degradación de
otros compuestos que se han fabricado con esos nutrientes y que se almacenan
como reserva.
•Fabricar
sus propios compuestos a partir de los nutrientes, que serán utilizados para
crear sus estructuras o para
almacenarlos como reserva.
Al
producirse en las células de un organismo, se dice que existe un metabolismo
celular permanente en todos los seres vivos, y que en ellos se produce una
continua reacción química.
Vías Metabólicas
En el estudio del metabolismo se diferencian dos vertientes:
a) El catabolismo, o procesos de degradación
oxidativa de moléculas nutrientes complejas (glúcidos, lípidos, proteínas),
formándose productos de desecho (CO2, NH3) y obteniéndose energía (en forma de
ATP y poder reductor).
b) El anabolismo, o procesos de biosíntesis
reductora de moléculas complejas (polisacáridos, proteínas) a partir de
precursores sencillos y con gasto de energía (en forma de hidrólisisde ATP o
como consumo de poder reductor).
Aunque se divida el metabolismo en los dos bloques anteriores con el
objetivo de simplificar su análisis, se ha de matizar que ambos procesos
transcurren conjuntamente en el espacio y en el tiempo, compartiendo en muchos
casos intermediarios, y manteniendo un equilibrio dinámico entre las distintas
reacciones o rutas, con el fin de garantizar las condiciones necesarias para el
mantenimiento de las estructuras y funciones del ser vivo.
Anabólicas: síntesis de moléculas complejas a partir de otras más
simples.
Catabólicas: degradación de moléculas complejas, ricas en energía, para
dar lugar a otras más simples.
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Catabolismo
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Anabolismo
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Degrada
biomoléculas
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Fabrica
biomoléculas
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Produce
energía (la almacena como ATP)
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Consume
energía (usa las ATP)
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Implica
procesos de oxidación
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Implica
procesos de reducción
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Las
reacciones catabólicas se caracterizan por:
Son
reacciones degradativas, mediante ellas compuestos complejos se transforman en
otros más sencillos.
Son
reacciones oxidativas, mediante las cuales se oxidan los compuestos orgánicos
más o menos reducidos, liberándose electrones que son captados por coenzimas
oxidadas que se reducen.
Son
reacciones exergónicas en las que se libera energía que se almacena en forma de
ATP.
Son
procesos convergentes mediante los cuales a partir de compuestos muy diferentes
se obtienen siempre los mismos compuestos (CO2, ácido pirúvico, etanol,
etcétera).
ATP: Reacciones acopladas y transferencia de energía
El
anabolismo (fase constructiva)
Reacción
química para que se forme una sustancia más compleja a partir otras más
simples.
Anabolismo,
entonces es el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales a partir
de compuestos sencillos (inorgánicos u orgánicos) se sintetizan moléculas más
complejas. Mediante estas reacciones se crean nuevos enlaces por lo que se
requiere un aporte de energía que provendrá del ATP.
Las
moléculas sintetizadas son usadas por las células para formar sus componentes
celulares y así poder crecer y renovarse o serán almacenadas como reserva para
su posterior utilización como fuente de energía.
Las
reacciones anabólicas se caracterizan por:
Son
reacciones de síntesis, mediante ellas a partir de compuestos sencillos se
sintetizan otros más complejos.
Son
reacciones de reducción, mediante las cuales compuestos más oxidados se
reducen, para ello se necesitan los electrones que ceden las coenzimas
reducidas (NADH, FADH2 etcétera) las cuales se oxidan.
Son
reacciones endergónicas que requieren un aporte de energía que procede de la
hidrólisis del ATP. Rutas metabólicas
En
las células se producen una gran cantidad de reacciones metabólicas (tanto
catabólicas como anabólicas), estás no son independientes sino que están
asociadas formando las denominadas rutas metabólicas. Por consiguiente una ruta
o vía metabólica es una secuencia ordenada de reacciones en las que el producto
final de una reacción es el sustrato inicial de la siguiente (como la
glucólisis o glicólisis).
Mediante
las distintas reacciones que se producen en una ruta un sustrato inicial se
transforma en un producto final, y los compuestos intermedios de la ruta se
denominan metabolitos. Todas estas reacciones están catalizadas por enzimas
específicas.
Tipos
de rutas metabólicas.
Las
rutas metabólicas pueden ser:
Lineales.
Cuando el sustrato de la primera reacción (sustrato inicial de la ruta) es
diferente al producto final de la última reacción.
Cíclicas.
Cuando el producto de la última reacción es el sustrato de la reacción inicial,
en estos casos el sustrato inicial de la ruta es un compuesto que se incorpora
en la primera reacción y el producto final de la ruta es algún compuesto que se
forma en alguna etapa intermedia y que sale de la ruta.
Frecuentemente
los metabolitos o los productos finales de una ruta suelen ser sustratos de
reacciones de otras rutas, por lo que las rutas están enlazadas entre sí formando redes metabólicaso
Energía
La
energía ha sido definida como la capacidad de realizar trabajo, de producir una
modificación en la materia. Puede la
forma de calor, luz, electricidad, movimiento, etc.se refiere a la manera en la
cual el cuerpo hace uso de energía localizada en las uniones químicas de los
macro nutrientes. La energía es liberada mediante las reacciones del
metabolismo intermediario, el cual debe suplir regularmente las necesidades energéticas
para sustentar la vida. Debe producirse un equilibrio entre la gestión diaria y
el gasto de energía.
Se
reconocen dos clases principales de energía:
* Energía
potencial
* Energía cinética
La
energía potencial es la capacidad de realizar trabajo en virtud de la posición
o el estado de una partícula. Por ejemplo, una piedra en la cima de una montaña
tiene energía potencial, a medida que rueda por su ladera, la energía potencial
se transforma en cinética. La energía derivada en última instancia del sol, se
almacena en las moléculas de los alimentos como energía química. Esta última es
un tipo de energía potencial. Luego dentro del organismo, se producen
reacciones químicas que transforman la energía potencial en calor, movimiento o
alguna otra forma de energía cinética.
Todas
las formas de energía son, por lo menos en parte, interconvertibles. Los
sistemas vivientes constantemente transforman energía potencial en cinética o
viceversa.
La
energía química que los organismos utilizan en las reacciones metabólicas,
proviene de los enlaces químicos de los glúcidos, lípidos y proteínas. Esta
energía potencial que guardan los enlaces químicos, puede ser aprovechada
parcialmente por el organismo cuando se rompen esos enlaces químicos. La
energía que no puede ser atrapada por el organismo, se disipa como calor.
En
condiciones experimentales controladas, puede medirse y compararse la cantidad
de energía que entra y sale de un sistema determinado.
Cinética: es la energía del movimiento, puede existir en forma
de calor, luz, etc. En términos bioquímicos, representa la capacidad de cambio,
ya que la vida depende de de que la energía pueda ser transformada de una forma
a otra, cuyo estudio es la base de la termodinámica.
LA
TERMODINÁMICA ES EL ESTUDIO DE LA ENERGÍA
El
análisis de las transformaciones energéticas que ocurren en la materia viva se
llama termodinámica.
Los
investigadores llaman sistema para denotar una porción de materia bajo estudio.
El resto del universo (todo aquello fuera del sistema) es el entorno.
Los
organismos son sistemas termodinámicos obligatoriamente abiertos, es decir
intercambian materia y energía con el entorno.
La
termodinámica tiene dos leyes fundamentales que gobiernan las transformaciones
energéticas de la materia y por lo tanto también rigen para los seres vivos.
La
Primera Ley de Termodinámica o de la Conservación de la Energía establece que
la energía puede convertirse de una forma en otra, pero no se la puede crear ni
destruir. La energía total de un sistema y su ambiente, por lo tanto se
mantiene constante a pesar de todos los cambios de forma.
En
todas las conversiones energéticas, cierta energía útil se convierte en calor y
se disipa. De todos modos, en una reacción química, la energía de los productos
de la reacción más la energía liberada en la misma, es igual a la energía
inicial de las sustancias que reaccionan.
Fig.
3.1 - Flujo de energía y materia en un ecosistema. Las mitocondrias de los
eucariotas (incluso plantas) utilizan las moléculas orgánicas producto de la
fotosíntesis como combustible para la respiración celular, pero también consume
el oxígeno liberado en la fotosíntesis. La respiración libera la energía
almacenada en las moléculas orgánicas y genera ATP, el cual se utiliza para el
trabajo celular. Los productos de desecho de la respiración, CO2 y H2O, son las
moléculas que los cloroplastos utilizan como sustrato de la fotosíntesis. Por
lo tanto, las moléculas esenciales de la vida son recicladas, pero la energía
no. La energía ingresa al ecosistema como energía lumínica y sale como energía
calórica.
La
Segunda Ley de la Termodinámica establece que todos los intercambios y
conversiones de energía, si no entra ni sale energía del sistema en estudio, la
energía potencial del estado final siempre será menor que la energía potencial
del estado inicial. Por ejemplo las piedras ruedan siempre cuesta abajo, nunca
lo hacen hacía arriba.
En
termodinámica se designa como energía dependiente de un alto grado de
ordenamiento a la energía potencial, mientras que a la energía cinética
molecular se la considera como energía con un grado reducido de ordenamiento. A
medida, entonces, que la energía potencial se transforma en cinética, el
desorden aumenta y utilizamos la expresión ENTROPÍA, para caracterizar el grado
de desorden de un sistema (las células NO están desordenadas, así que tienen
baja entropía).
En
la naturaleza, el desorden es un estado más probable que el orden y la
entropía, como medida del desorden, se convierte en una función que tiende a
crecer constantemente.
Sabemos
que el contenido de energía potencial de los compuestos químicos está
representado por la fuerza que mantiene unidos a los átomos y moléculas y
cuando las sustancias químicas reaccionan, parte de esta energía se libera como
calor y otra parte puede ser convertida en trabajo. Esta fracción de energía
disponible para el trabajo se denomina ENERGÍA LIBRE O ENTALPÍA. En otras
palabras es el monto máximo de trabajo que puede obtenerse de un sistema.
La
energía libre: un criterio para cambio espontaneo
Los
organismos solamente pueden vivir a expensas de la energía libre adquirida del
entorno.
Estas
reacciones químicas metabólicas (repetimos, ambas reacciones suceden en las
células) pueden ser de dos tipos: catabolismo y anabolismo.
El
catabolismo (fase destructiva)
Su
función es reducir, es decir de una sustancia o molécula compleja hacer una más
simple.
Catabolismo
es, entonces, el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales las
moléculas orgánicas más o menos complejas (glúcidos, lípidos), que proceden del
medio externo o de reservas internas, se rompen o degradan total o parcialmente
transformándose en otras moléculas más sencillas (CO2, H2O, ácido láctico,
amoniaco, etcétera) y liberándose energía en mayor o menor cantidad que se
almacena en forma de ATP (adenosín trifostato). Esta energía será utilizada por
la célula para realizar sus actividades vitales (transporte activo, contracción
muscular, síntesis de moléculas).
El producto más importante de la degradación de los carburantes metabólicos
es el acetil-CoA, (ácido acético activado con el coenzima A), que continúa
su proceso de oxidación hasta convertirse en CO2 y H2O, mediante un conjunto de reacciones que constituyen el ciclo
de Krebs punto central donde confluyen todas las rutas catabólicas de
la respiración aerobia. Este ciclo se realiza en la matriz de la mitocondria.
