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.

Catabolismo	Anabolismo
Degrada biomoléculas	Fabrica biomoléculas
Produce energía (la almacena como ATP)	Consume energía (usa las ATP)
Implica  procesos de oxidación	Implica procesos de reducción

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.

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