Energía y Metabolismo
Energía | Metabolismo
| ATP: Reacciones acopladas y
transferencia de energía |REDOX |Cofactores
Redox | Anabolismo ¿versus? Catabolismo
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[ Principal ] [ Enzimas ] [ Energía y Metabolismo ] [ CATABOLISMO CELULAR: respiración ] [ Glucólisis ] [ Fermentación ] [ La respiración celular: destino del ác. pirúvico en ambientes aerobios ] [ Ciclo de Krebs ] [ Glicolisis ] [ Diagrama del Ciclo de Krebs ] [ ATP Rendimiento ] [ Glosario ]
Entender la energía en términos
bioquímicos.
Conocer la estructura del ATP como
moneda de intercambio energético
-
Diferenciar los procesos del
catabolismo por los cuales se obtiene energía útil
en forma de ATP a partir de biomoléculas.
-
Conocer el origen de las moléculas
de ATP
-
Comprender las reacciones acopladas
de oxidación y reducción
Es la capacidad de realizar un trabajo.
A pesar que existen varias formas de energía: química,
luminosa, mecánica, etc. , solo hay dos tipos básicos:
-
Potencial: es la capacidad de
realizar trabajo como resultado de su estado o
posición. Puede estar en los enlace químicos, en
un gradiente de concentración, en un potencial
eléctrico, etc.
-
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. Sus leyes
son aplicables a los sistemas cerrados o aislados, es
decir aquellos que no intercambian energía con el medio
que los rodea; las células son sistemas abiertos, o sea
pequeñas partes de un sistema cerrado mayor. Las leyes
de la termodinámica expresan:
-
1º Ley: en un sistema aislado la
energía no se crea ni se destruye, puede ser
transformada de una forma en otra.
-
2º Ley: no toda la energía puede
ser usada y el desorden tiende a aumentar, lo que se
conoce como entropía.
Cada célula desarrolla miles de
reacciones químicas que pueden ser exergónicas (con
liberación de energía) o endergónicas (con consumo de
energía), que en su conjunto constituyen el METABOLISMO
CELULAR. Si las reacciones químicas dentro de una
célula están regidas por las mismas leyes
termodinámicas ... entonces cómo se desarrollan las vías
metabólicas?
1. Las células asocian las reacciones:
las reacciones endergónicas se llevan a cabo con la
energía liberada por las reacciones exergónicas.
2. Las células sintetizan
moléculas portadoras de energía que son capaces de
capturar la energía de las reacciones exergónicas y
las llevan a las reacciones endergónicas.
3. Las células regulan las reacciones
químicas por medio de catalizadores biológicos: ENZIMAS.
Las células acostumbran a guardar la energía necesaria para
sus reacciones en ciertas moléculas, la principal es el: ATP,
trifosfato de adenosina. Las células lo usan para
capturar, transferir y almacenar energía libre
necesaria para realizar el trabajo químico. Funciona
como una MONEDA ENERGÉTICA.
La función del ATP es suministrar
energía hidrolizándose a ADP y Pi. Esta
energía puede usarse para:
-
obtener energía química: por ejemplo para
la síntesis de macromoléculas;
-
transporte a través de las
membranas
-
trabajo mecánico: por ejemplo la
contracción muscular, movimiento de cilios y
flagelos, movimiento de los cromosomas, etc.
Estructura del ATP: es un nucleótido compuesto
por la adenina (base nitrogenada), un azúcar (ribosa) y
tres grupos fosfato. Imagen
modificada de http://www.people.virginia.edu/~rjh9u/atpstruc.html
Note que las cargas altamente
ionizables de los grupos fosfatos hacen que se repelan unos de otros; por
lo tanto resulta fácil separar uno o dos Pi (fosfatos inorgánicos,
forma corta del HPO42-)
del resto de la molécula. La hidrólisis del ATP da:
-
ATP + H2O ---> ADP + Pi
El cambio de Energía libre.G o' = -7,3 Kcal/mol
--> muy exergónica (elG de una célula
viva está en - 12 Kcal/mol)
2. La hidrólisis del adenosín
difosfato da: ADP + H2O ---> AMP + Pi
G o' = -7,2 Kcal/mol
--> muy exergónica
Para sintetizar ATP (adenosín-trifosfato) a partir de ADP (adenosín-difosfato)
se debe suministrar por lo menos una energía superior a 7,3 Kcal.
Las reacciones que, típicamente suministran dicha energía
son la reacciones de oxidación.
ADP + Pi
+ energía libre --> ATP + H2O
Síntesis
del ATP
Las células requieren energía para
múltiples trabajos:
-
Sintetizar y degradar compuestos
-
Transporte a través de las
membranas (activo, contra el gradiente de
concentración).
-
Endocitocis y
exocitosis.
-
Movimientos celulares.
-
División celular
-
Transporte de señales entre el
exterior e interior celular
Esta energía se encuentra en las
moléculas de ATP, en las uniones químicas de alta
energía de los fosfatos. Las moléculas de ATP se
ensamblan en las mitocondrias a partir del ADP y los Pi
con la energía tomada de la ruptura de moléculas
complejas como la glucosa, que a su vez deriva de los
alimentos ingeridos.
La Glucosa (C6 H12
O6) es el combustible básico para la
obtención de energía, muchos otros compuestos sirven
como alimento, pero casi todos son transformados a
glucosa mediante una serie de numerosísimas oxidaciones
graduales, reguladas enzimáticamente, al cabo de las
cuales el oxígeno atmosférico (ingresado por
respiración pulmonar) se une a los átomos de
hidrógeno de las citadas moléculas para formar H2O.
En cada oxidación se liberan gradualmente pequeñas
porciones de energía que son capturadas para formar el
ATP. Si las oxidaciones son fueran graduales, la
energía se liberaría de manera violenta y se
dispersaría como calor.
En el proceso de obtener energía a
partir de la glucosa hay tres procesos metabólicos:
-
GLUCÓLISIS: ocurre en el
citosol, donde cada molécula de glucosa, con
sus 6 átomos de Carbono, da lugar a dos moléculas
de piruvato (de 3 átomos de Carbono). Se
invierten dos ATP pero se generan cuatro.
-
RESPIRACIÓN CELULAR: ocurre
cuando el ambiente es aerobio (contiene O2)
y el piruvato se transforma en dióxido de Carbono
(CO2) liberando la energía almacenada en
los enlaces piruvato y atrapándola en el ATP.
-
FERMENTACIÓN: cuando el O2
está ausente, ambiente anaerobio, en lugar de
producir CO2 se producen otras moléculas
como el ác. láctico o el etanol.
Cuando los grupos fosfatos se
transfieren al ADP para formar ATP, se está almacenando
energía. Otra forma es transferir electrones (e-),
las reacciones se denominan de oxidorreducción o
reacciones redox.
-
La ganancia de uno o más e-
por un átomo, ión o molécula --> REDUCCIÓN
-
la pérdida de uno o más e-
por un átomo, ión o molécula --> OXIDACIÓN
Hay que tener en cuanta que una
molécula se oxida o se reduce no solamente cuando
intercambia e-, sino también cuando
intercambia átomos de Hidrógeno (no iones H),
ya que involucra transferencia de
electrones: H = H+
+ e- . Por ello una
oxidación siempre ocurre simultáneamente con una
reducción. Cuando un material se oxida, los e- perdidos
se transfieren a otro material, reduciéndolo.
Parte de la energía presente en el
agente reductor (cuando dona e-), se asocia con el
producto reducido, por lo que las reacciones redox son
otra forma de transferencia de energía.
Durante las principales reacciones redox
del catabolismo de la glucosa intervienen dos moléculas
intermediarias: NAD y FAD. Se denominan cofactores
Redox: alternativamente
se reducen y luego se oxidan.
Estructura del NAD, imagen tomada de http://www.rrz.uni-hamburg.de/biologie/b_online/kegg/kegg/db/ligand/cpdhtm/C00003.html
La actividad vital se manifiesta a
través del metabolismo, las reacciones pueden ser de
dos tipos:
-
Reacciones catabólicas:
implican la disgregación y oxidación de las
biomoléculas, con su consecuente destrucción,
obteniéndose energía en forma de ATP en el proceso.
Esta energía es la usada en las reacciones
anabólicas.
La mayor parte de los usos de la
energía en las células vivas comprenden pares de
reacciones asociadas con enlaces ATP. En la primera
reacción la energía liberada por medio de una
reacción exergónica produce la síntesis de ATP, en la
segunda, la hidrólisis del ATP produce una reacción
endergónica que requiere energía. Cada
reacción acoplada es catalizada por una enzima
específica que coloca a las moléculas a los canales de
energía de ATP de manera adecuada.
El ATP es usado como donante de energía en muchas reacciones anabólicas
(de síntesis) acoplándose a las mismas en manera tal que
el G sea negativo y la reacción
se produzca espontáneamente.
Redacción: Ana M. Gonzalez amgonza@unne.edu.ar
& Dr. Jorge Raisman lito@unne.edu.ar Actualizado:
Viernes, 22 de Octubre de 2004
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