Introduccion Al Metabolismo

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INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO

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Silvia Márquez – Sergio D. Ifrán – Nancy Fernández – Gladys Gálvez – Luis Fernández

La célula viva se asemeja a una industria química donde miles de reacciones ocurren dentro de un espacio, en este caso, un espacio microscópico. Por ejemplo, los azúcares son convertidos en aminoácidos y viceversa. El glucógeno es ensamblado a partir de miles de moléculas de glucosas; las proteínas a partir de aminoácidos. Por otro lado, estos polímeros serán hidrolizados cuando las necesidades de las células así lo requieran.

El metabolismo (del griego “metabole”, cambio) es la totalidad de los procesos químicos de un organismo. El metabolismo es “el mapa de rutas” de miles de reacciones químicas que ocurren en la célula. Las enzimas dirigen dichas rutas metabólicas, acelerando diferencialmente reacciones determinadas.

Como un todo, el metabolismo maneja las fuentes de materia y energía de la célula. Algunas rutas metabólicas liberan energía por ruptura de los enlaces químicos de moléculas complejas a compuestos más simple. Estos procesos de degradación constituyen el catabolismo celular o vías catabólicas. Por otro lado, existen vías anabólicas o reacciones químicas del anabolismo, las que consumen energía para construir moléculas de mayor tamaño a partir de moléculas más simples. Las vías metabólicos se interceptan de tal forma que la energía liberada de reacciones catabólicas (reacciones exergónicas) puede utilizarse para llevar a cabo reacciones anabólicas (reacciones endergónicas)

Así, la transferencia de energía del catabolismo al anabolismo se denomina acoplamiento energético.

LOS ORGANISMOS SON TRANSFORMADORES DE ENERGÍA

La energía ha sido definida como la capacidad de realizar trabajo, de producir una modificación en la materia. Puede adoptar la forma de calor, luz, electricidad, movimiento, etc.

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.

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.

La cantidad de energía libre de un sistema se simboliza con la letra G. Hay dos componentes para G: la energía total del sistema (H) y su entropía (S). La energía libre se relaciona con estos factores de la siguiente manera:

G = H - TS

con T (temperatura, en grados Kelvin) para temperaturas absolutas. Como se ve, la temperatura aumenta el término de la entropía en la ecuación. Esto tiene sentido si se recuerda que la temperatura mide la intensidad del movimiento de las moléculas al azar (calor), lo que provoca desorden. Entonces, esta ecuación enuncia que no toda la energía almacenada en un sistema (H) está disponible para el trabajo. El desorden del sistema, el factor de entropía (S), se resta a la energía total para calcular la máxima capacidad del sistema para realizar trabajo útil.

¿Cómo el concepto de energía libre ayuda a determinar si un proceso determinado puede ocurrir espontáneamente? En la ecuación de más arriba, la energía libre (G) es considerada como una medida de inestabilidad del sistema, o sea su tendencia a cambiar a un estado más estable. Por lo tanto, aquellos sistemas que tienden a cambiar espontáneamente a uno más estable son los que tienen mayor energía, baja entropía o ambos. La ecuación de G considera estos dos factores los cuales están consolidados en el contenido de G del sistema en estudio. Ahora se puede establecer un criterio para cambio espontáneo: en cualquier proceso espontáneo la energía libre de un sistema decrece.

Los cambios de energía libre cuando un sistema va desde un estado inicial a un estado final es representado por DG:

G = G estado final - G estado inicial

o, también:

G = H - T. S

Finalmente, para que un proceso ocurra espontáneamente, el sistema debe ceder energía (decrece H) o perder orden (se incrementa S), o ambos. Cuando los cambios en H o en S son grandes, DG tiene un valor negativo.

LAS REACCIONES METABÓLICAS SON EXERGÓNICAS O ENDERGÓNICAS

Las reacciones metabólicas pueden ser clasificadas en exergónicas (aquellas que liberan energía) o endergónicas (aquellas que consumen energía) tomando en cuenta sus cambios de energía libre.

En una reacción exergónica hay una liberación neta de energía libre. Puesto que los reactantes pierden energía libre (G), DG es negativa para una reacción exergónica. En otras palabras, las reacciones exergónicas ocurren espontáneamente.

Las reacciones endergónicas toman G de su entorno. Esto se debe a que esta clase de reacciones almacenan más energía libre (G) en las moléculas, por lo tanto DG es positivo. Tales

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