¿Sabías que los mismos procesos que alimentan tus sprints en la clase de gimnasia también alimentan a un guepardo que atraviesa la sabana a toda velocidad, o participan en el crecimiento de una planta? De hecho, todos estos procesos son el resultado de procesos metabólicos, como la Respiración celular. La mayoría de los organismos vivos dependen de la Respiración celular para descomponer los azúcares; este proceso proporciona energía en forma de ATP (trifosfato de adenosina). La energía se encuentra disponible en forma de una amplia diversidad de moléculas y las reacciones químicas mediante las cuales se transforma esta energía para ser utilizada difieren en función de algunas características de los organismos; por ejemplo, de su forma de nutrición: autótrofa o heterótrofa. Sin embargo, la energía vital de la que depende el funcionamiento de los seres vivos es el resultado de un mismo proceso fundamental.
¿Qué es la energía?
La energía se define como la capacidad de hacer un trabajo. El trabajo es cualquier cambio en la materia, su movimiento o estado.
- En Biología, la energía es el combustible para todos los procesos vitales de un organismo —como el crecimiento, la reproducción, el movimiento y el mantenimiento de la homeostasis—.
Pero, antes de hablar de la energía en los organismos, tenemos que entender los diferentes tipos de energía.
- Por un lado, la energía potencial es la energía almacenada, la que tiene la capacidad de hacer trabajo en algún momento. Por otro lado, la energía potencial está relacionada con el lugar en el que se encuentra un objeto en el espacio, o su estado.
- La energía cinética es la energía del movimiento, la que hace el trabajo.
En una montaña rusa, cuando el carro está en las partes altas del trayecto tiene energía potencial; mientras que, cuando está descendiendo, esa energía potencial se convierte en energía cinética (ver Fig. 1).
En nuestro ejemplo de la montaña rusa vemos que la energía puede tener diferentes formas y transformarse de una a otra. Esto refleja una importante ley, conocida como la ley de la conservación de la energía (primera ley de la termodinámica), que establece que la energía no se puede crear ni destruir, sino que se transfiere y transforma en los sistemas.
La termodinámica es el estudio de la energía, las formas en que las que existe y sus transformaciones.
Entropía
Sin embargo, según la segunda ley de la termodinámica, parte de la energía (cuando se transfiere o transforma) se pierde en forma de calor o energía térmica. Como el calor es una forma de energía desordenada (o difusa), no es utilizable o no está disponible para hacer trabajo.
El calor es un tipo de energía desordenada, producto del movimiento aleatorio de las partículas. Las formas de energía muy difusas o desordenadas (como el calor) tienen una entropía alta.
- La magnitud Física de este desorden se denomina entropía, representada como S.
Una conclusión importante de la segunda ley de la termodinámica es que ningún proceso de transformación de la energía es 100% eficiente. Por eso, la entropía en el universo está siempre aumentando y, en algún momento, toda la energía se habrá disipado como calor (¡nos referimos a dentro de miles de millones de años!).
Energía libre
Desde el punto de vista de la termodinámica, los organismos son sistemas. Las reacciones químicas que se llevan a cabo en un organismo vivo, o reacciones metabólicas, son reacciones que se desarrollan en un sistema. Se caracterizan por tener cantidades de energía inicial y final diferentes; es decir, que hay un cambio en la energía antes y después de la reacción. Debido a que en cualquier proceso que utilice energía, cierta cantidad de esta se pierde como calor (segunda ley de la termodinámica), no toda la energía disponible en el inicio de una reacción (potencial) es utilizada en la propia reacción.
La energía potencial total de la reacción se denomina entalpía.
La energía libre, en relación con los seres vivos, indica la cantidad de energía potencial que sí se usa para las reacciones químicas (también llamada energía libre de Gibbs o G).
En resumen, la entalpía (energía potencial del sistema) es igual a la energía libre (que sí puede hacer trabajo) más la energía que se pierde como calor (entropía). En la siguiente ecuación podemos ver esta relación: H = G + TS
T se refiere a la temperatura del sistema. Un incremento en temperatura aumenta el movimiento aleatorio entre moléculas; esto significa que aumenta la entropía.
Los biólogos miden la energía libre, ya que es la que puede emplear la célula para realizar una reacción metabólica. Específicamente, lo que interesa es el cambio en G: es decir, la cantidad inicial menos la final de energía libre. Esto nos indica si se producirá una reacción y qué tipo de reacción será. Así, reformulamos la ecuación anterior: G = H – T S
Finalmente, el cambio se representa como ∆: ∆G = ∆H – T ∆S
Como puedes ver, la energía libre está dada por la entalpía menos la entropía.
Dependiendo del cambio en G, existen dos tipos de reacciones: las exergónicas y las endergónicas.
Reacciones exergónicas
Si el cambio en G es negativo, la reacción será espontánea (ocurre por sí sola) o exergónica, y liberará energía en forma de calor (ver Fig. 2). Piénsalo: un G negativo significa que hay menos energía libre disponible después de la reacción que la que había inicialmente, por lo que la reacción debió liberar energía. En otras palabras, la energía libre disminuyó. Metabólicamente hablando, significa que los productos de la reacción tienen menos energía que la molécula inicial.
Fig. 2: Se muestra el cambio de energía libre (∆G) para reacciones endergónicas (en naranja) y exergónicas (en azul).
Reacciones endergónicas
Si el cambio en G es positivo, la reacción requiere un aporte de energía para producirse y no se producirá por sí sola. Este tipo de reacción se conoce como endergónica (porque absorbe energía), por lo que la energía libre aumenta (compara el cambio de energía en la figura 2). Metabólicamente hablando, significa que los productos de la reacción tienen más energía que la molécula inicial.
Metabolismo
La energía Química es un tipo de energía potencial que se almacena en los enlaces químicos entre átomos de las moléculas. Este tipo de energía es esencial para los organismos vivos, que obtienen energía al capturarla ellos mismos (autótrofos) o al consumirla de otros organismos (heterótrofos). Las plantas y otros autótrofos pueden convertir la energía de la luz en energía Química almacenada; por ejemplo, en los enlaces de los carbohidratos. Sin embargo, cuando quieren utilizar esta energía, también deben descomponer esos carbohidratos; esto se conoce como respiración celular.
La respiración celular es el proceso que siguen los organismos para obtener energía de sus alimentos (ver Fig. 2).
La energía no podría existir libremente en las Células sin causar efectos adversos como el sobrecalentamiento de la célula y la desnaturalización de las Proteínas. Por suerte, la energía puede almacenarse en los enlaces químicos entre las moléculas orgánicas y usarse, posteriormente, mediante reacciones químicas.
La combinación de todas las reacciones químicas dentro de un organismo se conoce como su metabolismo.
Hay dos tipos de reacciones metabólicas:
1. Reacciones catabólicas: descomponen sustancias químicas y liberan energía, que se almacena en enlaces químicos.
Durante la respiración celular, los organismos pueden romper los enlaces químicos entre las moléculas (reacciones catabólicas) de la glucosa y, así, transferir energía para cubrir sus necesidades celulares.
Si una reacción catabólica libera energía, ¿se trata de una reacción endergónica o exergónica?
2. Reacciones anabólicas: combinan moléculas más pequeñas para formar moléculas más grandes, que requieren energía para avanzar. La energía necesaria se almacena en los enlaces químicos de las moléculas.
En consecuencia de todo lo anterior, las reacciones catabólicas son exergónicas y las reacciones anabólicas son endergónicas. Un proceso metabólico comúnmente ocurre a través de rutas metabólicas, que son secuencias de reacciones para llegar a un producto final. Las rutas catabólicas —que liberan energía— normalmente se acoplan a rutas anabólicas —que hacen uso de esta energía—; esto se denomina acoplamiento energético (Fig. 3).
Fig. 3: El acoplamiento energético de reacciones metabólicas consiste en que las reacciones catabólicas liberan energía para la formación de ATP que se utiliza para llevar a cabo reacciones anabólicas. Las flechas naranja indican las reacciones endergónicas y las azules, las exergónicas.
Las enzimas impulsan las reacciones metabólicas
Un factor importante en el metabolismo de los organismos es un grupo de Proteínas conocido como Enzimas. Las Enzimas se consideran catalizadores de las reacciones químicas en las Células. Pero, ¿qué significa eso realmente?
Las enzimas no aportan ninguna energía química a una reacción, ni permiten que avance una reacción que no puede producirse. En cambio, las enzimas reducen la energía de activación —que es la energía de partida que requiere una reacción—, para que esta pueda producirse más rápidamente.
Reacciones de oxidación-reducción
¿Cómo se transfiere la energía entre las reacciones químicas? Como ya hemos comentado, la energía en las células proviene de la ruptura de los enlaces químicos en las moléculas. ¿Qué significa eso, exactamente?
A menudo, la ruptura de enlaces químicos se refiere a la transferencia de un electrón de una molécula a otra. Cuando se transfiere un electrón entre dos moléculas, se dice que la molécula que pierde el electrón se ha oxidado. Esa molécula también ha perdido parte de su energía potencial en ese electrón. Si una molécula gana un electrón, se dice que se ha reducido. Así, gana la energía potencial del nuevo electrón.
Estos dos tipos de reacciones, conocidas como reacciones de oxidación y reducción, tienden a ocurrir juntas o acopladas (por lo que se denominan comúnmente reacciones redox) y son la base de la transferencia de electrones y energía dentro de las células.
Las reacciones redox (nombre común dado a las reacciones de oxidación-reducción) son reacciones químicas en las que se transfieren uno o más electrones de una molécula (que se oxida) a otra molécula (que se reduce).
Portadores de electrones
La transferencia de electrones dentro de las células puede utilizarse para pasar energía potencial entre moléculas. Por tanto, una elemento importante en un sistema energético celular sería un intermediario que pudiera transportar electrones de una reacción química a otra. Los portadores de electrones son una clase de moléculas que hacen, precisamente, esto.
La particularidad de los portadores de electrones es que se oxidan o reducen con mucha facilidad, lo que los convierte en el elemento perfecto para transportar electrones. Algunos ejemplos de transportadores de electrones son las moléculas NAD+ y FAD+, que se reducen fácilmente a NADH y FADH (ver Fig. 4). Estas moléculas son fundamentales en el metabolismo del azúcar de los organismos, para producir ATP. El NADP+ (reducido a NADPH) es un transportador de electrones en el proceso de Fotosíntesis y ayuda a transportar la energía química convertida, a partir de la luz entre las diferentes partes del cloroplasto.
ATP: la unidad biológica de energía
La energía potencial almacenada en los enlaces químicos debe ser asequible para que sea útil para la célula. Durante el proceso de respiración celular, las células rompen esos enlaces en la glucosa para acceder a esta energía. Pero, ¿cómo se transfiere esta energía para alimentar las reacciones químicas en otros lugares? La respuesta es la molécula ATP o trifosfato de adenosina.
Las moléculas de ATP están formadas por una molécula de adenosina (molécula de adenina y azúcar ribosa) y tres grupos fosfato. Los grupos fosfato del ATP están cargados negativamente, porque se repelen entre sí; hace que la molécula sea bastante inestable. La desfosforilación del último grupo fosfato libera energía en una reacción exergónica; así proporciona energía para procesos celulares, como las contracciones musculares.
Cuando se elimina el último grupo fosfato del ATP, este se convierte en ADP (difosfato de adenosina). El ADP puede ser recargado en ATP, mediante la adición de un grupo fosfato. Esto se conoce como fosforilación y permite a las células transferir energía entre los enlaces químicos de los azúcares y los enlaces entre las moléculas de fosfato.
Reacciones Metabólicas - Puntos clave
- La energía química es la energía almacenada en los enlaces entre moléculas; es un tipo de energía potencial.
- La energía libre es la cantidad real de energía disponible en la célula para que se produzcan las reacciones químicas. Está dada por la entalpía (energía potencial total) menos la entropía (energía disipada como calor).
- Las reacciones catabólicas descomponen las sustancias químicas y liberan energía (exergónicas). Las reacciones anabólicas crean moléculas más grandes, a partir de moléculas más pequeñas, y requieren energía (endergónicas). En conjunto, constituyen la suma de las reacciones químicas de un organismo (metabolismo).
- La transferencia de energía entre moléculas, comúnmente, se da a partir de reacciones de oxidación y reducción (redox).
- Las moléculas transportadoras de electrones son muy buenas para aceptar/donar electrones o protones, por lo que son utilizadas en las reacciones redox. Las más comunes son NAD+/NADH, FAD/FADH2, y NADP+/NADPH.
- El ATP (trifosfato de adenosina) es la molécula biológica de energía que alimenta las reacciones de los organismos que requieren energía (por ejemplo, la contracción muscular).
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