Bioenergética: El Flujo de Energía en los Sistemas Vivos

La energía se define como la capacidad de un sistema para realizar un trabajo. En el contexto celular, el ATP es fundamental para llevar a cabo diversas funciones.

¿Por qué las células necesitan ATP?

Las células requieren ATP para realizar tres tipos principales de trabajo:

• Trabajo químico: Síntesis de moléculas complejas.
• Trabajo de transporte: Movimiento de sustancias a través de membranas.
• Trabajo mecánico: Movimiento de orgánulos, contracción muscular (incluyendo la energía cinética).

Formas de Energía

• Energía Cinética: Asociada al movimiento. Se manifiesta cuando un objeto o molécula está en movimiento.
• Energía Potencial: Energía almacenada que aún no se ha utilizado. Ejemplo: la energía almacenada en los enlaces químicos del ATP.

El trabajo químico se observa, por ejemplo, en los enlaces entre los átomos de una molécula como el ATP (adenosín trifosfato). Esta molécula posee tres grupos fosfato unidos por enlaces de alta energía. La ruptura de estos enlaces libera energía, que puede ser utilizada para impulsar otros procesos celulares, como el movimiento de moléculas.

Cuando la energía está almacenada, se considera energía potencial. Cuando se libera y se utiliza para el movimiento, se convierte en energía cinética (mecánica).

Leyes de la Termodinámica

1. Primera Ley: La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
2. Segunda Ley: Los procesos espontáneos tienden a aumentar el desorden (entropía) del universo. Los sistemas biológicos, por naturaleza, tienden al desorden.

Los procesos espontáneos fluyen de un estado de mayor orden a un estado de menor orden (mayor desorden). Lo que no es espontáneo requiere un aporte de energía.

Energía de Activación y Reacciones Químicas

Para que una reacción química ocurra, los reactantes deben superar una barrera energética llamada energía de activación. Esta es la energía mínima que deben acumular los reactantes para transformarse en productos.

En una analogía, imagine a una persona empujando una piedra cuesta arriba. Subir la piedra requiere energía (no es espontáneo). La piedra en la cima tiene mayor energía potencial. A medida que la piedra desciende, la energía potencial se convierte en energía cinética. El producto (piedra abajo) tiene menos energía que el reactante (piedra arriba), ya que la persona invirtió energía para subirla. La bajada es espontánea.

• Reacciones Espontáneas: El reactante tiene más energía que el producto. Hay una pérdida neta de energía.
• Reacciones No Espontáneas: El reactante tiene menos energía que el producto. Se requiere un aporte de energía.

Catalizadores Biológicos: Enzimas

Las enzimas son catalizadores biológicos que disminuyen la energía de activación de las reacciones, acelerando su velocidad. Un catalizador biológico, en general, es una molécula que facilita una reacción química.

Características clave de las enzimas:

• Son, en su mayoría, proteínas globulares.
• Poseen un sitio activo, una región específica donde se une el sustrato (reactante).
• Ribozimas: Excepcionalmente, algunas moléculas de ARN pueden actuar como enzimas.
• Aumentan la velocidad de la reacción.
• No se consumen ni se alteran permanentemente durante la reacción.
• No modifican la naturaleza de la reacción ni el resultado final.

Mecanismo de Acción Enzimática

Las enzimas poseen:

• Dominio estructural: Formado por aminoácidos estructurales que dan soporte al sitio activo.
• Sitio activo:
  • Dominio fijador: Se une al sustrato.
  • Dominio catalítico: Cataliza la reacción (por ejemplo, rompe enlaces).

El retículo endoplasmático rugoso (RER) participa en la síntesis de enzimas.

Tipos de Reacciones Químicas

Una reacción química es un proceso que implica la formación o ruptura de enlaces químicos.

• Reacción Exergónica: Libera energía. Es espontánea. Los reactantes tienen más energía que los productos. Ejemplo: Combustión de glucosa.
• Reacción Endergónica: Requiere un aporte de energía. No es espontánea. Los reactantes tienen menos energía que los productos. Ejemplo: Fotosíntesis.

Respiración Celular: Estructura de la Mitocondria

La mitocondria es el orgánulo donde ocurre la mayor parte de la respiración celular. Presenta las siguientes estructuras:

• Membrana Externa: Permeable a iones, agua y moléculas pequeñas.
• Espacio Intermembranoso: Espacio entre la membrana externa e interna.
• Membrana Interna: Contiene los complejos de la cadena transportadora de electrones (CTE), la ATP sintetasa (para la síntesis de ATP) y proteínas de transporte. Es rica en proteínas (aproximadamente 80%) y contiene un 20% de lípidos.
• Matriz Mitocondrial: Contiene ADN circular bicatenario, ARN, ribosomas, enzimas del ciclo de Krebs, enzimas para la beta-oxidación de ácidos grasos y la oxidación de aminoácidos, e iones.

La beta-oxidación es el proceso metabólico de los ácidos grasos (lípidos).

Metabolismo de la Glucosa

La glucosa es una molécula reducida (contiene electrones). La oxidación implica la pérdida de electrones.

Primera Etapa: Glucólisis

La glucólisis convierte la glucosa en piruvato. Durante este proceso, la glucosa se oxida (libera electrones) y se generan 2 moléculas de ATP.

• Con Oxígeno (O₂): El piruvato ingresa a la mitocondria para la respiración celular (vía aeróbica).
• Sin Oxígeno (O₂): El piruvato sigue la vía de la fermentación (vía anaeróbica).

Pasos clave de la glucólisis (simplificado):

1. La glucosa se fosforila (se le añaden grupos fosfato), consumiendo ATP.
2. Se forma fructosa-bifosfato.
3. La molécula de 6 carbonos se divide en dos moléculas de 3 carbonos con un grupo fosfato cada una (gliceraldehído-3-fosfato).
4. Finalmente, se produce piruvato (sin fosfato). Los fosfatos liberados se utilizan para generar ATP (ganancia neta de 2 ATP).