Metabolismo: Conceptos Clave y Procesos

El metabolismo se define como el conjunto de procesos enzimáticos que ocurren en un organismo. Dentro de este amplio espectro, el metabolismo intermediario abarca todas las reacciones relacionadas con el almacenamiento y la generación de energía metabólica, excluyendo aquellas asociadas a la síntesis de ácidos nucleicos y proteínas.

Subdivisiones del Metabolismo

El metabolismo se divide en dos categorías principales:

• Catabolismo: Procesos que degradan moléculas complejas en moléculas más simples.
• Anabolismo: Procesos que sintetizan moléculas complejas a partir de precursores más simples.

Es importante destacar que las rutas metabólicas de producción de energía también generan intermediarios utilizados en la biosíntesis. Muchas reacciones enzimáticas participan tanto en procesos catabólicos como anabólicos.

Biomoléculas y su Relación con el Metabolismo

El metabolismo engloba el conjunto de procesos bioquímicos y reacciones químicas que se llevan a cabo en los organismos vivos. Esta red, altamente integrada y regulada por mecanismos hormonales, neuroendocrinos y enzimáticos, garantiza el funcionamiento y el correcto desempeño de la célula a partir de su programación genética.

Regulación Metabólica

En la regulación metabólica, la energía requerida por las reacciones anabólicas es proporcionada por las reacciones catabólicas, estableciendo una estrecha relación entre ambos procesos. La continua liberación de energía, producto del catabolismo, podría «fundir» a la célula, pero las reacciones anabólicas consumen esta energía de forma ordenada y sistemática, previniendo una acumulación excesiva de calor intracelular.

Tipos de Reacciones Metabólicas

• Reacciones Anabólicas: Son reacciones bioquímicas que conducen a la síntesis de compuestos y macromoléculas a partir de precursores más pequeños y simples. Un ejemplo es la síntesis de proteínas a partir de aminoácidos. Estas reacciones requieren energía.
• Reacciones Catabólicas: Son reacciones que degradan compuestos o macromoléculas en unidades más pequeñas, como la glucólisis, el ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico) y la degradación de ácidos grasos. Estas reacciones están asociadas a la liberación de energía.

El ATP: La Moneda Energética Celular

El ATP (adenosín trifosfato) es la molécula que almacena, sintetiza, utiliza y transporta la energía dentro de la célula. Actúa como una «moneda energética», ya que transporta energía desde las reacciones que la liberan (catabólicas) hasta las reacciones que la requieren (anabólicas), permitiendo un balance metabólico adecuado en la célula.

Estructura y Función del ATP

El ATP puede transferir su grupo fosfato más externo a otra molécula, convirtiéndose en ADP (adenosín difosfato) mediante la hidrólisis del ATP. Este proceso libera la energía almacenada, que queda disponible para su uso por la célula.

El ATP está compuesto por un nucleótido que contiene adenina, el azúcar ribosa y un grupo fosfato o pirofosfato. Un ATP se obtiene agregando un grupo fosfato (P) a una molécula de ADP.

La energía libre de hidrólisis del ATP es suficientemente alta para acoplar reacciones endergónicas (aquellas que requieren un aporte energético externo para producirse y no ocurren espontáneamente).

Bioenergética y Termodinámica

Bioenergética: El valor de la energía libre varía según las condiciones fisiológicas de la célula (pH, fuerza iónica y concentración de iones magnesio). En condiciones estándar, la reacción de hidrólisis del ATP tiende a ocurrir de derecha a izquierda. Si esta reacción se acopla a otra con un valor de ΔG muy negativo (como la hidrólisis del ATP), la suma de ambas reacciones también tendrá un valor negativo.

Vías Metabólicas

Las vías metabólicas son secuencias de reacciones sucesivas que se acoplan entre sí, favoreciendo su ocurrencia. La proximidad de las enzimas involucradas es crucial para este proceso.

• Reacciones Exergónicas: Tienden a producirse espontáneamente, liberan energía y presentan un ΔG negativo (-).
• Reacciones Endergónicas: No se producen espontáneamente en la dirección señalada; requieren un aporte de energía externa y presentan un ΔG positivo (+).

Termoquímica y Termodinámica

Termoquímica: Es el estudio del flujo y la producción de energía (cambios de energía, calor y trabajo). Algunas reacciones liberan energía, mientras que otras requieren energía para producirse.

Termodinámica: Estudia la energía y sus transformaciones. La termodinámica aplicada al estudio de las reacciones químicas es la termoquímica.

• Calor: Energía que se transfiere desde un objeto de mayor temperatura a uno de menor temperatura.
• Energía: Capacidad para realizar trabajo o transferir calor.

Los cambios de energía asociados a reacciones químicas se miden en calorías.

Primera Ley de la Termodinámica

La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Cualquier energía que un sistema pierda debe ser ganada por otro.

• Energía Interna (E): Energía total de un sistema; suma de todas las energías cinéticas y potenciales de sus componentes.
• Cambio de Energía Interna (ΔE): Diferencia entre la energía interna del sistema al inicio y al final de un proceso (ΔE = E_final – E_inicial).

La naturaleza del cambio se representa como:

• ΔE > 0 (+): E_final > E_inicial; el sistema gana energía de su entorno.
• ΔE < 0 (-): E_final < E_inicial; el sistema cede energía a su entorno.

Estado inicial = Reactantes; Estado final = Productos.

Procesos Endotérmicos y Exotérmicos

• Endotérmico: Proceso que absorbe calor; el calor fluye hacia el sistema desde el entorno (ej., fusión, evaporación).
• Exotérmico: Proceso que desprende calor; el calor fluye desde el sistema hacia el entorno.

Entalpía (H)

La entalpía (H) es el calor absorbido o liberado a presión constante. Es una función de estado: no depende de la historia del sistema, sino de su condición actual. No se puede medir la entalpía directamente, pero sí el cambio de entalpía (ΔH).

• ΔH > 0: El sistema ganó calor de su entorno (proceso endotérmico).
• ΔH < 0: El sistema liberó calor a su entorno (proceso exotérmico).

Espontaneidad de las Reacciones

La termodinámica predice si una reacción química se producirá bajo ciertas condiciones. Si la reacción se produce, se dice que es espontánea.

• Variación de Entalpía (ΔH): Calor desprendido o absorbido a temperatura y presión constantes.
• Variación de Entropía (ΔS): Medida del desorden molecular; a mayor entropía, mayor desorden.
• Variación de Energía Libre (ΔG): Energía libre de Gibbs (G = H – TS).

Criterios de espontaneidad:

• ΔG < 0: La reacción es espontánea.
• ΔG > 0: La reacción no es espontánea.
• ΔG = 0: El sistema está en equilibrio.

Relación entre ΔG, ΔH y ΔS: ΔG = ΔH – TΔS

• ΔH < 0 (exotérmico) y ΔS > 0 (aumenta el desorden): ΔG < 0 (reacción siempre espontánea).
• ΔH > 0 (endotérmico) y ΔS < 0 (disminuye el desorden): ΔG > 0 (reacción nunca espontánea).
• ΔH > 0 y ΔS > 0: La espontaneidad depende de la temperatura; puede ser espontánea a temperaturas altas.
• ΔH < 0 y ΔS < 0: La espontaneidad depende de la temperatura; puede ser espontánea a temperaturas bajas.

Características Clave del ATP

1. Alta Energía Libre de Hidrólisis: La energía liberada por la hidrólisis de un mol de ATP es suficientemente alta para acoplar reacciones endergónicas.
2. Fácil Resíntesis: La síntesis de ATP requiere un aporte energético moderado, por lo que se resintetiza fácilmente.
3. Estabilidad en Solución Acuosa: Es una molécula muy estable en agua, tanto en el medio intracelular como extracelular, lo que permite su movilización y disponibilidad.
4. Reutilización de Metabolitos: Los subproductos de la hidrólisis del ATP (ADP y fosfato) se reutilizan en numerosos procesos metabólicos.
5. Participación como Cofactor: Los grupos adenina y ribosilo del ATP, ADP y AMP pueden unirse a enzimas y regular su actividad.
6. Vías de Síntesis Eficientes: Existen mecanismos evolutivamente conservados (fosforilación oxidativa y fotosíntesis) para la síntesis eficiente de ATP.

Tipos de Hidrólisis del ATP

• ATP = ADP + Pi (fosfato inorgánico)
• ATP = AMP + PPi (pirofosfato)
• PPi = 2 Pi (fosfato inorgánico)