lunes, 1 de diciembre de 2008

La Energía y la Vida

Desde las primeras civilizaciones, y ya en algunas antiguas doctrinas orientales, se planteaba la participación de la energía en los procesos vitales; así en la India se hablaba de la “fuerza vital”, o prana de los alimentos, y su relación con la vida.

Lentamente fueron modificándose estas ideas hasta llegar a los conceptos actuales. El precursor de ideas modernas Lavoiser elaboró teorías sobre la energía que hoy en día siguen siendo de actualidad. Pero no fue hasta avanzado el siglo XX, que se fueron aclarando conceptos sobre las transformaciones de la energía.

¿Qué es la Bionergética?

El término que se utiliza para designar el estudio de las transformaciones de energía en los organismos vivos.

La energía se define, en la forma más simple, como la capacidad para producrir trabajo.Hay tres diferentes clases de trabajo:

*Mecánico
*Eléctrico
*Osmótico

Las transformaciones de energía de un tipo en otro y la eficacia de la conversión de energía en trabajo son de importancia central en el estudio de la Fisicoquímica.

Redes alimenticias

Si le siguiéramos la pista a la fuente última de energía utilizada por un organismo determinado en su hábitat natural, por ejemplo, un león en la selva, encontraríamos que existe una jerarquía de organismo; llamada cadena alimenticia, o trófica. Que provee al león de la energía y de los materiales necesarios para sustentar su vida.

Esta cadena podría empezar con las células fotosintéticas de las platas verdes, que convierten el anhídrido carbónico en material nuevo celular. La planta puede, a su vez, ser consumida por pájaros que a su vez pueden ser consumidos por el león. En una comunidad ecológica dada de organismos vivos, se interconectan entre sí muchas cadenas alimentarías individuales, formando una red alimentaría.

Tal red alimentaría está formada por varias capas de organismos:

*Productores: aquellas células que pueden utilizar las formas más simples de carbono procedentes del medio ambiente.

*Consumidores: que se alimentan de los productores, seguida de ulteriores capas de consumidores.

*Desintegradotes: bacterias y hongos que provocan la descomposición y putrefacción de los consumidores muertos y que, de este modo, devuelven al suelo y a la atmósfera formas simples de carbono.

ATP

El trifosfato de adenosina (ATP) }

Fue aislado por primera vez por: Fiske y Subbarow en 1992, a partir de extractos ácidos de músculos, aunque no se tuvo una idea clara del papel que desempeña en la transferencia de energía hasta unos 10 años más tardes (alrededor de 19940).
Tres observaciones condujeron a ello. En primer lugar se encontró que el ATP se genera mediante fosforilación de ADP durante la degeneración exégonica de la glucosa en extractos de tejidos animales. Algo más tarde, Elgelhardt , descubrió que el ATP es hidrolizado a ADP por la miosina, componente proteico del sistema contráctil de los músculos .
Cory y Cory encontraron que el ATP podía promover, la formación enzimática del glicógeno a partir de glucosa, una de las varias observaciones relativas al ATP y su importancia en la biosíntesis de los componentes celulares.

Propiedades y Estructura


°El trifosfato de adenosina se encuentra en todas las células vivas.
°El ATP se aísla fácilmente, a partir de extractos ácidos de tejidos, mediante métodos cromatográficos.
°Su estructura química fue deducida, por primera vez por, Fiske y Subbarow, pero fue confirmada hasta que fue sintetiza en el laboratorio.
°El ATP es un miembro de la familia denominados nucleótidos.
°El ATP contiene adenina, el 6-amino derivado de la purina, el azúcar de 5 átomos de carbono D-ribosa, que está unido a la adenina a través de un enlace glicosídico y un grupo fosfato unido mediante un enlace éster.
°La molécula de ATP tal como existe en la célula intacta está altamente cargada: a pH 7.0 cada uno de los tres grupos fosfato está casi completamente ionizado.
°El ATP, por consiguiente, tiene cuatro cargas negativas que están concentradas alrededor de la estructura lineal del polifosfato.

El estado estándar en bioquímica

En Fisicoquímica el estado estándar de una solución es uno en el que todos los reactivos y productos se encuentran en la concentración molar unitaria (o molar).
En Bioquímica se define como la concentración de iones de hidrogeno en estado estándar es 10 -7 M, porque el pH fisiológico es aproximadamente 7. En consecuencia, el cambio en la energía estándar de Gibss de acuerdos con estas dos convenciones será diferente para reacciones que comprenden la toma o liberación de iones de hidrógeno, lo cual dependerá de la convención que se utilice.

La energía libre de Gibbs

La segunda ley de la termodinámica indica que una reacción espontanea hace que la entropía del universo se incremente; es decir: ΔSuniverso> 0.

Para determinar el signo de ΔSuniverso cuando ocurre la reacción es necesario calcular tanto ΔSsistema como ΔSalrededores.

Sin embargo, por lo general sólo nos interesa lo que ocurre en un sistema en particular. Por esta razón es deseable tener otra función termodinámica que ayude a determinar si una reacción ocurrirá espontáneamente si sólo se considera al sistema mismo.


La ecuación que se obtiene, para establecer que un proceso se lleve a cabo a presión constante y temperatura T:


ΔGsistema = ΔHsistema - ΔSsistema


A fin de determinar la espontaneidad de una reacción de una manera más directa, se utiliza otra función termodinámica: Energía Libre de Gibbs, o sólo energía libre:


G=T-TS


Todas las cantidades de la ecuación son propiedades del sistema, y T es su temperatura. G tendrá unidades de energía (tanto H como TS también) Igual que H y S, G es una función de estado.


El cambio de energía libre de un sistema para un proceso a temperatura constante es:
ΔG=ΔH –TΔS


Entonces, la energía libre es la energía disponible para realizar un trabajo. Así, si en una reacción particular se libera energía útil (es decir, si su ΔG es negativo), este hecho, por sí solo, garantiza que la reacción es espontanea, sin importar lo que ocurra en el resto del universo.


Las condiciones para la espontaneidad y el equilibrio a temperatura constante y presión constante en términos de ΔG son:


ΔG < 0….. La reacción es espontanea en la dirección directa.
ΔG>0….. La reacción es no espontánea. La reacción es espontanea en dirección opuesta.
ΔG=0…. El sistema está en equilibrio. No hay un cambio neto.


Nota
*ΔS= Es el cambio de entropía.
* ΔH= Es el cambio de entalpía.
* ΔG= Es el cambio de la energía libre

Bioenergética cuantitativa: Termodinámica

“Medida de fuerzas conductoras”

Dado los descubrimientos de muchos fenómenos biológicos y bioquímicos a nivel molecular, se aplica la termodinámica al estudio de los sistemas vivos.

La termodinámica permite utilizar la información obtenida en los experimentos de un sistema para llegar a conclusiones sobre otros aspectos del mismo sistema, sin tener que hacer más experimentos.

En termodinámica se estudian tres tipos de sistemas:

*Abierto: puede intercambiar masa y energía, generalmente en forma de calor, con sus alrededores.
*Cerrado: el cual permite la transferencia de energía (calor) pero no de masa.
*Aislado: impide la transferencia de masa o energía.

Procesos Bioquímicos

a. Glicólisis y Fermentación: Es una etapa parcial del catabolismo de la glucosa y se realiza en el citosol. En la glucólisis se distinguen dos etapas. En la primera se consume energía y en la segunda se obtiene energía.

El balance neto del proceso es: 2 ATP (4 ATP generados - 2 ATP gastados). De esto resulta que la producción de ATP en la glucólisis es pobre, pero muy rápido y, por ello, el piruvato debe ingresar a la mitocondria para aumentar el rendimiento de ATP.


Destino del piruvato
El producto final de la glucólisis es piruvato que aún contiene una gran cantidad de energía.

· En condiciones anaeróbicas (es decir en ausencia de O2) el piruvato es degradada a lactato o en etanol, por un proceso denominado como fermentación.

· En condiciones aeróbicas (en presencia de O2), el piruvato sufre una oxidación y da lugar a acetil-CoA, NADH+H y CO2.



b. Acetilación: Una vez que el piruvato ingresa a la mitocondria sufre la transformación en acetilcoenzima A, que es el compuesto que ingresa al ciclo de Krebs. Este proceso tiene lugar en la matriz mitocondrial.


El rendimiento de la acetilación son 2 NADH, uno por cada ácido pirúvico o piruvato que entra a la mitocondria, dos moléculas de acetil coenzima y dos CO2

c. Ciclo de Krebs

Es una secuencia cíclica de reacciones en las que el acetil-CoA procedente del catabolismo del piruvato se oxida a CO2 y agua. También se le conoce como ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos y tiene lugar en la matriz mitocondrial.

Balance energético: la oxidación de una molécula de acetil-CoA en el ciclo de Krebs libera 1 ATP, 3 NADH+H y 1 FADH.

Como la glucosa al degradarse formó 2 piruvato y luego éste formó 2 acetil coenzima, son 2 vueltas al ciclo con producción de 6 NADH y 2 FADH. Además se agregan 2 ATP que se forman directamente en este ciclo.
La oxidación de las coenzimas NADH y FADH está acoplada a la síntesis de ATP (fosforilación oxidativa).


d. Fosforilación Oxidativa

Representa la última etapa del catabolismo y ocurre en la membrana mitocondrial interna o cresta mitocondrial. Durante ésta, los intermediarios reducidos o coenzimas: NADH y FADH2 provenientes de la glucólisis, acetilación y ciclo de Krebs son oxidados, entregando sus electrones a los componentes de la cadena transportadora de electrones. El último aceptor de los electrones es el oxígeno con quienes se une para formar agua.

e. Cadena Transportadora de Electrones: corresponde a un conjunto de moléculas transportadoras de electrones presentes a nivel de las crestas mitocondriales.
La circulación de electrones por la cadena respiratoria se produce mediante reacciones de oxidación - reducción (reacciones Redox), ordenadas en serie. El potencial electroquímico proporciona al complejo ATP sintetasa la energía necesaria para la formación de ATP.


f. En la fotosíntesis el flujo de electrones se invierte, el agua se hidroliza por efecto de la luz y el hidrógeno y sus electrones se transmiten a varias cadenas aceptoras. Durante esta transferencia la energía solar incrementa el nivel de energía de los electrones. Este es un proceso endergónico en el cual se utiliza parte de la energía en la reducción del CO2 para formar glucosa.
Todas estas reacciones se realizan en los cloroplastos.


ATP: trisfosfato de adenosina y la tranferencia de energía

Fotosíntesis