Metabolismo y bioenergética

Introducción al metabolismo y la bioenergética

• La bioenergética estudia los procesos de transferencia de energía.
• Los sistemas biológicos son sistemas termodinámicos abiertos que cumplen con las Leyes de la Termodinámica.
• Los seres vivos obtienen la energía y el carbono de diferentes maneras.
• Los autótrofos utilizan compuestos oxidados como fuente de materia (carbono).
• Los heterótrofos utilizan compuestos reducidos como fuente de materia (carbono) y obtienen energía a partir de su oxidación en reacciones metabólicas.
• La bioenergética cuantifica los cambios energéticos en el sistema mediante funciones de estado, como la entropía y la entalpía.
• La entalpía se refiere a la energía cinética de las moléculas o la energía de los enlaces, donde los reactivos y productos tienen diferentes energías de enlace.
• Si los reactivos superan la energía de los productos se libera calor (entalpía negativa); estas reacciones son exotérmicas.
• Si los productos superan le energía de los reactivos, se necesita calor (entalpía positiva); estas reacciones son endotérmicas.
• La entropía es la energía obtenible de una reacción y la segunda ley de la Termodinámica estipula que tiende a aumentar en el Universo.
• La energía libre de Gibbs representa la energía neta de un sistema necesaria para producir trabajo bajo condiciones específicas.
• Una reacción espontánea tiene una energía libre de Gibbs negativa, mientras que una no espontánea la tiene positiva.
• Si la energía libre de Gibbs es 0, la reacción no ocurre.
• La constante de equilibrio vincula las concentraciones de reactivos y productos en equilibrio.
• En sistemas biológicos, las concentraciones estándar se establecen a pH 7.
• En seres vivos, los productos desaparecen rápidamente, haciendo que estén lejos del equilibrio y requieran energía constante.

El ATP

• Los seres vivos emplean diversos movimientos moleculares, como el transporte a través de membranas.
• No hay producción de energía si la concentración de moléculas es igual en ambos lados, aun cuando estén en movimiento.
• Si las concentraciones son distintas, se genera un gradiente que libera energía hasta alcanzar el equilibrio.
• Una reacción favorable termodinámicamente en condiciones estándar puede no serlo en condiciones diferentes.
• Las reacciones acopladas pueden revertir reacciones usando la energía de otra reacción.
• El ATP actúa como "moneda energética" debido a la estabilidad de sus productos de hidrólisis.
• La hidrólisis del ATP en células genera más energía que en condiciones estándar.
• Para la transferencia energética, ambas reacciones deben compartir intermediarios, y la hidrólisis del ATP provee productos comunes a muchas reacciones metabólicas.
• El ATP se hidroliza de varias maneras, siendo la más común la transferencia de fosfato para formar ADP + Pi.
• El ATP transfiere energía de procesos exotérmicos a endotérmicos, al igual que el Acetil-CoA.
• Las reacciones redox (óxido-reducción) generan energía al mover electrones de compuestos reductores a oxidados.
• En seres vivos, las coenzimas (NAD, NADP, FAD, FMN) capturan electrones mediante reacciones redox.
• Los citocromos también transfieren electrones al contener un átomo de Fe.
• Los compuestos transfieren electrones a compuestos con potenciales más positivos.

Transporte a través de membranas

• Las membranas biológicas semipermeables consideran concentración y carga para el transporte de sustancias.
• Concentración: el flujo de partículas ocurre a favor del gradiente hasta alcanzar el equilibrio.
• Carga: la carga influye en el flujo hasta que se equilibra.
• Las membranas siempre tienen un potencial, o un gradiente de carga en sus lados.
• La diferencia de potencial electroquímico depende de los gradientes de concentración y carga, siendo 0 en equilibrio.
• Las membranas solo son permeables a moléculas apolares; las polares o cargadas requieren transportadores proteicos.
• Los transportadores crean un poro polar que permite el paso de sustancias hidrofóbicas una vez deshidratadas.
• Los canales son proteínas con poros polares para el paso de iones.
• Los transportadores tienen dominios transmembrana que forman poros para moléculas polares.
• Tipos de transportadores:
• Uniportadores: transportan una sola sustancia sin requerir gradiente de protones, facilitando la difusión.
• Cotransportadores: mueven múltiples sustancias a la vez, comúnmente sodio y otro sustrato.
• La entrada de sodio (a favor de gradiente) puede impulsar otra molécula en contra de su gradiente, usando la energía electroquímica del sodio.
• Simportadores: introducen ambos sustratos en la misma dirección.
• Antiportadores: introducen cada sustrato en dirección opuesta.
• Transporte activo secundario: introduce una sustancia en la célula usando la energía de otra, generalmente sodio.
• Transporte activo primario: usa la energía de la hidrólisis del ATP para mover moléculas en contra de gradiente.
• Los transportadores funcionan por acceso alternante, donde la unión del sustrato causa cambios conformacionales que permiten su liberación al otro lado de la membrana.

Transporte activo primario - La bomba de Na+/K+

• La bomba de Na+/K+ mantiene las concentraciones de Na+ y K+ en la célula, actuando como un cotransportador antiportador.
• Expulsa 3 Na+ e introduce 2 K+.
• 3 Na+ se unen en la cara citoplasmática del transportador con ATP, causando hidrólisis.
• El transportador cambia de forma, exponiendo los 3 Na+ al exterior y permitiendo la entrada de 2 K+.
• Este proceso causa que se expongan a la cara endoplasmática para que pasen al interior.

Metabolismo intermediario

• El metabolismo es el conjunto de reacciones enzimáticas en seres vivos para producir energía, procesar materia orgánica y sintetizar/degradar monómeros.
• El metabolismo varía según la fuente de energía (fotosintéticos, quimiosintéticos) y carbono (autótrofos, heterótrofos).
• En las rutas catabólicas, la energía química se libera al romper enlaces y se acumula como poder reductor (NADH, NADPH, FADH, FMNS) y ATP.
• El ATP y los productos reducidos impulsan el anabolismo para sintetizar monómeros para la biosíntesis.
• El metabolismo se regula mediante mecanismos que controlan procesos anabólicos/catabólicos:
• Regulación rápida: usa enzimas reguladoras controladas alostéricamente en procesos irreversibles que no están en equilibrio.
• Regulación lenta: implica modificaciones enzimáticas (fosforilación/desfosforilación) controladas por hormonas.
• Regulación por cantidad de enzima: requiere de la modulación de la expresión génica.
• Regulación por compartimentalización celular: los orgánulos especializados realizan diferentes tipos de metabolismo.
• Regulación por isoenzimas: lo que ocurre en un órgano puede ser diferente de lo que ocurre en otro.
• El hígado es el órgano central del metabolismo, mientras que el cerebro (mayor consumidor de energía) recibe la energía del hígado.