Metabolismo de los seres vivos

Tipos de energía

Hemos visto y ahora sabemos que la célula, es la unidad de todo ser vivo y que es capaz de realizar funciones importantes como lo son el crecimiento y la reproducción; esto gracias a que desempeña otro tipo de tareas por así llamarlas como alimentarse, respirar, moverse, trabajar entre otras.

La suma de todas estas funciones que realiza un organismo o una célula recibe el nombre de metabolismo, y la rama de la biología encarga de estudiar estos procesos es la bioenergética.

Para que se puedan llevar a cabo la célula necesita energía. La energía se define como la capacidad para realizar trabajo.

Para que los seres vivos puedan efectuar su metabolismo, necesitan adquirir del medio no sólo energía, sino que además incorporar a su cuerpo la mayor cantidad posible de nutrientes que pueden formar parte de su nueva materia via, de manera que pueda reemplazar la que pierden.  

El ser humano es un transformador de varios tipos de energía, por lo que en este caso el concepto de nergía tambipen se aplica en su nutrición en especial en el consumo de alimentos. La caloría es la unidad que se utiliza para medir en contenido energético y se define como: la energía térmica necesaria para elevar 1 grado centpigrado 1 gramo de agua.

Desde el punto de vista de la mecánica, se puede considerar dos forma de energía: la cinética o de movimiento y la potencial, que es la que está inactiva o almacenada. La energía cinética puede apreciarse en todo lo que tenga movimiento, como sucede en la luz y el calor, producidos por el movimiento de fotones o de moléculas, respectivamente.

En el caso de la energía potencial son buenos ejemplos la energía eléctrica y la atómica, o la química, que se encuentran en los enlaces que unen a los átomos de las moléculas.



Reacciones endotérmicas y exotérmicas.

Al proceso de transformaciones continuas de energía en los seres vivos se le conoce como flujo de energía, el cual se rige por las leyes de la termodinámica. Éstas son:

1ra ley de la termodinámica: La energía puede ser transformada de un tipo a otro, pero nunca creada ni destruida.

Ejemplo: fotosíntesis, en la cual la energía del sol se transforma en energía química.

 2da ley de la termodinámica: la energía fluye del cuerpo con mayor cantidad de energía, al cuerpo con menor cantidad de energía hasta lograr un equilibrio.

En los organismos las reacciones químicas que se llevan a cabo y que forman parte del proceso de metabolismo tienen la función de transformar ciertas sustancias (reactivos) en productos, sin embargo durante el proceso se forman algunos intermediarios a los que se les denomina intermediarios de reacción. Durante estos se forman productos mediante enlaces químicos, en los cuales existe energía potencial. Como se realizan una gran cantidad de reacciones existe un cambio constante en el contenido energético.

Las reacciones químicas que liberan energía se les llama exotérmicas, mientras que las que la absorben se les nombra endotérmicas. Sin embargo existe otro tipo de reacciones: las acopladas, estás son en las que se aprovecha las reacciones exotérmicas para generar endotérmicas.

Diagrama en donde se ejemplifican los tipos de reacciones energéticas.

ATP (Adenosin trifosfato)

Los seres vivos requieren de la continua utilización de energía para tres principales propósitos:

• Realización de trabajo mecánico.
• Contracción muscular u otros movimientos celulares.
• Transporte activo de iones y moléculas, la síntesis de macromoléculas y otras biomoléculas a partir de precursores más simples.

La energía es prpporcionada por esta molécula, conocida como ATP.

El principal donador de energía en la mayoría de los procesos

El ATP es un nucleótido constituido por una adenina, una ribosa y una unidad trifosfato. Constituye una molécula rica en energía debido a su unidad trifosfato.

El ATP fue descubierto por Fiske y Subbarow en Estados Unidos y Lohmann en Alemania en 1929.

Video en el que se explica el ciclo del ATP

ENZIMAS

Las enzimas son proteínas que catalizan todas las reacciones bioquímicas específicas. Además de su importancia como catalizadores biológicos, tienen muchos usos médicos y comerciales.

Un catalizador es una sustancia que disminuye la energía de activación de una reacción química. Al disminuir la energía de activación, se incrementa la velocidad de la reacción.

Imagen que representa el mecanismo de acción de una enzima.

Metabolismo.

El metabolismo es  conjunto de todas las reacciones bioquímicas que se producen en la célula. En un sentido amplio, metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que se producen en el interior de las células de un organismo. Mediante esas reacciones se transforman las moléculas nutritivas que, digeridas y transportadas por la sangre, llegan a ellas.

El metabolismo tiene principalmente dos finalidades:

1.- Obtener energía química utilizable por la célula, que se almacena en forma de ATP (adenosín trifostato). Esta energía se obtiene por degradación de los nutrientes que se toman directamente del exterior o bien por degradación de otros compuestos que se han fabricado con esos nutrientes y que se almacenan como reserva.

2.- Fabricar sus propios compuestos a partir de los nutrientes, que serán utilizados para crear sus estructuras o para almacenarlos como reserva.

Al producirse en las células de un organismo, se dice que existe un metabolismo celular permanente en todos los seres vivos, y que en ellos se produce una continua reacción química.

  

Las reacciones químicas o rutas metabólicas (repetimos, ambas reacciones suceden en las células) pueden ser de dos tipos: catabolismo y anabolismo.

Catabolismo.

Degradación enzimática (fase destructiva) de moléculas orgánicas complejas a moléculas sencillas.

Se produce, generalmente, mediante reacciones de oxidación en las que se libera energía (exotérmicas), parte de la cual se conserva en el ATP. Su función es reducir, es decir de una sustancia o molécula compleja hacer una más simple.

Catabolismo es, entonces, el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales las moléculas orgánicas más o menos complejas (glúcidos, lípidos), que proceden del medio externo o de reservas internas, se rompen o degradan total o parcialmente transformándose en otras moléculas más sencillas (CO₂, H₂O,  ácido láctico, amoniaco, etcétera) y liberándose energía en mayor o menor cantidad que se almacena en forma de ATP (adenosín trifosfato). Esta energía será utilizada por la célula para realizar sus actividades vitales (transporte activo, contracción muscular, síntesis de moléculas).

Sucede en tres fases:

a) Fase I: Las macromoléculas se degradan a sus monómeros (sucede fuera de la célula: digestión).

b) Fase II: Los distintos monómeros son transformados en acetil-CoA, con desprendimiento de cierta cantidad de ATP y NADH₂.

 

c) Fase III: Tiene lugar la oxidación del acetil-CoA a H₂O y CO₂, produciéndose NADH_2, que proporciona mucho ATP a través de la cadena de transporte electrónico.

Imagen en donde se representa las fases del catabolismo

El anabolismo

Fase constructiva. Reacción química para que se forme una sustancia más compleja a partir otras más simples. El Anabolismo, es entonces el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales a partir de compuestos sencillos (inorgánicos u orgánicos) se sintetizan moléculas más complejas.

Mediante estas reacciones se crean nuevos enlaces por lo que se requiere un aporte de energía que provendrá del ATP.

Las moléculas sintetizadas son usadas por las células para formar sus componentes celulares y así poder crecer y renovarse o serán almacenadas como reserva para su posterior utilización como fuente de energía.

Las reacciones anabólicas se caracterizan por:

Son reacciones de síntesis, mediante ellas a partir de compuestos sencillos se sintetizan otros más complejos.

Son reacciones de reducción, mediante las cuales compuestos más oxidados se reducen, para ello se necesitan los electrones que ceden las coenzimas reducidas (NADH, FADH₂  etcétera) las cuales se oxidan.

Son reacciones endergónicas que requieren un aporte de energía que procede de la hidrólisis del ATP.

Son procesos divergentes debido a que, a partir de unos pocos compuestos se puede obtener una gran variedad de productos.

También sucede en tres fases, en orden inverso al catabolismo. Ambos procesos suceden simultáneamente y son interdependientes, aunque las rutas catabólicas y anabólicas pueden estar localizadas en distintos orgánulos o compartimentos celulares.



Cuadro comparativo en donde se muestran las caraterísticas de los tipos de procesos metábolicos.

Procesos anabólicos.

Se conocen dos procesos de nutrición celular con metabolismo anabólico:

1.- fotosíntesis

2.- quimiosíntesis.

Fotosíntesis.

La fotosíntesis es la formación de alimentos a partir de la energía luminosa, que llevan a cabo células u organismos fotosintetizadores que poseen clorofila, la cual se encuentra dentro de los cloroplastos.

Imagen que muestra la ruta metabólica de la fotosíntesis



Quimiosíntesis.

La realizan los organismos procariontes, los cuales son capaces de utilizar energía química, que obtienen de la oxidación de productos inorgánicos, gracias a la acción de sistemas enzimáticos muy especializados.



Procariotas sulfurosos: Oxidan compuestos de azufre con la consecuente producción de ácido sulfúrico.

2 H₂S  +  CO₂   =   (CH₂O)  +  H₂O  + 2S

Procariotas hidrogenosos: Oxidan el hidrógeno del aire mediante la acción de una enzima

6H₂  +  2CO₂  +  CO_{2    =}    (CH₂O)  5 H₂O

Procariotas ferrosos: Oxidan el hierro y se desarrollan en medios muy ácidos, por lo que frecuentemente conviven con procariotas sulfurosos.

Procariotas nitrificantes: Oxidan el amoniaco en nitritos y estos a su vez en nitratos.

2NO₂  +  O₂    =    2NO₃

Procesos catabólicos

•  Respiración

La respiración es el proceso mediante el cual los seres vivos obtienen la energía del alimento.

Existen dos tipos de respiración, la aerobia, que se lleva a cabo en presencia de oxígeno molecular, y la anaerobia, que se efectúa en ausencia de oxígeno.

Respiración aerobia.

Este tipo de respiración se lleva a cabo en las mitocondrias de las células eucariotas y el producto final es la obtención de energía, todo esto a partir de moléculas de glucosa.

Etapas de la respiración aerobia.

La glucosa se degrada en presencia de oxígeno, se produce co2 ademas de energia en forma de ATP. Es un proceso muy complejo agrupado en tres etapas:

• Glucolisis: Ocurre en el citoplasma, se rompen los enlaces químicos de la glucosa y libera energía, la glucosa formada por 6 atomos se rompe por la mitad y se forman dos compuestos de 3 carbonos cada uno: Acido Pirúbico.

Imagen que muestra la ruta metabólica de la glucólisis.

• Ciclo de Krebs: Durante este proceso un compuesto formado por dos carbonos, el acetilo, se degrada completamente uniéndose a un compuesto de 4 átomos de carbono formando así otro compuesto de 6. Luego este pierde un carbono y se forma uno de 5. Después de esto se pierde otro carbono y se degrada completamente formando dos moléculas de dióxido de carbono. En este proceso hay liberación de energía.

Imagen que muestra la ruta metabólica del Ciclo de Krebs

• La cadena respiratoria: Como resultado de la glucólisis y el siclo de krebs la glucosa se divide y forma moléculas de co2 liberando energía para la formación de atp y átomos de hidrógeno. Los átomos de hidrógeno provenientes de las etapas anteriores se combinan con el oxígeno para formar agua. Además de gran cantidad de energía que sirve para formar 36 moléculas de atp.

Respiración anaerobia.

Como ya se mencionó, este tipo de respiración se lleva a cabo en ausencia de oxígeno y es característica de muchos procariotas, como bacterias y levaduras. En animales también se lleva a cabo cuando, por el esfuerzo muscular, resulta una baja en las moléculas de ATP, que gracias a este proceso puede aminorarse.

Etapas de la respiración anaerobia:

·         Glucolisis.

·         Fermentación: Vía metabólica que comprende una seria de reacciones químicas en las que cada tipo de célula fermentadora utiliza el ácido pirúvico para la síntesis de otros productos. Los ejemplos de fermentación más conocidos son:

          Fermentación alcohólica

Se realiza principalmente en células de levaduras y ocurre un proceso similar al de la glucólisis excepto en el último paso, en el que el ácido pirúvico retira una molécula de CO2 antes de ser reducido por el NADH, por lo qie resultan dos moléculas de CO2 y dos moléculas de etanol, por cada molécula de glucosa fermentada.

Imagen que muestra la ruta metabólica de la fermentación alcoholica

                     Fermentación láctica.

Se presenta en algunas bacterias y en los músculos de los animales, sobre todo durante el ejercicio intenso, cuando el oxpigeno no es suficiente. En ella, el ácido pirúvico se vuelve un aceptor de hidrógeno y se forma el ácido láctico, que es el que produce el dolor muscular.

Imagen que muestra la ruta metabólica de la fermentación láctica

Nutrición autotrofa.



Te invitamos a ver el siguiente video. En el se aborda el tema del proceso de digestión, únicamente tienes que esperar unos minutos a que avance el video. Esperemos les se de utilidad.

 

Bibliografía:

• Gama, F. M. A. Biología 1, competencias + aprendizaje + vida. 2012. Segunda edición. Editorial Pearson. pp: 88 - 115.
• http://www.vi.cl/foro/topic/7227-biomoleculas-metabolismo-cuestiones-resueltas/page__st__20
• http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/Metabolismo_celular.html
• http://www.ecured.cu/index.php/Respiraci%C3%B3n_aerobia

Galindo, F.; Flores, A. 2006. De la energía a la nerotransmisión: el adenosín trifostato y sus receptores.

REV NEUROL 2006; 43: 667-77]