G capitulo 6-vinc-segunda-edicion biotecnologia esquemas organelosetc.

Héctor Rocha L. Bioenergética

327

BIOENERGÉTICA


328

1) EJEMPLO DE SITUACIONES TERMODINAMICAMENTE FAVORABLES 330 2) INTRODUCCIÓN A LA BIOENERGETICA 333 3) PRINCIPIOS Y LEYES TERMODINAMICAS 336 4) EQUILIBRIO DE ESTADO ESTABLE Y EQUILIBRIO TERMODINÁMICO 340 5) REACCIONES ENDERGÓNICAS Y EXERGÓNICAS EN EL METABOLISMO INTERMEDIARIO 343 6) CARACTERÍSTICAS DEL CATABOLISMO 348 7) CARACTERÍSTICAS DEL ANABOLISMO 349 8) ENFOQUE ACTUAL DE LA TERMODINÁCA APLICADA A LA EXISTENCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS 352 9) CONCLUSIONES GENERALES 356 10) EL ATP 357 11) SÍNTESIS DE ATP 359 a) TRANSFERENCIA DE GRUPOS FOSFATOS 359 b) TRANSFERENCIA DE PROTONES Y ELECTRONES 363

12) GLOSARIO 369


329

1) EJEMPLOS DE SITUACIONES TERMODINAMICAMENTE FAVORABLES. En nuestro caso la aplicación de la termodinámica a los procesos biológicos consiste en llevar la estricta cuenta de la energía y materia que entra y sale de los procesos metabólicos.


330

A su vez, estos procesos ocurrirán en compartimientos que se pueden considerar como abiertos, cerrados y/o aislados que podrán estar representados por organelos, citoplasma o células. Al emplear esta aproximación termodinámica, será posible enfocar desde una macromolécula hasta un individuo completo, junto a las influencias que el entorno ejerce sobre este y a su vez las que el individuo ejerce sobre el entorno e incluso se puede llegar ha desarrollar conceptos ecológicos. Sin embargo, en este capítulo, nos referiremos a los procesos que ocurren en una célula y estos podrán incluir reacciones metabólicas de activación o degradación de sustratos, transferencia de energía en forma acoplada desde una reacción a otra, generación de gradientes de concentración y carga, etc. En resumen, para entender como ocurren los procesos bioquímicos desde el punto de vista termodinámico, será necesario entender previamente varios ejemplos relacionados con aquellos eventos u fenómenos que suceden espontáneamente o que son considerados como, termodinámicamente favorables o factibles y que ocurren inadvertidos durante la experiencia cotidiana. En general a este tipo de fenómenos no se les presta mayor atención y se aceptan como si fueran procesos garantizados de que siempre procederán de la misma manera. Dentro de este ámbito podemos analizar como ejemplo, lo que sucederá con un proceso caracterizado por la dispersión de moléculas de perfume desde una botella (Fig. 1- 7). Si dejamos una botella de perfume abierta dentro de una porción del espacio o en un sistema aislado, que se considera a presión, volumen y temperatura constante. Sin duda que al cabo de un tiempo, el lugar terminará por estar igualmente perfumado en todas sus direcciones. En otras palabras las moléculas que estaban en el medio líquido de la botella y a corta distancia unas de otras pasarán a estar separadas, ocupando el volumen total del espacio. Las moléculas de perfume tratan de encontrar la mayor distancia entre sí.

Es obvio que no todas las moléculas de perfume, volverán a agruparse en un pequeño volumen del espacio constituido por la botella. Este último proceso no es espontáneo y para invertirlo, habría que suministrar energía externa al sistema o trabajo desde afuera del sistema en consideración. Este consistirá en comprimir el aire, para luego destilarlo y separar sus componentes. Una vez aislado se retornará a su respectivo recipiente. Otro ejemplo práctico similar al anterior, puede ser visualizado al poner en contacto dos soluciones con distinta concentración de Sacarosa (Fig. 2 -7). A tiempo 0, ambas soluciones se encuentran separadas por medio de una interfase formada por su desigual densidad. Posteriormente en la solución más concentrada, difunde el soluto hacia la menos concentrada o bien el agua de la solución más diluida tiende a difundir al interior de la solución más concentrada. Después de un tiempo determinado x, ambos compartimientos

Fig 1 – 7. Las moléculas se separan espontáneamente al salir de su recipiente.

PERFUME

Estado A Estado B

Sistema aislado

Solo aplicandoenergíase puededevolver

ORDEN DESORDEN

PROCESOS ESPONTANEOS

DE


331

permanecerán con igual concentración. Lo sucedido anteriormente, constituye un proceso espontáneo, no depende de la cantidad de tiempo transcurrido, podría ser mucho o poco, sin embargo el resultado final siempre será igual. Para invertirlo tendríamos que gastar nuevamente energía para evaporar el agua y concentrar la solución resultante. Esto significa aplicar energía desde el exterior del sistema. Esto indica que el proceso inverso no es espontáneo o termodinámicamente favorable.

Un tercer caso (Fig. 3 – 7), puede estar representado por un compartimiento que tiene una determinada solución de NaCl y que se encuentra separado de otro lleno de agua pura. La membrana que los separa es solo permeable a los iones positivos de Na+, pero no a los iones de Cl-, ya que se comporta como una bicapa lipídica.

Fig 3 - 7. El gradiente de concentración y potencial o voltaje se oponen. A medida que migran los iones Na+ desde el compartimiento más concentrado al más diluido o izquierda a derecha. Ocurre que el compartimento 2 de igual volumen al 1 se hace positivo, mientras que el 1 se hace negativo. El proceso se detiene cuando algunos iones positivos son empujados nuevamente al compartimiento 1, hasta alcanzar una cierta distribución. Es interesante notar, que no se produce la electroneutralidad (igualdad de iones positivos y negativos) en ambos compartimientos, ya que la concentración y distribución de los iones no es igual. Esta particular distribución genera una diferencia de potencial Δ ( ψ1 – ψ2 ), que se opone a la posterior migración de nuevos iones positivos al compartimiento 2.

Fig 2 -7 . La Sacarosa difunde hasta igualar la concentración en el recipiente.

C1 > C2 ΔC = C1 - C2 ψ1 > ψ2 Δψ = ψ1 - ψ2

Δψ C1, ψ1 ψ2,C2 C1, ψ1 C2, ψ2

5 M 1 M 3 M

Equilibrio Osmótico

soluto sin

carga

Tiempo 0 Tiempo X


332

Existe aquí una imparidad entre la distribución de concentración y carga a ambos lados de la membrana. La tendencia espontánea a difundir desde el compartimiento más concentrado (1) al más diluido (2) determinado por C1> C2, se contrapone a la tendencia de moverse en la dirección opuesta debido a las cargas negativas del compartimiento 1 y las positivas del 2. Las distintas fuerzas opuestas que se enfrentan aquí, tanto la producida por la diferencia de potencial como la producida por la diferencia de concentración son capaces de llegar al equilibrio. Desde el punto de vista energético este efecto se reduce a la expresión: ΔGº´c = ΔGº´p La energía en base a la diferencia de concentración, esta dada por la ecuación: ΔGº´ c = 2,3 RT Log C1/C2 log e = 2,3 Log 10 R: CTE de los gases T: tº absoluta en º Kelvin La energía en base a la diferencia de voltaje o potencial a ambos lados, está dada por la ecuación: ΔGº´p = z F Δ ( ψ1 – ψ2 ) Z: Carga de los iones F : Constante de Faraday Cuando ambas tienden a igualarse, se tiene la ecuación de Nernst: 2,3 RT Log C1/C2 Δψ = ( ψ1 – ψ2 ) = --------------------------------- z F Esta última ecuación indica el potencial al cual no existe paso de iones positivos a través de la membrana. Se le conoce también como el potencial de reposo ( Δψ ), equilibrio o de relajación entre concentración y voltaje a ambos lados de la membrana.

Por otro lado al continuar con nuestro análisis, a pesar de que podemos encontrar en que dirección migran los sistemas no es posible determinar el camino por el que lo hacen, es decir la forma en que una molécula de perfume, la molécula de Sacarosa o un ión recorren una trayectoria, desde la zona más concentrada a la mas diluida. Este camino no se conoce, ni tampoco se debe considerar el tiempo que se demoran en hacerlo, tan solo el estado inicial y final es el importante. Los tres ejemplos de los casos anteriores ocurren en lo que se llama sistemas aislados del exterior. No intercambian materia ni energía con el entorno.

Volver al inicio

2) INTRODUCCION A LA BIOENERGETICA.


333

Ahora, al analizar sistemáticamente los ejemplos anteriores desde el punto de vista termodinámico, podemos considerar que un evento o proceso, debe ser considerado dentro de una porción del espacio denominado sistema (Fig. 4-7). Este mismo sistema se encuentra a su vez rodeado por el entorno y todo ello, se halla contenido en un espacio que se denomina Universo. Al continuar con la misma línea de pensamiento, podemos decir que el proceso que ocurre dentro del sistema puede ser de tres tipos: aislado, cerrado y abierto (Fig. 4 – 7).

Fig. 4 - 7. En los tres Universos A, B y C se observan tres tipos de sistemas En los sistemas aislados no hay intercambio de materia ni energía con el entorno y pueden ser considerados como ejemplo, aquellos procesos que ocurren dentro de un recipiente de doble pared reflectante y con vacío entre ambas paredes. Aquí no se permite la entrada o salida de calor (botella térmica). Es decir, no hay intercambio de materia y energía. Si una botella térmica con 500ml de agua a la temperatura de t1= 90ºC, recibe 500ml de agua a la temperatura t2 = 10ºC, la temperatura interna descenderá hasta alcanzar un equilibrio entre ambas masas de líquido (40ºC), siguiendo el principio de Le Chatelier-Brown. Este equilibrio no será con la temperatura que existe al exterior de la botella o su entorno, sino que la temperatura final estará dada por la ecuación Q = m x c x t ( m = masa de ambos volúmenes de líquido, c = calor específico del agua, t = temperatura, aplicada a cada una de las masas de agua) Qt (final) = Q ( 90ºC) - Q (10ºC) (m1 + m2 ) x c x Δt (final) = m1 x c x t1 – m2 x c x t2 si c es igual en ambos: m1 x t1 – m2 x t2 Δt (final) = ------------------------------------------------ = 40º C

( m1 + m2 )

UNIVERSO A UNIVERSO B

Sistema Aislado

Sistema Cerrado

Sistema Abierto

INTERCAMBIO DE ENERGÍA (E)

SOLAMENTE

UNIVERSO C

INTERCAMBIO DE ENERGÍA (E) Y MATERIA (M)

NO HAY INTERCAMBIO DE

ENERGÍA (E) NI DE MATERIA (M)

ENTORNO ENTORNO ENTORNO

E E M


334

Los procesos que ocurren al interior de un organelo, pueden ser también considerados como pertenecientes a un sistema aislado. Si en el interior del organelo existe una enzima, que requiere de cierto pH para manifestar su actividad. Cualquier cambio de este, provocará un cambio en la conformación de la enzima tomando energía desde el entorno o liberándola hacia el entorno. Este cambio en su conformación afectará su sitio activo y por lo tanto su actividad enzimática. Al continuar con la descripción de los sistemas, encontramos que estos pueden ser del tipo cerrado cercano al equilibrio o cerrado lejos del equilibrio. En un proceso cerrado se intercambia energía con el entorno y si es cercano al equilibrio, se puede considerar como ejemplo, lo que ocurre en el agua al bajar la temperatura. Esta pasa desde un estado amorfo o desordenado a un estado cristalino u ordenado. Aquí se produce una disminución de la entropía o desorden y una disminución de la energía contenida en la masa o volumen de agua. El agua se organiza en una estructura ordenada, cuando libera el calor de fusión que es de 80 cal/gr. Este proceso no es espontáneo o favorable, pero la baja de temperatura permite una menor agitación de las moléculas y a la vez se libera energía al entorno lo lleva la lleva hasta ese límite. En este punto la agitación molecular que mantiene a las moléculas separadas, es sobrepasada por la fuerza de atracción entre las moléculas de agua que actúan entre sí como dipolos débiles. Este efecto las conduce a formar una red cristalina de moléculas estáticas con una estructura ordenada que se denomina hielo. En el otro caso, un sistema cerrado lejos del equilibrio, se puede incluir como ejemplo a un depósito aislado que sirve como calentador eléctrico de agua. En este sistema, se mantiene en el interior una temperatura constante mayor que la del entorno, mediante el flujo de electricidad hacia una resistencia la cual produce calor. Otro de estos mismos ejemplos, puede incluir a un refrigerador con una temperatura de 4ºC en su interior y de 25ºC en el entorno. En este caso existe un compresor que gasta energía eléctrica licuando el gas refrigerante. Posteriormente, al circular en forma de líquido por las cañerías en el interior del refrigerador se expande y atrapa el calor, el que se disipa en un radiador externo antes de ser comprimido nuevamente con gasto de energía. En ambos casos anteriores, para mantener al agua caliente en el calentador y la temperatura baja en el refrigerador, se requiere de un buen aislamiento en ambos. Si este fuera un 100% efectivo se mantendrá la temperatura constante en el interior de ambos y el sistema se puede considerar como cerrado lejos del equilibrio. Sin embargo a pesar de ello, ambos sistemas tratarán siempre de alcanzar el equilibrio con la temperatura del entorno debido a que su aislamiento no es del todo perfecto (nunca lo será). Si no hay flujo eléctrico en el calentador de agua, este transfiere su calor al entorno y se enfría o en el caso del refrigerador, entra calor desde el entorno hasta igualar su temperatura con el exterior. En ambos casos, sino se aporta energía se alcanzará el equilibrio termodinámico o la misma temperatura del entorno. Una aproximación biológica a un sistema cerrado lejos del equilibrio, puede ser un sistema transportador de Glucosa del tipo mediado, donde una proteína reconoce específicamente a la Glucosa y mediante un cambio conformacional acoplado a la hidrólisis del ATP, lleva Glucosa al interior de la célula en contra de un gradiente de concentración. Este proceso ocupa ATP como energía para concentrar Glucosa adentro del compartimiento. Si no hay suministro de ATP, la Glucosa puede difundir al exterior e igualar las concentraciones en ambos lados. En este caso la molécula de ATP debe proveer de energía suficiente para mantener el gradiente, más otra porción de energía que se debe disipar hacia el entorno, para que el proceso sea termodinámicamente favorable.


335

Por último, los casos anteriores han servido para visualizar a un nuevo sistema, reconocido como abierto donde se mantiene un orden lejos del equilibrio, mediante un flujo constante de energía y materia. Un automóvil recibe combustible o energía química en la forma de un líquido con una masa determinada. Este a su vez se oxida o combustiona con el Oxígeno del aire. Como resultado se produce una mezcla de gases a una alta temperatura que se encuentra constituida por moléculas más pequeñas y desordenadas (CO, CO2 y H2O), cuyo calor se pierde por el escape. Del total del calor producido por la combustión interna se emplea una parte en el desplazamiento mecánico del automóvil y la otra parte, se pierde o disipa hacia el entorno por el radiador y escape. Mientras exista combustible el sistema se mantiene en equilibrio de estado estable, es decir produciendo trabajo (desplazamiento) y calor, lejos del equilibrio con el entorno. Por otro lado, sin combustible el sistema toma la temperatura del entorno y no hace trabajo entrando ahora al equilibrio de tipo termodinámico. Un automóvil con el tiempo es presa de la entropía, es decir sufre un desgaste mecánico, que se puede medir en ciertos miligramos de metal que se desprenden de su motor y en aquellas partes donde ocurra roce entre metales. Un ser vivo también se encuentra sometido a las mismas fuerzas externas, pero se autorepara hasta que este último sistema cae también bajo la entropía. Otro ejemplo similar de sistema abierto estaría constituido por un dispositivo calentador de agua conectado a una red domiciliaria. Este aparato entrega energía calórica que proviene de la combustión del gas empleado como combustible, a una masa de agua que entra fría y sale caliente. Este sistema es capaz de intercambiar energía y masa a la vez. Si consideramos al gradiente de Glucosa planteado anteriormente como un sistema abierto, este puede mantenerse en equilibrio de estado estable. Siempre que se aporte Glucosa desde el exterior y se ocupe en su interior de producir ATP, manteniendo así un flujo continuo que dependerá del empleo de la energía producida como ATP para su transporte y degradación. La particularidad de este sistema biológico, es que la misma Glucosa al degradarse, genera la suficiente energía en la forma de ATP, tanto para activar a la molécula de Glucosa, como para permitir que se continúe degradando a medida que lleguen nuevas moléculas intactas. Además parte de la energía producida se debe ocupar en algún tipo de trabajo útil, que puede ser la síntesis de otras moléculas o la contracción muscular. Más aún, parte de esta misma energía deberá disiparse hacia el entorno, para satisfacer el segundo principio de la Termodinámica y permitir que el sistema considerado como abierto migre o se relaje en una determinada dirección y sentido. Volver al inicio

3) PRINCIPIOS Y LEYES TERMODINÁMICAS Cuando se hace un balance de las energías de un proceso como lo haría un contador con los haberes y deberes de una compañía, se observa que ninguna de las transferencias de energía ocurre con un 100% de eficiencia y una fracción siempre se pierde hacia el medio u entorno para que la transferencia sea factible. Es decir, se debe pagar un impuesto a cada transferencia de fondos. Por ejemplo, los distintos componentes de la ENERGIA TOTAL DE UN SISTEMA (100%) pueden ser desglosados en 30% de ENERGIA QUIMIOSMOTICA (capaz de crear un gradiente a ambos lados de una membrana), un 30% de ENERGIA QUIMICA (capaz de sintetizar una molécula) y finalmente un 40% de ENERGIA CALORICA la que se pierde hacia el entorno, impidiendo la eficiencia 100%.


336

Como se ha observado anteriormente una molécula química tiene una cierta cantidad de energía interna representada por los diversos tipos de interacciones como son los enlaces covalentes e interacciones débiles, número de dobles enlaces, número de estructuras resonantes, repulsión electrostática, tensión de los enlaces. A la vez se encuentran otros tipos de energías, como son la de vibración y rotación exceptuando la energía nuclear. Por lo tanto, parte de la energía interna de una molécula puede ser modificada químicamente, como se observa a continuación en la molécula ejemplo: A-A-A-A. Esta se puede descomponer y dar origen a 4 moléculas de A, liberando una cierta cantidad de energía. Se debe tener en cuenta que la energía liberada es igual a la que se gastaría en sintetizarla nuevamente, más una cierta cantidad para hacer la reacción viable. Es decir parte de ella debe disiparse al entorno debido a las consideraciones entrópicas. De esta manera el proceso será factible, posible o favorable: A-A-A-A ------------- A + A + A + A + Energía Siempre se esta perdiendo energía hacia el entorno, tanto en la degradación como en la síntesis de una molécula. La energía antes y después del proceso se define como: ΔE = E antes - E después = Q – W. Aquí el término Q lo podemos emplear con signo positivo o + Q, que viene siendo el calor que se absorbe o se transfiere desde el entorno al sistema con un aumento de la Energía interna ΔE, mientras que de la forma - Q o con signo negativo, se libera o se transfiere al entorno y es cuando ΔE disminuye. Por otro lado, + W es el trabajo que se hace sobre el entorno y que disminuye la energía interna. Solo cuando W lleva signo negativo como – W, es el trabajo que el entorno hace sobre el sistema y en este caso ΔE puede aumentar. De esta manera ΔE solo representa el calor que se maneja en el sistema durante el estado inicial y el estado final en el curso de una transformación química. Así tenemos, que si oxidamos un mol de Glucosa en el organismo vamos a producir calor manteniendo la temperatura corporal y vamos a ejercer varios tipos de trabajos. Entre ellos tenemos el trabajo quimiosmótico para mantener la constancia de nuestro medio interno, el trabajo mecánico efectuado por los músculos cuando nos desplazamos de un lugar a otro o bien el trabajo para mantener la conducción nerviosa o atrapar algo de la energía en otra molécula química, etc. Son todos estos, ejemplos de transformación energética de un tipo a otro. Por lo tanto, el cambio de energía interna de un mol de Glucosa, se desglosa en la cantidad total de calor que puede producir menos el trabajo que puede efectuar una vez que se haya oxidado, es decir: ΔE = Q - W y W = P ΔV y a la vez P ΔV = n R T


337

La ecuación: ΔE = E (estado inicial sistema) - E (estado final sistema) = Q – W simboliza el primer principio de la termodinámica e indica que la diferencia de energía interna de un sistema, es decir la energía entre su estado inicial y final después que ha ocurrido un proceso, dependerá del contenido total de su energía calórica Q ( la energía contenida en su interior por las interacciones internas) menos el trabajo que el entorno realiza sobre el sistema o el sistema sobre el entorno. De esta forma, se indica que la energía se transforma de un tipo en otro o de calórica a mecánica o de mecánica a eléctrica. Es decir, la energía no se crea, ni se destruye y los cambios de energía interna ΔE, dependerán exclusivamente de los estados iniciales y finales del sistema definidos por sus condiciones de P, V y T. ΔE es una función de estado (inicial y final) Por ejemplo, si oxidamos un litro gasolina se deberá definir el estado de una molécula desde su condición inicial, inalterada y completa, que puede ser en estado sólido, líquido o gaseoso hasta su oxidación total a CO2 gas y H2O líquido. Se incluye aquí su cambio de estado, es decir el sistema puede pasar desde líquido a gas por lo que se debe considerar el cambio de volumen ΔV a Presión constante. Como Δ W puede estar representado por P ΔV significará que el sistema puede efectuar una cierta cantidad de trabajo moviendo algún pistón. Por el contrario, los cambios en los sistemas biológicos son de un volumen muy pequeño y las reacciones no ocurren con gases sino que en solución, no se empujan pistones aquí y no se le dará importancia a P ΔV, ya que las reacciones se llevan a cabo a presión constante. En los sistemas biológicos tendremos que el calor liberado por la oxidación de un mol de Glucosa equivale solamente a la energía interna del sistema o ΔE, que representa la energía que poseen la moléculas debido a sus interacciones internas como enlaces covalentes, energía vibracional y rotacional antes del proceso de oxidación y después que esta se ha oxidado y convertido a CO2 y se encuentra en la forma de ión soluble - HCO3 y H2O. Por lo tanto, tendremos que ΔE será igual a ΔQ o el calor total liberado, que será igual al contenido de energía de la molécula. A su vez, este calor puede ser disipado y parte de él será atrapado químicamente por otras moléculas que se encuentran en proceso de síntesis u formación. Por lo tanto es necesario aplicar aquí una nueva función de estado que se conoce como Entalpía o ΔH. Esta se aproxima o es equivalente a ΔE cuando W es 0. Es decir, no se efectúa trabajo sobre el medio ni este aplica trabajo sobre el sistema. Aquí no se emplea PΔV y para medir los cambios de energía de un proceso se ocupará aquella forma de energía conocida como calor. Luego, tenemos que ΔH = ΔE a W = 0 y Presión constante, considerando que ΔV es muy pequeño en cualquier proceso biológico. Por otro lado, un cambio de entalpía ΔH, no tiene que ver con que una reacción sea espontánea o no. En otras palabras no hay compatibilidad entre espontaneidad y el


338

valor de cambio de la energía interna. Al disolver NaCl en agua se produce un proceso endotérmico donde ΔH aumenta, lo que indica que se toma energía del medio. Esta disolución enfría las paredes del vaso que la contiene al tomar energía del entorno y aumenta el desorden al separar los iones Sodio de los iones Cloro. Por otro lado cuando se mezcla Ác. Sulfúrico con agua, se libera calor al entorno lo que caracteriza a un proceso exotérmico y ΔH disminuye. Aquí se produce una rápida elevación de la temperatura debido a la interacción agua - SO4= y la interacción agua –ión H+ , para producir ión Hidrónio H3O +. Ambos iones liberan energía al romper las interacciones agua-agua y formar las interacciones agua-ion, haciendo que en todo caso aumente también el desorden, acompañado de corrientes de convección, vapor y turbulencia. En ambos procesos anteriores el agua se interpone entre los iones tanto de una sal (NaCl) como de un ácido (H2SO4), para ello se rompen las interacciones que mantienen la identidad de la sal y el ácido, para formar nuevas interacciones con el agua. Como esta es un dipolo hidrata y recubre a los iones disminuyendo sus cargas netas superficiales. Ambos procesos migran hacia un estado donde se toma o se libera energía del entorno dependiendo del balance de energía necesario para romper las interacciones consigo mismo y formar nuevas con el agua. La única fuerza que los mueve es la separación de los iones o aumento del desorden o entropía: a) Baja la temperatura (toma energía)) Energía del Entorno + Sal de NaCl + H2O ---------------- Na—H2O + Cl---H2O b) Sube la temperatura (entrega energía) H2SO4 + H2O ---------------------------------- H+----H2O + SO=

4 ----H2O + Energía al Entorno Después de analizar estos ejemplos se puede pasar al segundo principio de la termodinámica, que especifica que todo proceso será del tipo espontáneo cuando camina, migra o se relaja en la dirección del aumento de la entropía u desorden: ΔG = ΔH - TΔS Como ΔS no puede ser medido, nos referiremos a ΔG que indicará de manera indirecta cuando una reacción sea espontánea o no. Si ΔG es negativo se dice que es exergónico y si es ΔG es + será endergónico. Cuando ΔG es igual a 0, el sistema se encontrará en equilibrio termodinámico. Mientras que ΔH permanecerá como el contenido total de energía del sistema. Al aplicar el enfoque la segunda ecuación de la termodinámica a las moléculas biológicas, encontramos que algunas se degradan en otras más simples y desordenadas, mientras que otras toman la energía de las primeras y se ordenan. Se comportan de manera acoplada entre síntesis y degradación o catabolismo y anabolismo mediante una molécula intermediaria transportadora de energía entre uno y otro proceso como lo es el ATP. La síntesis no es un proceso espontáneo o termodinámicamente factible, ya que introduce


339

orden en las estructuras moleculares que se crean y este proceso requiere de energía química en la forma de ATP. Por otro lado, parte de la energía que se gasta en la síntesis debe perderse al entorno, para así lograr siempre un aumento de la entropía del Universo o en otras palabras hacer la distribución de la energía más uniforme. La energía interna de las moléculas puede ser ahora representada por ΔH, que se denominaba anteriormente como el contenido energético o calórico de una sustancia. Sin embargo, ahora pasará a ser o representar el orden interno de la molécula conocido como ΔE. La cantidad que se libere dependerá de la cantidad de desorden o entropía que se produzca cuando el sistema tienda al equilibrio o ΔG tienda a ser igual a 0. En este caso tendremos que: ΔH = ΔE = TΔS o en otras palabras: Orden = Contenido interno de energía = Desorden para salir de el estado actual o dirigirse en uno u otro sentido, es necesario tomar o dar energía y la ecuación anterior se puede aproximar empíricamente a: Orden = Desorden + Energía que es homóloga a: ΔH = TΔS + ΔG Como ejemplo tenemos las siguientes reacciones: Glucosa + 6O2 = 6CO2(gas) + 6H2O(líquido) + Energía o Glucógeno + nO2 = nCO2(gas) + nH2O(líquido) + Energía o Triacil Gliceroles + nO2 = nCO2(gas) + nH2O(líquido) + Energía También puede ocurrir el caso contrario, al invertir la ecuación anterior : Energía + Desorden = Orden ΔG + TΔS = ΔH que en su forma biológica es homólogo a la Fotosíntesis: Energía Radiante + nCO2 (gas) + nH2O (líquido) = Celulosa o nATP + nCH3COO-S-CoA = Ácido Graso + nH-S-CoA. o bien de otra manera: SINTESIS = DEGRADACION + ENERGIA o aún:


340

ANABOLISMO = CATABOLISMO + ENERGIA o: REDUCIDO = OXIDADO + ENERGÍA La degradación, el desorden y el estado oxidado son espontáneos, proceden en la dirección en que liberan energía hasta alcanzar un nivel en que entran en equilibrio con el entorno. Cuando su energía se hace igual a la del entorno, se detienen. Por lo tanto, para activarlos nuevamente se necesitará de una fuente de energía externa que al ser aplicada al sistema degradado, desordenado u oxidado, lo lleve nuevamente a formar una estructura o molécula compleja. Este proceso del tipo no espontáneo requiere de energía. Si la que se sintetiza es una macromolécula con una sola unidad que se repite muchas veces, bastará con que otra molécula se degrade en forma acoplada para generar orden y energía. Volver al inicio 4) EQUILIBRIO DE ESTADO ESTABLE Y EQUILIBRIO TERMODINÁMICO En la figura que aparece a continuación (fig. 5 – 7) se puede observar como varias moléculas individuales de un sustrato metabólico, entran a un compartimento de una célula y a través de varios pasos sucesivos se ordenan progresivamente en una molécula de tres unidades. Estas posteriormente se unen entre sí generando una macromolécula de mayor tamaño por medio de una sucesiva adición de unidades de tres. Posteriormente ante un requerimiento energético de la célula, la macromolécula de almacenamiento se descompone progresivamente, hasta liberar la molécula unitaria original. Esta última es posteriormente degradada en otras de menor tamaño aún y finalmente eliminada del compartimiento. La reacción a, que introduce sustrato en contra de un gradiente de concentración, es seguida por b, c y x. Son en general todas aquellas que producen orden, no son espontáneas o favorables desde el punto de vista termodinámico, mientras que las reacciones u, v junto a w, si son todas favorables, ya que tienden al desorden. En otras palabras, las primeras son endergónicas y las segundas exergónicas, mientras que el sistema se mantiene en equilibrio de estado estable. Las reacciones x, z, u, v deben producir energía para que las otras reacciones a, b, c y d procedan de izquierda a derecha. Además, debe disiparse parte de esta energía al entorno para que el sistema en conjunto proceda desde la molécula unitaria en el exterior hacia la molécula degradada y posteriormente eliminada fuera del compartimento.

MOLÉCULA UNITARIA

MOLÉCULA DEGRADADA

a b c d x z u v w


341

En Fig. 5 – 7. Síntesis y degradación de una macromolécula. Al profundizar en estos conceptos, podemos aplicarlos a las moléculas biológicas como lo son Glicógeno, Almidón o Celulosa e incluso a la formación de las bicapas de fosfolípidos y micelas. Encontramos aquí, que las macromoléculas se encuentran en equilibrio de estado estable entre dos tendencias. Una de ellas es la tendencia al orden, como es la síntesis que la lleva a un estado energético por sobre el equilibrio termodinámico con el entorno. Es decir, se debe gastar energía en extender la macromolécula al agregar nuevas unidades. La otra tendencia es al desorden, donde se libera energía hacia el entorno en base a la degradación de la macromolécula en sus unidades (Fig. 5 -7). Las moléculas de Glucosa que constituyen las unidades del Glicógeno se encuentran unidas mediante enlaces covalentes. Estos enlaces se forman por medio de una reacción de transferencia de energía con gasto de ATP. Es decir, se activa a la molécula de Glucosa por unión al nucleótido UTP quedando como UDP-Glucosa. De esta manera cuando se agregan nuevas moléculas de Glucosa la reacción se convierte en exergónica y favorable. A su vez un gasto de un UTP equivale a un gasto de un ATP. Por medio de este mecanismo se extiende y crece la molécula de Glicógeno generando un determinado orden, aunque repetitivo. Este proceso de crecimiento no es espontáneo o favorable y debe ser acoplado a otro proceso que sí lo sea. Esta labor, como se observa recae en la hidrólisis del ATP, que aporta energía y a su vez se desordena al hidrolizarse. El proceso aquí descrito, es siempre posible mientras se disipe una parte de la energía del ATP al entorno, de esta manera es posible que se mantenga lejos del equilibrio termodinámico.

MACROMOLÉCULA


342

Por otro lado, la macromolécula de Glicógeno sola, fuera del contexto de la síntesis tiende a degradarse, a liberar energía o bien equilibrar su energía con la del entorno. Este proceso puede ocurrir mediante su hidrólisis que la puede llevar a su descomposición total en sus unidades de Glucosa. En resumen, para mantener a la macromolécula con un determinado tamaño y orden. Se debe contar con un aporte continuo de energía en la forma de ATP y otro de materia prima como es la Glucosa. En caso contrario la energía acumulada en la macromolécula de Glicógeno se disipará hacia el entorno, dejando subproductos desordenados y de menor tamaño.

Otro ejemplo biológico a considerar es la compleja estructura de las bicapas de fosfolípidos que forman membranas cerradas alrededor del citoplasma, núcleo y organelos (Fig 7- 7). Estas membranas cuentan con una particular disposición, que se puede entender como ordenada y repetitiva. El extremo polar de cada molécula se halla en contacto con el agua mientras que el otro extremo, el apolar se oculta de esta. Como sabemos esta particular disposición, se debe a que los residuos alquílicos de los fosfolípidos no son capaces de interaccionar con un dipolo débil como es el agua y a la vez restringen la capacidad de las moléculas de agua para moverse en todas las direcciones coartando su libertad de desplazamiento. En otras palabras, el agua pierde su fluidez. Por consiguiente, la única manera de que el agua recupere su estado de libertad y desorden, es agrupando a los fosfolípidos de la manera que presenten la menor superficie dirigida hacia el agua. De esta forma las moléculas de agua ganan en desorden y las moléculas de fosfolípidos ganan en orden, generando un sistema acoplado que a su vez libera cierta cantidad de energía hacia el entorno para que el proceso sea favorable.

Fig 6 - 7. Las moléculas se sintetizan y permanecen en estado estable y luego se degradan

MOLÉCULA MÁS COMPLEJA EN EQUILIBRIO DE ESTADO ESTABLE Y LEJOS DEL

EQUILIBRIO TERMODINÁMICO

MOLÉCULA MENOS

COMPLEJA

DESORDENE N E R G I A

ORDEN

ORDEN DESORDEN

ENERGÍA BASAL EN EQUILIBRIO TERMODINÁMICO

CON EL ENTORNO

ATP

ADP + P H2O


343

Fig 7 - 7. Formación de una estructura ordenada en micela o bicapa mientras las moléculas de

agua ganan en desorden o el agua se hace más fluida. Volver al inicio 5) REACCIONES ENDERGÓNICAS Y EXERGÓNICAS EN EL METABOLISMO INTERMEDIARIO Las constantes de equilibrio de las reacciones bioquímicas y las energías que estas toman o entregan al medio se han medido siempre, en sistemas aislados en condiciones estándar (pH 7, Temperatura de 25º C, Presión 1 atm), donde se conserva la materia y la energía. En este enfoque, se tratará de hacer una aproximación a la forma real en que ocurren los procesos bioquímicos en un sistema abierto, sin pretender alcanzar la explicación total de estos procesos en la realidad. La ecuación que relaciona la tendencia real ( ΔG ) de un sistema que puede ser exergónico, en equilibrio o endergónico con la tendencia natural ( ΔGº ) dada por la constante equilibrio, junto a la otra tendencia ( 2,3 R T log P/S ) dada por las concentraciones reales de sustrato ( S ) y producto ( P ) de la misma reacción, cuando esta es parte de una vía metabólica, se encuentra dada por la ecuación general: P ΔG = ΔGº + 2,3 R T log --- ( 1 ) S P ΔGº´ = - 2,3 R T log Keq ( 2 ) ; Keq = ---- ( 3 ) S En la ecuación 2, cuando la concentración de Sustrato S es igual a la de Producto P, se tiene que la Keq es igual a 1 y que ΔGº´ es igual a 0. la reacción se encuentra en equilibrio termodinámico. Se dirige tanto de derecha a izquierda como de izquierda a derecha. Se la puede desplazar a uno y otro lado solamente si pertenece a una cadena de reacciones donde S y P son sustratos o productos de otras reacciones y cada una de ellas influirá en la que se ha considerado. A continuación se explicarán estos conceptos.

MOLÉCULAS DE AGUA EN DESORDEN O EN FORMA MÁS FLUIDA

MOLÉCULAS DE FOSFOLÍPIDOS EN ORDEN EN BICAPAS O MICELAS

MOLÉCULAS DE AGUA EN ORDEN O MENOS FLUIDO

MOLECULAS DE FOSFOLÍPIDOS SEPARADOS O EN DESORDEN

+


344

El valor de ΔG0' indicará la tendencia natural de la reacción. De esta manera cuando obtenemos un valor ΔG con signo negativo significa que la reacción llega al equilibrio con más producto que sustrato. Esta reacción es denominada Exergónica o termodinámicamente favorable y cuando se obtiene un valor ΔG con signo positivo llegará al equilibrio termodinámico con más sustrato que producto. En este caso será denominada Endergónica o termodinámicamente desfavorable. Cuando una reacción alcanza su equilibrio químico, no necesariamente debe estar en una relación P/S = 1, sino que puede alcanzar distintas proporciones mayores o menores de 1. En este momento se dice que el sistema ya no progresa más es decir, se encuentra estable. Este sistema pudo efectuar trabajo en su camino hacia la estabilidad o hacia el equilibrio y una vez alcanzado este, no toma ni entrega energía. El equilibrio termodinámico se diferencia del equilibrio de estado estable en que este último es dinámico o capaz de continuar por medio de otras reacciones que aporten continuamente sustrato y a la vez remuevan producto de la reacción sacándola del equilibrio con el entorno o el equilibrio termodinámico. A continuación se pueden observar algunos ejemplos de reacciones individuales que alcanzan su equilibrio termodinámico:

CASO 1 Condición inicial a tiempo 0: S-------------->P 100mM 0mM Condición final a tiempo indefinido: S--------------->P 50mM 50mM Cuando se llegó al equilibrio, la relación entre substrato y producto alcanzó la proporción 50/50. En este caso cuando la Keq = 1, ΔGº´ es también = 0.

CASO 2 Condición inicial a tiempo 0: S--------------->P 100mM 0mM Condición final a tiempo indefinido: S--------------->P 20mM 80mM En este caso al alcanzar el equilibrio la Keq = 80/20 = 4 o bien ΔGº´ = - 1357 log 4 = - 817 cal/mol y es exergónica. En general se dice que una reacción química es Exergónica cuando libera energía, la Keq es > 1 y ocurre desde una molécula de alta a una de baja energía o bien de una molécula estructuralmente compleja a varias otras moléculas


345

estructuralmente simples o más oxidadas. La reacción procede aquí de izquierda a derecha.

CASO 3. Condición inicial a tiempo 0: S-------------->P 100mM 0mM Condición final a tiempo indefinido: S-------------->P 80mM 20mM La constante de equilibrio Keq = 20/80=0.16, lo que entrega un valor de: ΔGº´ = - 1357 log 0.16 = + 1080 cal/mol con signo positivo. Se dice aquí, que una reacción química es Endergónica cuando toma energía del medio y para que ocurra se le debe suministrar energía. Esto sucede cuando la Keq es < 1 y la reacción procede desde moléculas simples u oxidadas a una molécula reducida, compleja y de alta energía o una molécula con varios grupos fosfatos en su estructura. ¿Cómo es posible empujar una reacción Endergónica? Durante el metabolismo intermediario el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente, por lo que las concentraciones no se mantienen constantes y las energías finales de una vía metabólica son la suma algebraica de las reacciones parciales acopladas con signo negativo o positivo. Por lo tanto si acoplamos una reacción Exergónica con una Endergónica es posible que esta última ocurra, ya que la energía que necesita la tomará de la primera siempre y cuando exista una cantidad extra de energía que se entrega al entorno. Si solo toma la justa energía que necesita quedará solo en equilibrio ( ΔGº´ = 0 ) y hacia donde se desplace la reacción dependerá de la cantidad de substrato o producto presente. Si estos son a la vez tomados por otra reacción posterior o aportados por una reacción previa, este par de reacciones tomará el mismo sentido en que se aporte sustrato o se remueva el producto. Al analizar el caso de una reacción que se encuentra en medio de una vía metabólica donde el sustrato es el producto de la reacción anterior y a su vez el producto es el sustrato de la reacción que la precede. Es posible concluir que puede variar en uno u otro sentido de manera independiente a las tendencias individuales de la reacción central. La energía no solo dependerá de la concentración de sustratos y productos, sino que también dependerá de la energía que tenga la estructura molecular involucrada como sustrato o como producto. En la Tabla 1- 7 se puede ilustrar cuando una reacción esta lejos del equilibrio y en que sentido puede proceder, basándose en la ecuación general: ΔG = - 2.3 R T Log Keq + 2.3 R T Log P/S si ΔG0' = - 2.3 R T Log Keq TABLA 1 - 7


346

ΔG ΔG0' Log Keq Keq 2.3 R T Log P/S Log P/S P S

a) - 4071 -1357 1 10 - 2714 -2 1 100 b) - 2714 - 1357 1 10 - 1357 - 1 1 10 c) - 1357 - 1357 1 10 0 0 5,5 5,5 d) - 0 - 1357 1 10 + 1357 1 10 1 e) + 1357 - 1357 1 10 + 2714 2 100 1 f) + 4071 + 1357 -1 0,1 + 2714 2 100 1 g) + 2714 + 1357 -1 0,1 + 1357 1 10 1 h) + 1357 + 1357 -1 0,1 0 0 5,5 5,5 i) 0 + 1357 -1 0,1 - 1357 - 1 10 100 j) - 1357 + 1357 -1 0,1 - 2714 - 2 1 100 Esta ecuación explica el caso en que S y P, son intermediarios de otras reacciones y su concentración puede variar independientemente a la Keq de la reacción para S y P: A<---->B<---->[S]<---->[P]<---->C<---->D En el caso descrito en la Tabla 1- 7 a), la Keq es de un valor de 10, lo que significa que la reacción será exergónica con -1357 cal/mol y más aún en condiciones reales en que por aporte de B en la cadena de reacciones la concentración del sustrato S pase a ser 100 veces mayor que la del producto P que pasa a C. La reacción S---->P se hace más exergónica aún, dando un total de - 4071 cal/mol. En el caso c), la tendencia natural de la reacción dada por su Keq y su ΔGo´ , la mantiene exergónica aunque la concentración real de S y P es igual a 5,5 / 5,5 debido al efecto de B y C. En este caso no hay contribución ninguna por la variación de la concentración de S y P en la vía metabólica y la reacción central permanece exergónica. En el caso d), la ΔG final de la reacción es de 0 o bien se encuentra en equilibrio, ya que su tendencia natural a ser exergónica es balanceada por la distribución de S y P debido a la contribución aportada por B y C. Finalmente en e) la reacción se torna endergónica por la gran acumulación de P = 100. En los casos desde f), en adelante la reacción es endergónica en su tendencia natural debido a su baja Keq, sin embargo a medida que las concentraciones reales aportan S y remueven P por el efecto de B y C, ocurre que en los casos sucesivos g y h, se hace menos endergónica y más exergónica para llegar al caso i donde esta en equilibrio, para finalmente llegar a j, donde se torna nuevamente exergónica. En la siguiente figura se puede observar un gráfico de energía libre de la reacción versus logaritmo de la relación P/S.


347

Fig 8 – 7. Gráfico ΔG versus log P/S.

En este gráfico se puede emular una recta similar a la ecuación y = m x + n, donde m es la pendiente igual a 2,3 RT y n es el intercepto igual a – 2,3 RT log Keq o ΔGº´. Entonces se puede graficar ΔG que pasa a ser la variable Y junto a la variable X que pasa a ser la relación log P/ S. ( P ) ΔG = ± ΔGº´ + 2,3 RT log ---------- Y = n (intercepto) + m (pendiente) X ( S ) Se observa que ambas reacciones con distinta constante de equilibrio pueden pasar de exergónicas al equilibrio con ΔG =0 y posteriormente a endergónicas a medida que el producto se acumula y no sea removido. Volver al inicio

6) CARACTERISTICAS DEL CATABOLISMO.

-2 -1 0 1 2 log (P)/(S)

Δ G + 4071 + 2714 + 1357 - 1357 - 2714 - 4071

Keq = 0,1

Keq = 10


348

La secuencia de reacciones destinadas a la producción de energía parte con reacciones de activación de las respectivas moléculas que se pretenden degradar u oxidar. De esta manera hay que gastar algo de la energía para llevar las moléculas de sustrato a un nivel más elevado, donde sean susceptibles de sucesivas modificaciones químicas que liberen la energía contenida en sus interacciones internas. Para degradar Glucosa, Ácidos Grasos o Aminoácidos y obtener ATP, hay que llevar estas moléculas a un estado de inestabilidad estructural mediante la excitación de la molécula. Debemos incrementar su estado vibracional o aumentar su densidad electrónica, para luego romperla en moléculas más pequeñas que entreguen más energía que la originalmente gastada en destabilizar la molécula original. Por otro lado, para continuar con este proceso se debe producir más energía que la necesaria para impulsar las reacciones desfavorables, como lo son aquellas reacciones de síntesis de macromoléculas, contrarias a la degradación. Las reacciones de síntesis no son termodinámicamente factibles o espontáneas y son del tipo endergónico. Más aún parte de la energía producida en la degradación se debe disipar al entorno para así aumentar la entropía y hacer que todo este sistema sea factible. Esto significa que siempre existirá un equilibrio dinámico entre degradación y síntesis, con algo de energía perdida hacia el medio externo como es el calor, para que un proceso sea termodinámicamente favorable. El catabolismo se puede comparar con el desorden, la oxidación o la degradación de las moléculas para producir energía.

El catabolismo se puede estudiar analizando lo que sucede al degradarse la molécula de Glucosa (Ver Capítulo 7). El primer paso consiste en aplicar energía a la molécula para

Fig. 9 - 7. El catabolismo produce suficiente energía química para impulsar a las reacciones no espontáneas del anabolismo más una cantidad extra que debe perderse hacia el medio.

COORDENADADE

REACCIONDEGRADACIÓN DE

MOLÉCULAS: PROCESOS

EXERGÓNICOS

SINTESIS DE MOLÉCULAS:

PROCESOS ENDERGÓNICOS

4

+

Energía de la

Degradación

Energía ocupada

en la Activación

Energía ocupada

en la Síntesis

Energía disipada al

Entorno

= + +

Energía disipada

al Entorno

Energía ocupada

en la Síntesis

Energía

de Activa-

ió

Molécula Activada

ATP

, , : Unidades de moléculas biológicas

Energía adqui-

rida en la Dieta


349

destabilizarla y este proceso será eficiente siempre que la energía aplicada sea menor que la extraída. La Glucosa puede ser llevada a remontar la barrera de energía para hacerla más inestable y liberar parte de su energía mediante las siguientes modificaciones que se enlistan a continuación: a) Transformar su anillo de seis miembros en uno de cinco. (La nube electrónica se encuentra de esta manera forzada a contener los mismos electrones

en un menor espacio). b) Adición de grupos cargados en zonas opuestas de la molécula. (Al tener similar carga estos grupos se repelerán unos a otros introduciendo estrés estructural.) c) Llevar la molécula de la forma silla (relajada) a la forma bote (comprimida). De esta

manera las nubes electrónicas se encuentran más próximas. d) En el caso de la oxidación de otras moléculas como los ácidos grasos se recurre a la

activación con CoASH y ATP para excitar los orbitales. Todo este manejo se emplea para el cebado de la Glucosa y se realiza mediante reordenamientos estructurales catalizados por varias enzimas en reacciones parciales no espontáneas que necesitan de ATP para ser termodinámicamente favorables. Por otro lado, es necesario reafirmar que el hecho de que se empleen enzimas no garantiza que una reacción suceda en una dirección u otra, solo garantiza la velocidad con que tomará una u otro dirección. Las enzimas no impulsan a las reacciones desfavorables o favorables, solo las hacen más rápidas y se demoran menos en alcanzar el equilibrio. Volver al inicio

7) CARACTERISTICAS DEL ANABOLISMO. Para crear una molécula durante el anabolismo, es necesario entregar energía. Cada una de las unidades que componen una estructura compleja se debe agregar aportando energía no solo a la estructura, sino que a la reacción misma para que esta sea posible. En el fondo las estructuras químicas no son más que una representación material de una fracción de la energía empleada en su síntesis. Cada molécula que se adiciona a una macromolécula durante la síntesis, debe traer consigo algo de energía extra. No solo para poder integrarse a un sistema más complejo como el de la macromolécula, sino que para hacer su integración termodinámicamente favorable. Esta energía también puede ser aportada por el ATP. Como a esta altura se domina el concepto de catabolismo y anabolismo, es necesario pasar a explicar como se relacionan ambos mediante el equilibrio de estado estable. De esta manera es posible mantener una integridad estructural capaz de efectuar trabajo como ocurre con el metabolismo intermediario. Para graficar el significado de este concepto podemos recurrir a la siguiente analogía. Si disponemos de tres recipientes a distintas alturas donde cae el agua desde el superior al inferior, el recipiente del medio tendrá un nivel o volumen constante, siempre que el flujo de entrada sea igual al de salida. La entrada puede considerarse como anabolismo y la salida como catabolismo y si ambos presentan igual flujo, se mantiene el equilibrio de estado estable. Este ejemplo se puede trasladar a un sistema cerrado donde se sintetizan moléculas nuevas y a la vez se destruyen moléculas de la dieta para obtener energía. Sin embargo, para que ambas series de reacciones ocurran termodinámicamente, es sabido que se debe de perder algo de energía hacia el entorno o al medio circundante. Algunas estructuras se desordenan emitiendo energía al medio y solo parte de ella puede ser atrapada como energía química o ATP y esta puede ser ocupada en


350

la síntesis. La eficiencia no es nunca 100%, por eso la energía liberada durante el catabolismo es mayor que la empleada en los procesos de síntesis (anabolismo). La célula en sí, es un sistema abierto donde parte de la energía pasa al medio externo para permitir que ocurran ciertos procesos internos. Es interesante destacar aquí que los organismos vivientes se encuentran a presión y temperatura constante. Ninguno de ellos lleva a cabo reacciones bioquímicas remontando barreras de energía mediante alta presión, como podría suceder durante la compresión de gases por un pistón en un cilindro o aumentando la energía térmica a voluntad para alcanzar el estado activado en las reacciones moleculares.

Dentro de la naturaleza de los seres vivos y desde el punto de vista macromolecular, se pueden considerar como más eficientes termodinámicamente a los reptiles (Fig 10 -7), ya que no controlan su temperatura interna y deben esperar hasta alcanzar una temperatura óptima. Este proceso ocurre por medio del empleo de la energía radiante externa, con ella suben su temperatura y las enzimas son capaces de adquirir la conformación óptima para catalizar sus reacciones. Al mismo tiempo como no tienen que luchar contra una agitación térmica constante como los mamíferos, sus enzimas toman más débilmente a los sustratos y los sueltan como productos con una mayor facilidad, lo que redunda en una barrera de energía menor para las mismas reacciones comparadas a las de un mamífero (Fig. 10 - 7). Sin embargo, las reacciones bioquímicas poseen las mismas constantes de equilibrio en ambas especies. Por otro lado, las plantas no ingieren moléculas complejas y solo se alimentan de CO2, H2O y sales, pero sintetizan moléculas tanto o más complejas que las de los animales. Por lo tanto en las plantas se debe impulsar una serie de reacciones desfavorables (no espontáneas) con energía de alguna fuente. Esta última es la energía radiante del Sol (Fig. 11 - 7).

Energia

Coordenada de Reaccion

Reptiles

Mamiferos

Barreras de Energia

Fig 10 - 7. Los reptiles son más eficientes que los mamíferos.


351

Fig 11- 7. La energía radiante se transforma en energía química para impulsar las reacciones endergónicas de síntesis más lo que se pierde al entorno. En la planta existe un sistema transductor de energía denominado Cloroplasto. En el ocurren los procesos destinados a almacenar la energía radiante en las estructuras químicas. El sistema biológico dentro del Cloroplasto dispone de electrones de alta energía bombeados por la absorción de la energía radiante. Esta ocurre por medio de varios pigmentos distintos. Posteriormente, los electrones excitados entregan paulatinamente su energía a través de un sistema quimiosmótico destinado a producir moléculas de alta energía como ATP y NADPH. A continuación mediante una serie de reacciones químicas de reducción con NADPH e impulsadas por la energía del ATP, se obtiene finalmente almidón y el crecimiento de complejas estructuras. Durante la noche cuando los Cloroplastos no reciben luz y no pueden actuar como atrapadores y transformadores de energía, el metabolismo procede a degradar las complejas moléculas sintetizadas durante el día en el interior de otros organelos conocidos como Mitocondrias. Estas estructuras se encuentran especializadas en la producción de energía por oxidación con O2 mediante la degradación de moléculas complejas. Durante este proceso se destruye lo que se sintetizó en el día para así obtener ATP, pero ahora en la Mitocondria. Volver al inicio

Energía radiante

ENERGIA RADIANTE

SINTESIS DE NUEVAS MOLÉCULAS

ANABOLISMO

FOTOSINTESIS

ETAPA OSCURAEnergía radiante

empleada en la

síntesis de ATP

ATP NADPH

ETAPA CLARA excitación de electrones del Fotosistema y generación de

gradiente electroquímico

Energía necesaria

para impulsar las reacciones endergónicas

de síntesis CO2, H2O

Glucosa

ENERGIA RADIANTE

ENERGIA QUÍMICA

ENERGIA QUE SE PIERDE

AL ENTORNO

= +


352

8) ENFOQUE ACTUAL DE LA TERMODINÁCA APLICADA A LA EXISTENCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS.

Nuevos enfoques termodinámicos han visualizado la existencia de un equilibrio jerárquico (por rangos) en la organización de los sistemas vivientes. Este equilibrio se desarrolla con una complejidad progresiva, desde una simple molécula hasta un organismo superior e incluso alcanza al medio ambiente donde este organismo prospera, es decir su nicho ecológico. Cada uno de los distintos grados de complejidad, que van desde molécula, estructura supramolecular, organelo, célula, etc., presentan a la vez una componente temporal y espacial. Así las moléculas ocupan un espacio dado y tienen una vida media menor que la estructura o molécula que componen y a su vez cada estructura ocupa otro espacio y tiene a su vez una vida media de menor tiempo, que el organelo al cual pertenecen y así sucesivamente. El grado de organización y compartamentalización de estas agrupaciones de moléculas, se debe a la creación de nuevas estructuras cada vez más estables y complejas unas de otras. Si consideramos la relación que existe entre el DNA y las proteínas. Asumimos que el DNA debe ser estable con una función específica, mientras que las Proteínas muestran una variedad de funciones específicas, que se adaptan y relacionan con el medio. En otras palabras el DNA es en la actualidad, una molécula considerada como sinónimo de orden, información y complejidad, tanto en su función como en la preservación del código genético, mientras que las proteínas podrán ser consideradas como representantes de la complejidad y efectoras de las más diversas funciones. En general, los organismos son coherentes y no se comportan como un motor movido por calor (máquina a vapor, motor de combustión interna, motor diesel, motor Stirling, etc.). Los organismos son sistemas isotérmicos que transfieren la energía desde una estructura compleja a otra desordenada y a la vez el desorden lo transforman en coherencia u orden y complejidad mediante mecanismos acoplados. Es posible observar que un sistema biológico se desordena (ingesta de comida) y libera energía (catabolismo) para que aquel otro sistema acoplado al primero, se ordene (anabolismo) y mantenga su jerarquía estructural tanto en el espacio como en el tiempo. Por otro lado, como se ha vislumbrado a lo largo de este Capítulo, el término de Orden es algo más complicado y en realidad debiera de significar dentro de los seres vivos, el grado de complejidad jerárquica que alcanzan sus estructuras supramoleculares. Una molécula de Glicógeno o una de Celulosa, pueden ser consideradas como ordenadas, pero no complejas mientras que una Proteína sí es compleja, ya que no repite constantemente sus subunidades, sino que están dispuestas siguiendo la información guardada en el DNA. Por ejemplo, un conjunto de letras puede estar desordenado y no significar nada, sin embargo si pertenecen a uno de los muchos idiomas y se agrupan entre sí mediante ciertas reglas gramaticales, dan origen a un significado. Igual cosa sucede con un ácido nucleico, el ordenamiento de un grupo de nucleótidos y posteriormente de los distintos grupos de aminoácidos en una secuencia puede no significar absolutamente nada, respecto a cumplir una función determinada. Una palabra en un idioma significa algo y en otro nada. Por lo tanto, en un principio se pudieron crear innumerables


353

secuencias y combinaciones, mientras no se impusieran las leyes evolutivas que seleccionaron solo determinados significados como beneficiosos para la sobrevivencia de un lenguaje. Este último pasó entonces a ser complejo. Igual cosa pudo haber sucedido con las macromoléculas complejas como las Proteínas y el DNA. (Fig. 12 ). Estas moléculas pasaron desde aminoácidos y nucleótidos a macromoléculas complejas de gran tamaño y fueron capaces de portar información. El Glicógeno es una molécula tan solo ordenada y no compleja, donde una estructura básica se repite constantemente. Una bicapa de Fosfolípidos es otra agrupación de moléculas ordenadas a diferencia del DNA y las Proteínas, donde se encuentra una secuencia compleja de unidades, ya sea de aminoácidos o nucleótidos que portan información. Las moléculas portadoras de información son aquellas que han sobrevivido en el tiempo y han sido seleccionadas mediante cuellos de botella evolutivos. A su vez han reaccionado bajo distintos cambios evolutivos impuestos por las leyes de la herencia y como producto de ello han logrado alcanzar mayores y múltiples grados de complejidad, haciendo aparecer nuevas proteínas mediante procesos que se encuentran en la actualidad siendo investigados por la ciencia de la Proteómica ( ver capítulo XX), etc. Muchas líneas de evolución molecular ocurrieron en paralelo dentro de un determinado periodo de tiempo. De esta manera se unieron desde los nucleótidos innumerables polinucleótidos, para así formar distintas secuencias. Dentro de estas se preservaron y/o tuvieron éxito aquellas macromoléculas que portaban información correspondiente al cumplimiento de una función específica impuesta por el ambiente y que entregaba una ventaja a su portador. Aquellas propiedades que entregan al DNA la capacidad de portar información y a las Proteínas el ser una molécula que puede cumplir una determinada función, pudo ser originada por la delegación de ambas características desde el RNA. Esta última macromolécula puede tener ambas funciones, pero a medias y es posible que se necesitara una división de las funciones o especialización, que hizo viables tanto al DNA como a las Proteínas. Se requirieron por lo tanto distintas presiones selectivas para lograr un tipo determinado de organismo adaptado a su ecosistema. Bajo estas premisas es posible intentar subir un peldaño desde la ecuación anterior: Orden = Desorden + Energía a la forma de: Compleijidad = Información + Orden + Energía El paso de Orden a Complejidad ha sido bastante debatido en la actualidad e incluye nuevos conceptos, como aquel que considera la aparición de los sistemas emergentes como resultado de una serie de situaciones ambientales, que se explicará a continuación. Por ejemplo, en la siguiente figura (fig. 12 – 7) se hace una comparación entre la aparición del lenguaje y la generación de moléculas complejas.


354

Fig. 12 – 7. Evolución de un idioma y el traspaso de información bajo la influencia de las presiones del entorno.

Letras del abecedario a, x, b, z, u v, r , t s, u , w, , m ,o , etc.

agua, water, eau, wässer, aqua, soup, campo, esta,camión, sopa, siente crudo, caliente este, etc.

“Esta sopa

parece agua”

DESORDEN sonidos y letras

al azar

ORDEN Palabras al azar,

pero con significado

en cualquier idioma

COMPLEJIDAD Información

mediante frases con sentido y significado

GLUCOSA, FOSFOLÍPIDOS

GLICÓGENO MICELAS Y BICAPAS

Macromoléculas repetitivas, son comouna palabra que se

PROTEÍNAS Moléculas

especializadas efectoras

de la información

COMPETENCIASISTEMA

EMERGENTE: COMUNICACIÓ

N

un IDIOMA

determinado COOPERACIÓN

COMPETENCIA

DNA moléculas

especializadasque

contienen soloinformación

AMINOÁCIDOS NUCLEÓTIDOS

ÁTOMOS DE C, H, O,

N, S, P

RNA molécula

que contiene

información y es efectora

de la información

a la vez COOPERACIÓN

COMPETENCIA

COOPERACIÓN

Héctor Rocha L. Bioenergetica

355

Los gritos guturales que alguna vez emplearon los primates y otras especies para advertir de ciertas conductas e intenciones a su grupo, frente a la existencia de amenazas, comida o llamados de apareamiento, pasaron por un cuello de botella evolutivo mediante la competencia y cooperación entre los individuos de una misma especie. En el caso de los ancestros humanos, estos redujeron un sonido determinado a una representación gráfica constituida por los ideogramas. Posteriormente, los ideogramas dieron paso a las letras que representaban o describían a este ideograma, en base a una convención de símbolos que a su vez representaban un idioma y permitían una mayor riqueza a la descripción. Las palabras se emplearon entonces para describir una característica o una acción determinada y a medida que pasó el tiempo las exigencias de la comunicación generaron una conexión coherente entre las palabras para así formar frases. Estas últimas pasaron información de un individuo a otro. Sin embargo, existen distintos idiomas y lo que en un idioma determinado o una agrupación de palabras significa algo en base a la convención de símbolos empleados, en otro idioma no significan absolutamente nada. Por lo tanto, los cuellos de botella evolutivos crearon los distintos idiomas y fueron capaces de adicionar información al mensaje transmitido o lograron hacer una diferencia entre las frases coherentes y aquellas que no llevaban significado alguno. De esta manera el entorno fue un forjador de las distintas combinaciones de letras primero y luego de palabras, para lograr constituir un idioma y contribuir al traspaso de la información que entrega nuevas pautas de conducta y ventajas para el individuo informado comparado al desinformado. Lo que distingue a una frase coherente es que un cierto grupo de letras al azar han llegado a simbolizar un significado complejo. De esta manera es posible pasar desde el desorden o azar a la complejidad de un idioma en el traspaso de la información. Un idioma constituye un sistema emergente y ocurre su aparición cuando se desarrollan nuevas estructuras, pautas y propiedades complejas, como resultado de las interacciones del entorno y entre los individuos de una determinada especie como son competencia y cooperación. La aparición de una propiedad emergente no puede ser predicha con anterioridad. Una bandada de pájaros o un cardúmen de peces, se comporta distinto a un individuo e igual cosa un grupo de palabras que constituyen una frase con un cierto significado. Por ejemplo, el mercado de valores es un sistema emergente con un cierto grado de complejidad regulado por la demanda y oferta del petróleo, terrorismo, consumismo, estación del año, etc. Al considerar a las macromoléculas como DNA y Proteínas, dentro de este análisis encontramos que solo el 3 % de todo el DNA humano es informacional o realmente complejo. Gran parte de este cerca del 97% se encuentra formado por repeticiones al azar de distinto tamaño, denominado DNA satélite. El 3 % es estrictamente informacional y codifica al menos para cerca de 30.000 genes. Dentro de los genes, la información más valiosa corresponde a la disposición espacial de los distintos sitios activos de las enzimas, ya que distintas especies cuentan con enzimas con los mismos sitios activos para reacciones similares. A su vez las enzimas son capaces de catalizar determinadas reacciones del metabolismo intermediario cruciales para la sobrevivencia del individuo. Sin embargo, tan solo aquellas secuencias que acompañan a los sitios activos, poseen una mayor variedad y azar entre ellas. Es decir, estas secuencias pueden cambiar en distintas especies considerando el medio interno y externo que cada uno de las distintas especies hace uso, sin generar alteraciones en las vías metabólicas. Mientras que las secuencias cruciales para la disposición del sitio activo en el espacio y los residuos catalíticos mismos,


356

no cambian ya que son los mejores aminoácidos para llevar a cabo una función determinada y se encuentran los mismos aminoácidos seleccionados en distintas especies. Por otro lado, es conocido que existen más proteínas que genes, ya que se cree que alcanzan a un número cercano al millón. Por lo tanto existen mecanismos subyacentes estudiados por la ciencia de la Proteómica, donde se ha observado el empleo de los mismos dominios especializados en distintas proteínas. De esta manera es posible aumentar la variedad con distintas combinaciones de dominios proteicos. Volver al inicio

9) CONCLUSIONES GENERALES. Finalmente, al analizar las reacciones bioquímicas encontramos que se pueden dividir en TRES tipos generales: a) Exergónicas o espontáneas o termodinámicamente favorables, ocurren de izquierda

a derecha cuando el sustrato tiene mayor energía que el producto. Liberan la energía almacenada en la estructura del sustrato hacia el producto.

Su constante de equilibrio es >1. b) Endergónicas o no espontáneas o termodinámicamente desfavorables, cuando

ocurren de derecha a izquierda ya que el sustrato tiene menos energía que el producto. En caso de ocurrir de izquierda a derecha deben tomar energía del medio o de otra reacción. La constante de equilibrio es <1.

c) Aquellas reacciones que se encuentran con la misma probabilidad de izquierda a

derecha que de derecha a izquierda, es decir no toman ni entregan energía y su constante de equilibrio es = 1. Para proceder deben recurrir al aporte constante de sustrato y la remoción de producto en uno u otro sentido.

Volver al inicio


357

10) EL ATP. El ATP es considerado como una molécula intermedia en cuanto a su nivel de energía ya que existen otras moléculas fosforiladas de mayor y menor energía que ella (Fig. 13 - 7). Su principal rol, es el de transportador de energía para procesos biológicos tan variados como la conducción nerviosa, la contracción muscular, la presión osmótica, la

generación de gradientes de concentración, etc. En todos ellos, es el ATP el que suministra energía al perder uno o dos de sus fosfatos. El secreto de su energía está en su estructura, la que se puede comparar a un resorte comprimido que guarda energía potencial y que luego se extiende realizando trabajo. Los grupos fosfatos de su estructura tienen una alta densidad electrónica y menos estructuras resonantes (12) comparadas con las del ADP y Fosfato (18). Las formas hidrolizadas como ADP y P o AMP y PP, pueden acomodar paulatinamente a los electrones, además cada fosfato a pH 7.5 tiene una carga negativa, por lo tanto si la estructura se rompe perdiendo uno o más de sus fosfatos los electrones restantes se acomodan más fácilmente y las cargas negativas se encontrarán en esta nueva situación algo más separadas por lo que los productos de la hidrólisis son mucho más estables. La carga que posee el ATP puede variar con el pH. En medio básico es negativa y todas sus cargas se hallan presentes y es por lo tanto inestable. A mayor pH o basicidad del medio el ATP libera mayor energía. Por el contrario en medio ácido, la molécula de ATP es más estable pues las cargas negativas se encuentran con sus protones y se anulan las cargas negativas.

N

N

N

N

N H2

O

HOHOH

H H

H

C H 2 O PO

OO P

O

OO P

O

OO

M g+ 2

Fig. 13 - 7. El ATP se compleja al Mg+2.


358

Otra razón que favorece la hidrólisis del ATP son los factores entrópicos, lo que significa que el producto de la hidrólisis está representado por un mayor número de moléculas desordenadas que una sola molécula de sustrato. Además, el Fosfato es muy bien hidratado, es decir interacciona favorablemente con el agua siendo cubierto con moléculas que disminuyen su densidad de carga superficial. El ATP se puede hidrolizar de distintas formas liberando energía:

Gº´ ATP ---------------------- ADP + P - 7,3 Kcal/mol ADP---------------------- AMP + P - 8,5 Kcal/mol AMP--------------------- Ad + P - 2,2 Kcal/mol

Los dos primeros Fosfatos se encuentran formando anhídridos de alta energía: En las formas resonantes se observa que ambos Oxígenos con doble enlace sobre y también cuando las formas resonantes producen doble enlace bajo el Fósforo, compiten por los electrones del Oxígeno central, lugar donde la nube electrónica es más débil. El tercer grupo Fosfato , solo tiene una unión ester de baja energía con el grupo – CH2OH de la Ribosa correspondiente a la Adenosina.

ATP ----------------------AMP + PP - 7,7 Kcal/mol PP ---------------------- 2 P - 8,0 Kcal/mol

El ATP no solo es depositario de energía sino que también puede dar origen con su estructura a moléculas traductoras de la comunicación celular, como lo son los segundos mensajeros o también puede activar otras moléculas mediante la unión de su adenilo o adenilación como son algunas vitaminas.

Volver al inicio

O O O ─ O װ + ׀ װ װ O - P – O – P – O O - P = O – P - O ׀ ׀ ׀ ׀ O O O O


359

11) SÍNTESIS DEL ATP

a) Transferencia de Grupos Fosfatos La síntesis del ATP se puede llevar a cabo en los procesos de glicólisis por fosforilación a nivel de sustrato y en la mitocondria mediante el proceso denominado fosforilación oxidativa. Ambos son mecanismos de transferencia de energía y el primero de ellos hace uso de moléculas fosfatadas de alta energía, provenientes de la oxidación anaeróbica de la glucosa. Estas moléculas de alta energía donan su fosfato al ADP mediante una reacción acoplada donde el ión fosfato es traspasado mediante una reacción exergónica a otra endergónica ( ADP + P ---- ATP) para generar ATP. La hidrólisis del ATP en agua a 250C y pH 7 libera -7300 cal/mol y para invertir esta reacción se necesitarían nada menos que cerca de 489,5 moles de ADP y Pi por cada mol de ATP. Esta concentración tan alta no es posible mantenerla en solución. ATP-------------> ADP + P -7300 cal/mol -7300 = - 2.3 R T Log Keq 7300/1357 = Log Keq Keq = ( ADP)( P )/ (ATP) = 239.614,7 Por lo tanto, la única manera de invertir esta reacción es enfrentándola a otra que sea mas exergónica que ella y posea a la vez un ión común a ambas reacciones, como lo es el ion Fosfato. Por ejemplo, en la serie de reacciones que se observa en la Tabla a continuación, todos los compuestos se hidrolizan liberando ion Fosfato. Algunos de ellos son más exergónicos que otros y se encuentran ordenados al azar. Para saber entre qué reacciones se desplazará el Fosfato, se debe tomar en cuenta su energía libre estándar o ΔGº´. TABLA 2

REACCIONES ΔGº´ Kcal/Mol

C - P + H2O → C + P - 3,7

D - P + H2O → D + P + 2,1

M - P + H2O→ M + P 0,0

N - P + H2O → N + P - 5,0

Y - P + H2O → Y + P + 4,2

La más exergónica o inestable de las reacciones de la Tabla anteriores será la que produce o libera 5 Kcal/mol con signo negativo y las más endergónica será la que toma 4,2 Kcal/mol con signo positivo. Entre ellas el ion Fosfato se desplazará de reacción en reacción como se indica en la siguiente figura (Fig. 14- 7).


360

Fig.14 -7. Gráfico de energía versus coodenada de reacción, donde se observa el desplazamiento del Fosfato entre los pares de reacciones acopladas. Se liberaron en total 9,2 Kcal/mol, desde N-P hasta Y-P y se transfirió el grupo fosfato de molécula en molécula por medio de reacciones en pares acoplados desde la reacción más exergónico a la más endergónica. Otro ejemplo más, se puede considerar en la siguiente serie de reacciones, donde algunas de ellas son exergónicas (b, c y d), mientras que otras no son ni lo uno y ni lo otro y se encuentran en equilibrio como la a y la e. La ida principal es observar como se pueden acoplar unas con otras para sintetizar ATP. ΔGº´ a) Succinil - SCoA + Pi ---------------Succinil – Pi + CoASH 0,0 Kcal / mol b) Succinil - P + H2O ---------------- Succinato + Pi - 11,5 Kcal/mol c) GTP + H2O ------------------------------- GDP + P - 7,3 Kcal/mol d) Creatina-P + H2O ---------------------- Creatina + P - 10,5 Kcal/mol e) GTP + ADP ---------------------------- ATP + GDP 0,0 Kcal/mol ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- El intercambio de la Coenzima CoA-SH por Pi ocurre entre dos compuestos de alta energía en la reacción a), que ocurre en el C.T.C. de la Mitocondria. Lo que se gana aquí es el ión común Fosfato (Pi), que puede impulsar las otras reacciones posteriores. El intercambio de energía ocurre en una dirección o en otra ya, que esta reacción posee una Keq = 1. A continuación la reacción b) indica que la hidrólisis del grupo fosfato es

coordenada de reacción

ΔG Kcal/Mol - 6,0 - 5,0 - 4,0 - 3,0 - 2,0 - 1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0

N-P

C-P

D-P

M-P

Y-P

-1,3 Kcal/mol

-3,7 Kcal/mol

-2,1 Kcal/mol

-2,1 Kcal/mol


361

muy exergónica y libera energía al entorno. Por lo tanto parte de ella se puede aprovechar al acoplarla a la reacción c), que al invertirla será endergónica y podrá ser empujada por el ion común Pi. Finalmente una vez generado el GTP, su grupo Fosfato se puede traspasar al ADP en otra reacción con Keq = 1, para formar finalmente ATP. Al agrupar las reacciones desde la más exergónica hasta la más endergónica tenemos que: ΔGº´ a) Succinil-SCoA + Pi -----------------Succinil – Pi + CoASH 0,0 Kcal /mol b) Succinil – P + H2O -------------------- Succinato + Pi - 11,5 Kcal/mol c) GDP + P ------------------------------- GTP + H2O + 7,3 Kcal/mol e) GTP + ADP ----------------------------- ATP + GDP 0,0 Kcal/mol ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Succinil-SCoA + Pi + ADP---------- Succinato + ATP + CoASH - 4,2 Kcal/ mol Finalmente, se observa que la energía mantenida por la unión de la CoASH al Succinilo es liberada para acoplar el ion Fosfato al ADP y formar ATP. La reacción que ocurre en el CTC y forma Succinil-SCoA es también parecida a la formación de Acetil-SCoA. En ambos casos se forman Tioésteres o uniones entre grupos Tioles (-SH) y Grupos Carboxilos (-COOH) en la forma R- CO – S – R´ . Estas uniones son de alta energía debido a la disminución de la capacidad de resonancia entre el Carbono y el Azufre. De esta manera se eleva el nivel de energía en compuestos con cadenas alquílicas, para su posterior oxidación como ocurre con los ácidos grasos o bien para activar moléculas cortas (Acetil-SCoA, Cuerpos cetónicos) para su unión a otras moléculas, como el Oxaloacetato y la formación de Citrato, primera reacción del C.T.C. Otra combinación de reacciones similar a la anterior, ocurre cuando se dona un Fosfato de alta energía al ADP en el músculo para generar ATP. La unión N-P en la Creatina es de alta energía ya que el grupo Fosfato limita las formas resonantes de la Creatina individual: ΔGº´ d) Creatina-P + H2O ---------------------- Creatina + P - 10,5 Kcal/mol c) GDP + P ---------------------------------GTP + H2O + 7,3 Kcal/mol e) GTP + ADP ----------------------------- ATP + GDP 0,0 Kcal/mol ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Creatina-P + ADP ------------------------- Creatina + ATP - 3,2 Kcal/mol En ambos casos anteriores, se observa que la reacción menos exergónica se invierte y se acopla a la más exergónica, mientras que el grupo Fosfato (Pi) actúa como ión común. A la vez, en la reacción acoplada final se libera energía al entorno para satisfacer la segunda ley de la termodinámica. Después de las descripciones anteriores, es posible entender como se vuelve a restaurar un grupo Fosfato en el ADP mediante el empleo de reacciones acopladas. En el proceso Glicolítico, durante la degradación de la Glucosa aquellas reacciones que se encuentran dedicadas a este propósito, emplean como moléculas dadoras de Fosfato al 1,3-Difosfoglicerato y al Fosfoenol-Piruvato (Fig. 15 - 7). Ambas moléculas son de alta energía, ya que están constituidas por un anhídrido y un éster fosfato respectivamente. La energía estructural la han adquirido por oxidación parcial de la Glucosa y sucesivos reordenamientos moleculares (Ver Capítulo 8). El 1,3-Difosfoglicerato es un anhídrido y al hidrolizarse libera 11,8 Kcal/mol mientras que el éster Fosfoenol-Piruvato libera 14,8 Kcal/mol. Ambas moléculas tienen uniones con electrones deslocalizados y cargas negativas que las hacen propensas a su hidrólisis con


362

gran liberación de energía y la formación de productos con un número mayor de formas resonantes y altamente solubles en agua e hidratables cómo el ion Fosfato mismo. El Fosfoenol-Piruvato presenta tautomería entre una forma Enol y otra forma Ceto. La forma Enol es 10 a 12 Kcal/mol menos estable que la forma Ceto y la adopta principalmente con la unión del grupo Fosfato, una vez eliminado el Fosfato pasa a la forma Ceto de baja energía. Volver al

inicio b) TRANSFERENCIA DE PROTONES Y ELECTRONES

Fig. 15 - 7. El ADP toma energía en forma acoplada a la defosforilación del 1,3-Difosfo-Glicerato y el Fosfo-Enolpiruvato.

OH O װ ׀ CH2= C - COOH CH3 - C - COOH Enol (Menos estable) Ceto (Más estable)

C O

O P O

O

O C

C

HO H

H O P O

O O

A D P

C

O

O

C

C

HOH

H O PO

OO

A T P

+ +

C

O

O

C

C H2

2

P O

O O

O A D P+

A T P

C

O

O

C

CH3

O +

3 -Fosfo-Glicerato

Fosfo - Enol -Piruvato Piruvato

1, 3 - Difosfo - Glicerato

- 11,8

- 14 ,8

+ 7 ,3

+ 7 ,3

- 4 ,5

- 5 ,8 ΔGº´

Kcal/mol

Kcal/mol

Fosforilación a nivel de Sustrato

ΔGº´

ÉSTER FOSFATADO

ANHÍDRIDO FOSFATADO


363

Otra forma de extraer energía como ATP, es apelar a la capacidad de algunas moléculas para reducirse u oxidarse reversiblemente, es decir para tomar y donar protones y electrones. Estas moléculas constituyen pares, ya que coexisten parte oxidadas y parte reducidas. Estos pares se denominan Redox y consecuentemente tienen una Constante de Equilibrio, hacia la cual migran en distinta proporción, estando finalmente una parte de ellos más “cómodos” en la forma reducida, mientras que otra parte se encontrará más “cómoda” en la forma oxidada. En el equilibrio, un porcentaje de las moléculas se encontrará finalmente reducido y otro porcentaje oxidado, incluso habrán algunos pares en que el 50% se encuentre oxidado y el otro 50% se encontrará reducido con una Keq = 1 o un Potencial Redox igual a 0. De esta manera una serie de compuestos pueden formar Pares Redox o moléculas que pueden coexistir, ya sea tanto oxidadas como reducidas al donar o tomar reversiblemente protones y electrones. Como ejemplo tenemos a los pares A/AH2 (+0,50 volt, electropositivo) y X/XH2 (-0,30 volt, electronegativo) que aparecen en la Tabla 3. Es posible medir la tendencia para donar u aceptar protones y electrones mientras se dirigen al equilibrio a través de un sistema formado por dos celdas (Fig. 16 – 7), donde se hacen circular los electrones al aplicar una determinada diferencia de potencial o voltaje. Por convención, la diferencia de potencial con valor de 0 es atribuido al par estándar del Hidrógeno en sus formas 2H +/ H2. El resto de los otros pares se le atribuye por convención un potencial negativo si tienden a dar electrones y protones y positivo cuando tiendan a atrapar electrones y protones. Al atrapar electrones se dificulta el flujo de estos para cerrar el circuito y cuando el par tiende a entregar se facilita el flujo de electrones y se completa el circuito. El puente salino entre ambas celdas (tubo con solución saturada de sal), es para mantener la electroneutralidad a ambos lados, mediante paso de iones positivos y negativos en una u otra dirección. En la siguiente Tabla aparece un grupo de compuestos ordenados al azar donde se entrega su Potencial Redox (εº´) Estándar:

TABLA 3

Potenciales Redox εº´ Volt

A + 2 H+ + 2 ē → AH2 + 0,50

X + 2 H+ + 2 ē → XH2 - 0,30

U + 2 H+ + 2 ē → UH2 + 0,45

W + 2 H+ + 2 ē → WH2 + 0,65

Z + 2 H+ + 2 ē → ZH2 - 0,10


364

Fig. 16 - 7. Los electrones recorren el circuito y participan con mayor o menor

facilidad de la reacción de reducción u oxidación. Este es el efecto que se mide en el Voltímetro.

Por convención el par con Potencial Redox más negativo (X/XH2 = X + 2H + 2 ē ---- H2 = - 0,30 volt), será el que tienda a dar electrones cuando se invierta la forma en que se encuentra actualmente expresado, que es de oxidado a reducid. Pasando a expresar ahora su tendencia natural, la que en realidad es de reducido a oxidado (XH2-----X + 2H + 2 ē) al entregar electrones, mientras que su Potencial Redox ( εº´) tendrá un valor positivo de + 0,30 Volt: εº´

XH2 → X + 2 H+ + 2 ē + 0,30 Volt

Z + 2 H+ + 2 ē → ZH2 - 0,10 Volt -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

XH2 + Z → ZH2 + X + 0,20 Volt

ΔGº´ = - n Z Δεº´= - 2 x 23000 x (+ 0,20) ΔGº´ = - 9200 cal/mol Sí calculamos la Keq de la reacción mediante la ecuación: - 9200 = - 2,3 RT log Keq, será de aproximadamente 5 x 10 6. Esto indica que se encuentra desplazada hacia la formación de producto ZH2. El valor de - 9200 cal/mol, significa que la reacción de oxidación de X y reducción de Z es exergónica. La energía así liberada se puede disipar como calor al entorno o bien ser atrapada en parte en la forma de un gradiente de concentración y carga o más aún como energía química en una molécula de ATP. Al ordenar todos los pares de la tabla anterior tenemos en la figura 17, una cadena de Transporte de Electrones y Protones. Los electrones fluyen desde el par XH2/X al par al final de la cadena de transporte de electrones WH2/W. Algunas de las reacciones de transferencia de electrones son muy exergónicas como de ZH2 a U, donde se liberan 25,3 Kcal/mol, mientras que otras solo liberan una fracción de esta energía, como la hace el par UH2 hacia AH2. Los electrones “parecen” fluir desde el par con un valor Redox más electronegativo de - 0,50 a + 0,50 volt.

ē

ē

voltímetroē

iones + y -ē

ēA + 2 ē + 2H+→ AH2

batería


365

Fig 17-7. Gráfico de Energía libre y Potencial Redox versus coordenada de reacción. Se indica como proceden los electrones en una cadena de reacciones. Sin embargo, el par XH2/X se encuentra más relajado o se encuentra más desplazado hacia el equilibrio o en otras palabras, es más estable en la forma oxidada X que en la forma reducida XH2, por lo tanto entrega electrones y protones. Mientras que el último par WH2/ W, adquiere mayor estabilidad desplazándose a la forma reducida WH2. Luego, los electrones se desplazan siempre desde el par que se encuentra más estable en la forma oxidada que por convención tiene un Potencial Redox de -0,30 volt o electronegativo al par que se encuentra más estable en la forma reducida y con Potencial Redox de +0,65volt o electronegativo. De la misma forma que el sistema anterior, ocurre la Cadena de Transporte de Electrones en la Mitocondria. Esta cadena de reacciones se abastece de moléculas de alta energía previamente reducidas (Coenzimas NADH y FADH2), que se producen durante la oxidación de los sustratos metabólicos. Posteriormente hace que estas Coenzimas trasfieran sus protones y electrones desde el par con un Potencial Redox más electronegativo al par más electropositivo, por supuesto que con la misma salvedad empleada en la cadena dada anteriormente como ejemplo ( NAD/NADH -0,32 volt; FAD/2FADH2 -0,22 volt; CoQ 0,04; ½ O2 +2H+ +0,82). De esta manera la energía química se libera etapa por etapa, para formar un gradiente de concentración y carga a ambos lados de la membrana interna en la Mitocondria. Una vez formado este gradiente, se acopla a la síntesis de ATP.

coordenada de reacción

ΔG Kcal/Mol

30 20 10. 0 10 20

XH2

ZH2

AH2

UH2

WH2

- 9,2 Kcal/mol

-25,3 Kcal/mol

-2,3 Kcal/mol

-6,9 Kcal/mol

ΔEº´Volt -0,50 - 0 ,40 - 0,30 - 0,20 - 0,10. 0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50


366

La Niacina o Niacinamida Adenina Dinucleótido. tiene un anillo que puede participar en las reacciones de Oxido-Reducción. Puede remover dos protones de otra molécula y uno de ellos permanece en el anillo de Niacinamida y el otro en solución.

La energía total liberada la Cadena de Transporte de Electrones, que incluye al par redox inicial y final se puede calcular mediante su potencial de oxido-reducción, que es de - 0,32 volt para NAD/NADH+ H y de +0,82 volt para el par 2H+ /H2O:

εº´ NADH + H + 2e ----------------------------- NAD + 0,32 volt ½ O2 + 2H + 2e ----------------------------- H2O + 0,82 volt

-------------------------------------------------------------------------------------- NADH + H + ½ O2 ----------------- NAD + H2O + 1,14 volt

Gº´ = - n F Δεº´ = 2 x 23000 cal/mol volt x (+ 1,14 volt) = 52000 cal /mol

C H 2

O P

O

O P

O

O

H

O

H O

N

N

N

N

N H

C

CC

C

2O

O

O HH O

O C H 2

H

H

H

NC

CC

C

C

H

+

CO

N H 2H

H H

H H

H H

O P

O

O

HHO

OH

NADP

NAD Niacinamidadenindinucleótido

Niacinamidadenindinucleótido Fosfato

NIACINAMIDA

FOSFATO

FOSFATO RIBOSA

RIBOSA

BASE NITROGENADA

o

AL ADICIONAR FOSFATOAL 2' OH

PARTE ACTIVA DE LA MOLÉCULA

Fig. 18 - 7. Coenzimas NAD y NADP.


367

Fig. 19 – 7. Transferencia de electrones y protones desde el sustrato a la Coenzima NAD. Cerca del 17% de las enzimas existentes emplean NAD o NADP. El Hidrógeno que reduce al anillo entra como un Hidruro ( H - ), mientras que el otro queda como ión Hidrógeno en solución. Los electrones son atraídos por el Nitrógeno positivo del anillo de la Piridina. Esta energía se emplea en crear un gradiente de protones a ambos lados de la membrana con un pH de aproximadamente 6 para el espacio intermembrana y de 7 para la matriz mitocondrial que aplicado a la ecuación de Nernst, dará el Potencial de reposo o Џ:

ЏN = 2,3 R T Δ pH / Z F (1) Por otro lado también se debe considerar la permeabilidad de cada uno de los múltiples iones existentes a ambos lados de la membrana y este otro potencial, se encontrará dado por la Ecuación de Goldmann que considera el grado de permeabilidad. Si este es máximo se convierte en la Ecuación de Nernst como ocurre para el ion H+: [Σ Permeabilidad ( Iones + ) afuera + Σ Permeabilidad (iones- ) adentro ] 2,3 RT Log -------------------------------------------------------------------------------------------------- [Σ Permeabilidad ( Iones + ) adentro + Σ Permeabilidad (iones - ) afuera ] ЏG=----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- (2) z F Posteriormente, tenemos que al juntar las ecuaciones (1) y (2), el gradiente electroquímico dependerá de: Gradiente = Potencial de membrana dependiente ─ Potencial del gradiente electroquímico de la permeabilidad de cada ión de pH, dependiente de la dado por la Ecuación de Goldmann Ecuación de Nernst En los organelos especializados de la Mitocondria y Cloroplasto se produce ATP a expensas de un gradiente quimiosmótico que se genera por la cadena de transporte de electrones. Este gradiente cuenta con una alta concentración de protones a un lado de la membrana y una baja en el otro lado, junto a éste se produce un gradiente de carga de forma opuesta. La Cadena de Transporte de Electrones es un proceso exergónico que libera energía y que se emplea a su vez acoplado a este último sistema para capturar la energía producida por dicho gradiente por medio del Complejo V o ATP sintasa. Lo que resta de esta energía se pierde como energía calórica (Ver Capítulo 12).

H

H

H

H R

C C

H O

N

HH

R

N H

C R

H

C R

C NH2 C NH2

O

R R + + + H++

SUST. RED. NAD OXIDADADO NAD REDUCIDO + SUST OXID. + PROTÓN LIBRE


368

Fig. 20 – 7. La energía del gradiente de concentración y carga se transforma en energía química contenida en el ATP El total del sistema se asemeja a una planta Hidroeléctrica, donde se acumula el agua en un lago y luego se la libera cuesta abajo (gradiente) para que mueva los turbogeneradores. Estos últimos convierten la energía hidráulica en mecánica y esta última en eléctrica. En el caso de la mitocondria y el cloroplasto, el gradiente de protones y electrones sería el desnivel de agua y los turbogeneradores estarían representados por un canal iónico asociado a una enzima. Esta enzima es conocida por denominarse como la FOligomicina - F1 ATPasa (FoF1ATPasa) o mejor conocida como ATP sintasa. Este canal iónico tiene por objeto dejar pasar los protones y aprovechar la energía que se desprende de ello para ejecutar cambios conformacionales que permitan la síntesis del ATP (Fig 19 - 7). En realidad el proceso ocurre continuamente en estado estable es decir, se forma el gradiente y continuamente se colapsa produciendo ATP. Sin alcanzar nunca el equilibrio termodinámico o equilibrio que se produce cuando se agota el gradiente y no se sintetiza más ATP. En este Capítulo se han dado algunas de las reglas por las que se rige el metabolismo intermediario destinado a la producción y empleo de la energía tanto en su propio beneficio como para llevar a cabo alguna función dentro de la Naturaleza. A su vez los organismos se encuentran sometidos constantemente a las fuerzas entrópicas o del desorden, tanto a nivel de sus proteínas como en la información almacenada en los ácidos nucleicos. Por lo tanto, parte de su sobrevivencia dependerá de la vigilancia y reparación de los daños que paulatinamente lo alejan del estado estable, para hacerlo entrar finalmente en equilibrio termodinámico, es decir cuando fallezca y tenga el mismo nivel energético que el ambiente que lo rodea. Volver al inicio

H+

H+

H+

H+

H+

H+H+

H

HHH+++

H+Espacio

intermembrana

Matriz

mitocondrial

pH = 7,0pH = 6,0

Fo F1 ATP asa

El gradiente de protones tratade alcanzar la electroneutralidadal pasar por la Fo F1 ATP asa

ADP

ATP

Pi

La energía del gradiente deconcentración y carga seemplea para sintetizar ATP

Fosforilación del tipo Oxidativa


369

12) GLOSARIO Entorno: Es el medio que rodea a un proceso termodinámico. Proceso: Intercambio de energía entre un elemento y otro. Sistema aislado: No intercambia materia ni energía con el entorno. Sistema cerrado: Es aquel que no intercambia energía con el entorno. Sistema abierto: Intercambia materia y energía con el entorno Equilibrio Termodinámico: Cuando una reacción o proceso ocurre en la dirección en que

agota su energía para quedar con la misma que tiene el entorno.

Termodinámica lejos del equilibrio: Flujo de energía y materia de forma no lineal o predecible lejos del equilibrio. Sistema viviente. Entropía: Medida del desorden de un sistema Orden: Se puede crear espontáneamente según Darwin, en

respuesta a fuerzas externas o del entorno como la evolución Equilibrio de Estado Estable: Es un equilibrio dinámico en que la velocidad de síntesis de un

compuesto es igual a su velocidad de degradación manteniendo un determinado nivel de energía potencial. Sin entrar en equilibrio con el entorno.

Reacción Exergónica: Libera energía hacia el entorno o hacia otras reacciones a

presión y temperatura constantes. Reacción Endergónica: Toma energía del entorno o de otras reacciones en

condiciones de presión y temperatura constante.

Sistema emergente: Es aquel que surge debido a las influencias del entorno. Por ejemplo la aparición de orden y complejidad pudiera ser en forma espontánea. Si se deja un sistema en manos del entorno como un trozo de arcilla en una corriente de agua la forma final emergerá por la acción del flujo del agua sobre la arcilla. Complejidad: Se puede definir como la falta de linealidad en un fenómeno. Es decir no se puede extrapolar el resultado, es dinámica no lineal. Puede comprender una estructura de tipo jerárquica. Volver al inicio


370


371

REFERENCIAS


372

Qué es la vida? E. Schrödinger., Ed. Orbis, 1985 A New Look at Mechanisms in Bioenergetics, E. Racker, New York, Academic press, 1976 Entropy for Biologists: An Introduction to Thermodinamics , H.J. Morowitz, Academic Press Inc., New York, 1970 Non-Equilibrium Thermodynamics. Crossing Boundaries, VOL. 1 Nº 2- Spring 2002 Thermodynamic Theory of Biological Evolution and Aging. Georgi P. Gladishev http:// www.endeav.org/evolut The Hierarchical Equilibrium Thermodynamics of Living Systems in Action. Georgi P. Gladishev. http:// www.endeav.org/evolut Thermodynamics of Living Systems. http:// www. Idolphin.org/mystery/chapt7.html

G capitulo 6-vinc-segunda-edicion biotecnologia esquemas organelosetc.

Documents

Transcript of G capitulo 6-vinc-segunda-edicion biotecnologia esquemas organelosetc.