LA ENERGÍA Y LA VIDA.bIOENERGÉTICA

8/9/2019 LA ENERGA Y LA VIDA.bIOENERGTICA

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L A E N E R G A Y L A V I D A . B I O E N E R G T I C A

Autores: ANTONIO PEA / GEORGES DREYFUS

COMIT DE SELECCIN EDICIONES

DEDICATORIA ESPECIAL PRLOGO

I. CONCEPTOS GENERALES II. LA LUZ ES UNA FORMA DE ENERGA III. LA ENERGA DEL MUNDO ANIMAL:

... EL APROVECHAMIENTO DE LOS ALIMENTOS IV. EN QU SE GASTA LA ENERGA

V. LOS ALIMENTOS QUE NOS PROPORCIONANENERGA

VI. OTROS REQUERIMIENTOS DE ENERGA CONTRAPORTADA

P R L O G O

Desde las primeras civilizaciones, y ya en algunas antiguas doctrinasorientales, se planteaba la participacin de la energa en los procesosvitales; as, en la India se hablaba de la "fuerza vital", o prana de losalimentos, y su relacin con la vida. Esta idea, en gran parte mgica,persisti hasta muy avanzada nuestra civilizacin. Lentamente, y yaadelantado este siglo, fueron modificndose estas ideas hasta llegar alos conceptos actuales. Sin embargo, tales progresos no han llegado alpblico, y es enorme el desconocimiento que existe sobre el conceptomismo de energa, su cuantificacin y manejo por parte de los seresvivos, para dar slo algunos ejemplos.
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El precursor de las ideas verdaderamente modernas y cientficas sobrela energa fue Lavoisier, quien hace poco ms o menos dos sigloselabor teoras que hoy en da siguen siendo de actualidad. Pero nofue sino hasta bien avanzado el siglo XX, y en fechas relativamenterecientes, que se fueron aclarando una serie de conceptos sobre lastransformaciones de la energa en los seres vivos.

Los enlaces qumicos de las molculas de nuestros alimentos debenconvertirse en los del adenosintrifosfato, o como se conoce en ellenguaje bioqumico, ATP, moneda casi universal de las clulas para elmanejo de la energa. Pero el proceso es largo y complicado, de suerteque hacer una descripcin accesible y ms o menos clara fue uno delos principales objetivos de este pequeo libro. Este apasionantecampo de investigacin no se ha limitado a definir tan solo losmecanismos de las transformaciones energticas de las clulas yorganismos; tambin ha tenido incursiones en reas tan distantescomo la evolucin. Los seres vivos fueron modificando la atmsfera

original de la Tierra, con un elevado contenido de bixido de carbono(CO2), hasta llevarla al relativamente elevado contenido de oxgeno dela actualidad. Ha sido tambin intencin del libro llevar al lector haciaotros campos del conocimiento relacionados con las transformacionesde la energa.

Adems de sealar los principales aspectos sobre las transformacionesde la energa qumica, luminosa o de otros tipos, en otras formasdirectamente aprovechables por las clulas, quisimos presentar demanera sencilla la relacin que hay entre alimentacin y metabolismocon los cambios de energa en las clulas. Asimismo, insistimos enalgunos aspectos sobre las cantidades de energa de los alimentos y elbalance de la dieta; sealando, de paso, que las vitaminas no tienenvalor como fuente de energa.

Al final quisimos revisar otros requerimientos de energa, derivados dela necesidad creciente, aunque variable, de un cierto bienestar en losseres humanos. Aunque no necesarios para mantener la vida, haymuchos elementos adicionales de la vida humana que requierenenerga, como el transporte pblico o privado, o ciertas comodidadestan bsicas como un bao de agua caliente, etc. Fue nuestra intencinhacer llegar al lector, buscando una forma clara y sencilla, no slo losconceptos fundamentales sino tambin algunos otros que podramos

llamar adicionales, sobre la energa, sus transformaciones, y susmltiples relaciones con los seres vivos.

Este campo es fascinante, pero resulta rido para el pblico en generaly es difcil de tratar en trminos sencillos. Hemos intentado divulgarlos elementos fundamentales que gobiernan las muy variadastransformaciones que sufre la energa en los organismos vivos.

ANTONIO PEA


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GEORGES DREYFUS

Ciudad Universitaria, D.F., septiembre de 1989

I . C O N C E P T O S G E N E R A L E S

TODOS los seres vivos mantienen con el medio ambiente undesequilibrio que los aleja de la muerte. Slo al morir se destruyen lasbarreras que separan unos compartimentos de otros, la estructura derganos, tejidos, clulas, etc.; y slo con la muerte se detiene tambinla actividad extraordinaria de las estructuras todas, desde aquellas quepodemos ver, hasta las que pertenecen al mundo microscpico, osubmicroscpico inclusive, de las molculas que participan en elcomplejo caminar de los sistemas biolgicos. Cmo es que semantiene este orden que representa la vida? Hay, en primer lugar, unacomplicadsima serie de instrucciones y mecanismos gracias a loscuales todos los organismos vivos cuentan con la informacin, no slopara mantenerla, sino para perpetuarla, transmitindola a su

descendencia. Esa informacin, a su vez, debe transformarse primeroen la realidad de numerosas molculas y estructuras que son losejecutores, o los objetos de tales instrucciones.

Como cualquier proceso natural, el fenmeno de la vida, paramantenerse, requiere una gran cantidad de energa; esto es obvio enel caso de algunos de los procesos vitales como el movimiento; sinembargo, el gasto de energa no nos parece tan claro cuandopensamos, por ejemplo, en la digestin o en el pensamiento mismo.Otro de los asuntos que no es claro para el comn de las personas, esde dnde viene la energa; cmo es que los alimentos la contienen ycmo la aprovechamos; cmo es que en un principio viene del Sol ynosotros la aprovechamos, y aunque muchos sabemos que son lasplantas las encargadas de esto, en general se ignora que hay enormescantidades de algas, muchas de ellas microscpicas, y bacterias quetambin pueden capturar la energa del Sol; menos an se conocen losmecanismos mediante los cuales la energa es capturada por los seresvivos y todava menos, qu alcances tiene todo esto.
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/092/htm/sec_5.htmhttp://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/html/biologia.htmlhttp://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/092/htm/sec_3.htmhttp://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/092/htm/energia.htm


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Luego existe el hecho de que los animales, incluyendo al hombre,pueden tomar indirectamente la energa del Sol al ingerir ciertassustancias que las plantas han acumulado, o a las plantas mismas. Denueva cuenta, al parecer son slo los especialistas quienes puedenconocer los mecanismos implicados en el aprovechamiento de estaenerga necesaria para mantenernos vivos y realizar todas nuestrascomplicadas funciones.

En suma, toda funcin implica energa, pero hay numerosos hechosacerca de ella que desconocemos. El conocimiento de todos losprocesos que intervienen en las transformaciones de la energa ennuestro organismo, o en general, en los organismos de los seres vivos,es uno de los captulos ms apasionantes de la biologa, sobre todoporque en los ltimos aos se ha podido aclarar buena parte de susmecanismos.

Es frecuente or hablar de la necesidad de ingerir alimentos para tener

"ms fuerzas", "mas energa" , "potencia", etc. Tambin se habla deque una persona es muy "fuerte", o de que tiene mucha "energa",pero estos trminos habitualmente son vagos, y se les utiliza mscomo sinnimos de actividad que en su verdadera acepcin. Si en estepequeo libro hemos de hablar de los procesos que permiten a losseres vivos obtener la energa de los alimentos o del Sol, y de lossistemas que luego la utilizan para diferentes fines, es importante quedefinamos primero algunos trminos; de esa forma ser ms fcilentendernos en el curso de las pginas de este libro.

La fuerza. Tal vez la definicin ms simple que hay es la ms antigua,la cual nos dice que es aquello capaz de modificar el estado de reposoo de movimiento de un cuerpo. sta puede ser desde la desarrolladapor una mesa que sostiene pasivamente un cuerpo, como una mquinade escribir o un cuaderno, hasta la representada por el empuje de untractor, o la de un msculo que mueve a la vez un hueso, a manera depalanca, para desplazar o levantar un cuerpo.

El trabajo y la energa. stos son dos trminos equivalentes. El trabajoresulta de aplicar una fuerza sobre un cuerpo y de producir sumovimiento a lo largo de un espacio cualquiera, se cuantifica tomandoen cuenta la magnitud de la fuerza y el espacio recorrido. La energaes la capacidad, aunque no se haya ejercido, de hacer trabajo; porejemplo, un coche en movimiento lleva una cantidad de energa que lepermite, si se encuentra con algn objeto, moverlo en cierta forma,segn la velocidad y la masa o peso que tenga. Ese mismo coche, siyendo a cierta velocidad se topa con un objeto en su camino, realizatrabajo, el cual se puede cuantificar de manera precisa. Hay tambinenerga en un litro de gasolina que al quemarse puede producir elmovimiento de un motor, el cual, conectado a las ruedas de un coche,es capaz de desplazar una carga. La energa elctrica es tambin delconocimiento comn, y resulta an ms clara. Todos sabemos que


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llega por los cables de la corriente, y que cuando se la utiliza puederealizar trabajo, como el del motor de una lavadora, de una sierra, etc.A lo largo de este pequeo libro veremos que hay muchas otras formasde energa, algunas de las cuales probablemente resulten novedosaspara el lector.

La potencia. La potencia de una mquina, por ejemplo, es la capacidadque tiene sta de realizar cierto trabajo, pero en relacin con otradimensin: el tiempo. As, un coche que es capaz de subir una cuestaen cinco minutos es mucho ms potente que otro que tarda 10 o 15minutos. Si suponemos que ambos pueden bsicamente pesar lomismo (tienen la misma masa), el trabajo para llevarlos a la parte mselevada de una cuesta es el mismo; sin embargo, la potencia de aquelque tard cinco minutos es tres veces mayor que la del que tard 15.

Finalmente, si los conceptos fuerza, trabajo-energa y potencia sondiferentes, hay tambin diferencias en las unidades en que se

expresan. Nosotros utilizaremos las unidades de energa-trabajo, lascuales, aunque pueden ser muy diversas, se expresan mscomnmente en el Joule y la calora. La ltima representa la cantidadde calor que se requiere para elevar en un grado la temperatura de ungramo de agua. La primera es igual a poco ms de cuatro caloras, yfue as denominada en honor al gran cientfico James Joule, quienrealiz un trabajo extraordinario en el campo de la energa. Estadems la kilocalora, calora grande, o Calora (con C mayscula), quees igual a 1 000 caloras pequeas. Es necesario aclarar, asimismo,que sta es la unidad que se utiliza sin conocimiento al hablar del valorcalrico de los alimentos en la vida diaria.

EN QU SE "UTILIZA" LA ENERGAExiste an cierta confusin en cuanto a la energa, y tiene que verprecisamente con los trminos que se emplean para expresar que ental o cual proceso "interviene" la energa, se "utiliza", o "se gasta". Esde gran importancia sealar que hay una ley (la cual corresponde auna realidad) que establece que la energa de un sistema no se crea nise destruye, sino que se transforma. Tal vez con un ejemplo se puedaexponer con mayor claridad el asunto: si un coche gasta tal o cualcantidad de gasolina para subir con un determinado nmero depasajeros a una montaa, lo que sucede es lo siguiente:

1. La gasolina, que es un compuesto formado por carbono e hidrgeno,contiene energa qumica en su molcula, que hace millones de aosresult de la transformacin de la energa luminosa del Sol en laenerga de los enlaces qumicos de este compuesto.

2. Al quemarse esta sustancia, lo que realmente sucede es lacombinacin de sus elementos con el oxgeno del aire, para dar comoresultado la siguiente reaccin:


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C10H24 + 16 O 2 10 CO2 + 12 H 2O.

Pero esta ecuacin slo muestra la transformacin de los materiales;sabemos, por otra parte, que tiene un componente muy grande deenerga. Si la reaccin se produce quemando la gasolina en un espacio

abierto, esa energa se percibe claramente en forma de calor. Siusamos la gasolina para mover un motor de combustin interna, loque de hecho sucede es que la energa se transforma, por una parte,en energa mecnica que mueve o provoca el desplazamiento de lospistones, pero irremediablemente hay una parte de ella que decualquier manera se convierte en calor (por ello los motores necesitanun dispositivo de enfriamiento para liberar la gran cantidad de calorproducida).

Si al final del proceso hacemos clculos, nos daremos cuenta de que,de la energa contenida en los enlaces de la gasolina, en trminosestrictos, una parte no ha sido "utilizada", sino que se ha transformadoen energa mecnica para subir el coche a la montaa, y otra no se ha"liberado", ni ha desaparecido, sino que se ha transformado en calor.

La energa elctrica contenida en un acumulador elctrico, hablando entrminos estrictos, no se utiliza" para mover el motor de arranque deun coche, sino que se transforma en energa mecnica a travs delmotor de arranque, y mueve al motor del coche.

Tal vez con estos ejemplos quede claro que en la naturaleza nunca sepuede hablar ni de utilizacin ni de gasto de energa, sino de sutransformacin de unas formas en otras; sin embargo, en el uso diariodel lenguaje son habituales dichos trminos, y seguiremos la mismacostumbre en este libro, en donde se habla de gasto, de utilizacin yde liberacin de energa. Son, pues, muchsimas las formas que puedetomar, y de ellas enlistamos algunas a continuacin:

Energa qumicaEnerga elctricaEnerga mecnicaEnerga calorfica

Los seres vivos manifiestan ser transformadores de energa de

diferentes maneras. Una muy clara es la capacidad que tienen paragenerar calor, pero sta no es sino el resultado de muchas otrasformas en las que, como en la combustin de la gasolina por loscoches, "sobra", o se "libera" energa, que se transforma en calordurante muchos procesos. Otra de las manifestaciones claras de lacapacidad de transformar energa que tienen los seres vivos es elmovimiento; independientemente de si se conocen o no losmecanismos, es clara una conexin entre la ingestin de los alimentos


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y el movimiento. Los mecanismos son muy complicados, pero a fin decuentas el movimiento, que es una forma de trabajo, representa latransformacin de la energa qumica contenida en los enlacesmoleculares de dos alimentos, en energa mecnica.

Hay transformaciones de energa en funciones que son an mscomplejas que el movimiento mismo, pero que podemos percibir conclaridad; es el caso de muchas de las funciones realizadas por algunosde nuestros rganos, como el corazn, el intestino, nuestro aparatorespiratoro, etc. Hay otras ms en las cuales no se observamovimiento, y que sin embargo tambin implican transformaciones deenerga; tales son el funcionamiento de nuestros riones, nuestrasglndulas y otros rganos que, no por no tener movimiento significaque no requieran la transformacin constante de energa.

Tal vez las funciones ms complicadas sean aqullas realizadas por elsistema nervioso, que en ltima instancia comprenden al pensamiento

mismo. El hecho de que nuestras clulas nerviosas sean inmviles noquiere decir que no requieran energa. Poseen una serie enorme defunciones que podramos considerar parciales, pero cada una de lascuales requiere de energa, o dicho de manera ms correcta, implicatransformaciones de energa.

Otra de las transformaciones de energa que no vemos, pero que serealiza con gran intensidad en los organismos vivos, est dada por elmovimiento de sustancias a travs de membranas. Uno de los casosobvios es el paso de los materiales nutritivos por la pared del intestinopara ser aprovechados por nosotros; pero hay tambin movimientosde esas sustancias al interior de las clulas. Todas ellas deben nutrirsey desechar aquello que no quieren o no necesitan. Es necesario que losmateriales alimenticios, el agua y las sales minerales entren ennuestro organismo, pero ste es slo el primer paso hacia donde enltima instancia realmente se les utiliza: las diferentes clulas denuestro organismo. Adems, durante el aprovechamiento de muchosmateriales y durante la realizacin de muchsimas funciones, seproducen tambin sustancias que deben ser expulsadas de las clulas,y la mayor parte de sus movimientos involucra cambios de energa deunas formas a otras. Todos los organismos utilizan buena parte de laenerga de los materiales de que se alimentan en este proceso detransporte continuo y muy activo de sustancias de unos lugares a otros

y hacia dentro o hacia fuera de las clulas.Por ltimo, existe otra transformacin o uso de energa de granimportancia en los seres vivos. Se trata de la renovacin constante delas molculas que los componen. Nosotros no apreciamos ningncambio aparente de un da a otro en nuestro perro, o en nuestro gato,ni en nuestros amigos. Sin embargo, estudios cuidadosos handemostrado que las molculas de los organismos vivos se estnrenovando; y aunque unas lo hacen con mayor velocidad que otras, al


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los tomos en ese azcar. Esto sucede en un proceso bastantecomplicado, pero cuyos detalles se conocen en buena parte, tanto enlas plantas como en ciertas bacterias fotosintticas principalmente(vase el captulo II). En el resto de los captulos de este librito sehabrn de esbozar de manera sencilla los mecanismos implicados endicha transformacin energtica.

Esta situacin convierte entonces a los vegetales en los organismosms importantes e imprescindibles en el camino de la utilizacin de laenerga del Sol, como transformadores de la energa luminosa enenerga de enlaces qumicos, fundamentalmente de la glucosa.Adems, las plantas tambin pueden elaborar a partir de la glucosaotros azcares, as como grasas, y tambin protenas, o al menos loscomponentes de stas, los aminocidos. Por otra parte, al mismotiempo que las plantas nos ofrecen la energa del Sol ya transformadaen una especie que podemos aprovechar, la de los enlaces de laglucosa y otras sustancias nos proporciona simultneamente

materiales que tambin nos sirven para esa constante renovacin detodas nuestras molculas, que ya hemos mencionado. Las plantas,asimismo, producen constantemente el oxgeno indispensable para lavida, segn se le conoce hoy en da.

Una vez capturada o transformada la energa del Sol en la de losenlaces de los azcares y otras sustancias, son los animales los que lasingieren. En ellos, el proceso es un tanto al contrario; ahora se tratade convertir esa energa de los enlaces de las molculas, provenientede la luz del Sol, en otra que puedan aprovechar sus clulas y tejidos afin de funcionar. Lo que hacen los animales es transformar de nuevo laenerga de los enlaces qumicos de los azcares y otras sustancias, enuna forma de energa directamente aprovechable por distintossistemas. Para ello realizan, vista de manera general, la reaccininversa a la que realizaron las plantas:

C6H12O6 + 6O 2 6CO2 + 6H2O.

Pero en el proceso, la energa contenida en los enlaces debe pasar aotra forma que las clulas puedan utilizar. De la misma manera que unmotor de automvil no puede funcionar si se le da lea o carbn, unafibra muscular no se puede contraer si le agregamos glucosa, aunquesta contenga energa en los enlaces de sus tomos. Las clulas debenconvertir esa energa en otra forma directamente aprovechable por lafibra muscular, y para eso se utiliza una sustancia llamada ADP, oadenosn difosfato, que en su estructura contiene dos fosfatos, comose muestra en el capitulo III. Esta molcula se puede convertir en ATP,adenosintrifosfato, que entonces contiene tres fosfatos, como resultadode un complicado proceso que se describir tambin en el captulo III,y que de hecho supone que la energa de los enlaces de la glucosa seconvierta en energa de los enlaces del ATP. S ahora agregamos ATP a


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una fibra muscular, sta se contrae, pero al mismo tiempo rompe elenlace que se haba formado y nos lleva de nuevo a ADP y un fosfatolibre.

Esta reaccin que tiene lugar durante la contraccin de las fibrasmusculares ocurre en muchos otros procesos que requieren energa.Nunca es directamente la de los enlaces de los azcares la que seutiliza. El combustible "universal" de las transformaciones de la energaen los seres vivos es el ATP, y se puede utilizar para muchsimosprocesos que hemos mencionado antes.

Es natural que nos preguntemos de dnde ha resultado elconocimiento sobre las transformaciones de la energa que tienen lugaren los seres vivos? De hecho, una de las primeras personas que sehizo ya en serio esa pregunta fue el extraordinario sabio Lavoisier,quien a finales del siglo XVIII observ que si se quemaba glucosa enpresencia de aire, se produca calor. Pensando que comemos, o que

podemos comer glucosa, y que nuestro organismo produce calor, estesabio imagin y propuso luego que en nuestro organismo tambin seutiliza la glucosa por un camino que lleva finalmente a su oxidacin y ala produccin de bixido de carbono y agua, pero que la energa delazcar es de alguna forma aprovechada, o transformada, en algunaotra forma de energa aprovechable por el organismo. Es de esperarseque este brillante sabio no tuviera, sin embargo, dada la poca en quevivi, la menor idea de los mecanismos que intervienen en lastransformaciones de energa en los seres vivos.

Hacia principios del siglo XX se iniciaron apenas los estudios tendientesa entender los mecanismos mediante los cuales las clulas aprovechanla glucosa. Una de las grandes incgnitas que surgi fue la referente almecanismo mediante el cual un microbio, la levadura, transformaba laglucosa en alcohol. Esta inquietud era en cierta forma natural, dadoque dicho microorganismo ha tenido desde tiempos antiguos una granimportancia para la humanidad en la elaboracin de dos productosextraordinarios: el pan y el vino.

A finales de 1933, un alemn, Fritz Lohman, descubri eladenosintrifosfato (ATP); pero en ese momento no se tuvo idea de suimportancia como la "moneda" energtica de las clulas ni de sudistribucin universal en los seres vivos, sino hasta cinco o diez aosdespus de su descubrimiento. Hay que tener en cuenta que el mundocientfico de aquellos aos era sumamente reducido.

Otro de los grandes descubrimientos fue el de la molcula conocidacomo nicotn adenn dinucletido (NAD) y la defnicin de su estructurapor el cientfico alemn Otto Warburg. A lo largo de varios aos seaclar tambin que esta molcula participa adems en lastransformaciones de energa de los seres vivos, en un procesoconocido como xido-reduccin, semejante a aquel por el cual los


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acumuladores de corriente o las pilas elctricas producen electricidad,y que es un proceso en el cual est implicada una cantidad importantede energa. Se supo as que hay un esquema general, el cual semuestra en la figura 2, que es vlido para casi todos los organismosvivos, y segn el cual, cuando las molculas como la glucosa, loscidos grasos o las protenas se degradan, se produce energa en laforma de ATP, o como el llamado poder reductor, que no es otra cosaque molculas como el NAD, que pueden reducirse con la incorporacinde tomos de hidrgeno para dar lo que se identifica en la jergabioqumica como NADH y reoxidarse cuando estos hidrogenos sepierden. sta es otra forma de transformar energa.

Para tener una idea de la energa que traen consigo estos cambios dexido-reduccin, baste saber que si dos hidrogenos (en realidad loselectrones de estos hidrgenos) del NADH pasan hasta el oxgeno, lacantidad de energa que resulta es de aproximadamente 56 kilocaloraspor cada mol. El mol es una unidad de rnedida igual al peso molecular

de un compuesto tomado en gramos. Para el ATP, la energa de cadaenlace de fosfato es de slo 7.5 kilocaloras.

Resulta as un esquema metablico que ha sido integrado por miles deinvestigadores a lo largo de varios decenios, y el cual permite teneruna idea bastante cercana de los cambios de energa que se dandurante las transformaciones de los diferentes metabolitos en lasclulas o, para ser ms precisos, en las mitocondrias.

Aunque desde hace mucho tiempo se haba descrito a las mitocondriascomo pequeos organitos u "organelos" de las clulas, y se les habaobservado al microscopio, era prcticamente nulo el conocimiento quese tena acerca de sus funciones. En 1948, dos investigadores,Schneider y Hogeboom, describieron un mtodo que se antojabaextraordinario, y que abri enormes posibilidades para la investigacinen el mundo de la bioenergtica: mediante el uso de una solucinadecuada de azcar comn, sacarosa, se poda moler el hgado de unarata de laboratorio preservando la estructura y la funcin de lasmitocondrias, y luego, por centrifugacin, separarlas de los otroscomponentes celulares. Este procedimiento, que en la actualidad seantoja trivial, fue un avance trascendental en la investigacin de lastransformaciones de la energa. Aunque no se saba que estosorganelos celulares eran los responsables de las transformaciones de

la energa, el hecho de tenerlos aislados ofreci a los cientficoscuriosos la posibilidad de estudiarlos y de definir sus funciones. Pronto(en unos dos decenios) se encontr que eran ellas las responsables dela respiracin de las clulas (que es lo que realmente supone elconsumo de oxgeno) y, ms an, que al mismo tiempo querespiraban, realizaban la sntesis del ATP a partir del ADP y el fosfatoinorgnico. Se descubrieron los componentes moleculares del sistemaque transporta los electrones provenientes originalmente del NADHhacia el exgeno, y los mecanismos generales de formacin del agua


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en este complicado proceso. Sin embargo, el mecanismo de latransformacin de la energa propiamente dicho se resisti durantemuchos aos ms a ser aclarado, pese a que fue notable el aumentoque hubo de grupos de investigadores interesados en el problema.

De la misma forma, aislaron los cloroplastos de las plantas, que son elequivalente de las mitocondrias de las clulas animales, y se demostrque estos otros "organelos" son los responsables, y el sitio en el cualse lleva a cabo, de la "captura" de la energa del Sol y los procesos quela acompaan, y que llevan finalmente a la sntesis de la glucosa yotros azcares utilizando bixido de carbono, agua y energa luminosa.

Los grupos de investigacin acumularon gran cantidad de informacin,pero muchos de los datos permanecan sin explicacin. No fue sinohasta 1961 en que el genio extraordinario de un ingls, Peter Mitchell,integr los conocimientos que se haban acumulado para postularmecanismos generales y as abrir la posibilidad de numerosas

investigaciones en todo el mundo, las cuales, en conjunto, han llevadoa explicar cmo, de formas diversas, se transforma la energa en losseres vivos conforme a una cadena de sucesos de gran complejidad.Uno de sus grandes mritos fue no slo proponer, sino haberdemostrado la universalidad de los mecanismos generales detransformacin de la energa tanto en la mitocondrias y los cloroplastoscomo en bacterias y en todo organismo vivo, en cada caso con susparticularidades.

Este libro es un intento de presentar al pblico en general una visinde tan interesante tema, y es propsito de los autores hacerlo en unaforma sencilla y clara. En los siguientes captulos se describir primerola forma de las transformaciones de la energa luminosa del Sol enotras formas de energa aprovechables, e incluso almacenabes por lasclulas y tejidos de las plantas, para luego exponer la manera en queva cambiando, la cual resulta en los enlaces qumicos de los azcaresen otras formas de energa tambin aprovechables, principalmente porlos animales.

En otros captulos haremos una descripcin de la transformacin oaprovechamiento de la energa en otras formas que, integradas, danfinalmente lugar a la vida misma, con el movimiento de los animales, alas diferentes funciones vitales y, en el caso del hombre, a las delsistema nervioso central, que incluyen adems de complicadsimossistemas de control y comunicacin entre las clulas, los mecanismosdel pensamiento mismo. Es posible, en ltima instancia, concebir lavida como una constante transformacin de la energa en diferentesformas a travs de millones de procesos interconectados. Como casicualquier otro proceso natural, la vida implica tambin cambioscontinuos de las formas de la energa, que la mantienen y sin loscuales necesariamente deja de existir.


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I I . L A L U Z E S U N A F O R M A D EE N E R G A

EL SOL irradia hacia la Tierra una gran cantidad de luz, la cual esutilizada por los organismos equipados para retener la energa questa proporciona. De la enorme cantidad de luz que nuestro planetarecibe, slo se aprovecha parte de ella. Lo que ocurre es que 50% desta es reflejada por las nubes y la atmsfera; y del otro 50% quelogra penetrar a la superficie del planeta, 40% se pierde nuevamentepor reflexin, debido a la gran superficie reflectora que presentan losocanos, de tal forma que slo nos queda un 10%, el cual esaprovechado por las plantas y por pequeos organismos que, comoellas, utilizan la luz para obtener su energa y as sobrevivir.

Pero, a todo esto, qu es la luz? La luz es una radiacinelectromagntica que por sus caractersticas particulares, y al igualque toda radiacin de este tipo, es una forma de energa. La energaelectromagntica se puede concebir como una onda mvil del mismo

tipo que las de sonido, las ondas de radio, de rayos X, de la luz y deotros tipos de radiacin. Estas ondas electromagnticas tienen unafrecuencia de oscilacin que determina su visibilidad o invisibilidadpara nuestros ojos. Las radiaciones de frecuencias altas son los rayosultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, y las de frecuencias msbajas que la luz visible son las del infrarrojo, las microondas y lasondas de radio.

Las ondas tienen caractersticas especiales que debemos conocer; paraello se remite al lector a la figura II.1 Como se ve, una onda estcompuesta de crestas y valles; la distancia entre dos crestas o dosvalles se conoce como longitud de onda (l lambda), y se expresa ennanmetros (nm), que son la milmillonsima parte de un metro (0.000000 001 metros), y dependiendo de esta distancia, es decir, de lalongitud entre dos crestas o dos valles, las ondas van a ser visibles oinvisibles al ojo humano. Son visibles para nuestros ojos lasradiaciones con una longitud de onda entre 420 (violeta) y 650 nm(rojo).


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Figura II.1 Representacin esquemtica de una onda.

La luz, al incidir sobre la superficie de algunos metales, desprende unapartcula con carga negativa, o sea un electrn. Este fenmeno fueobservado por Einstein y se le conoce como efecto fotoelctrico; porahora, basta con decir que la respuesta del electrn emitido (suenerga) depende de la longitud de onda de la luz incidente y no de suintensidad. La interaccin de la energa luminosa con la materia suscitgran inters en el siglo XIX, ya que los espectroscopistas atmicos,como se llama a los especialistas en la materia, observaron que lostomos y las molculas sencillas son altamente selectivas en cuanto ala frecuencia de luz que pueden absorber y emitir. As, cuando algunasmolculas o tomos son excitados por un haz de luz u otra energaelectromagntica, su estado energtico se puede modificar; una de lasformas de respuesta de las molculas a este tipo de estmulos es laemisin de luz o de calor. Esto se representa en la figura II.2, dondese observa que cuando un haz de luz de una frecuencia o longitud deonda definida incide sobre una molcula, su estado cambia de E 1 a E2y, al hacer esto, absorbe un fotn o cuanto de luz. Cuando su estadoenergtico cambia de E 2 a E1, dicha molcula puede emitir un fotn conuna energa ligeramente menor a la del que la excit, o simplementecalor.

Figura II.2 Efecto fotoelctrico.


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LAS "BOMBAS" DE IONES EN LOS SERES VIVOS

Existen en la naturaleza, y en especial entre los seres vivos, molculasque pueden absorber o recoger la energa que proporciona la luz o bienenerga de otros tipos, y no slo eso, sino que la transforman ademsen otro tipo de energa; entre estas molculas biolgicas estn las quese conocen como bombas, ya que operan en contra de una fuerza quese opone, al igual que una bomba de agua se opone a la fuerza de lagravedad, o una bomba de aire vence la resistencia que le opone unrecipiente que contiene aire en un espacio reducido. Por ejemplo, elion de calcio, el ion de sodio, o el de potasio, que se requieren paraciertos procesos, deben acumularse en algunos compartimentoscelulares, y el proceso requiere de una "bomba" que los capture yacumule en contra de una alta concentracin preexistente. Hoy en dase conoce una gran cantidad de molculas de protena que funcionancomo bombas, y por regla general se encuentran localizadas en elinterior de la membrana de un microorganismo o de una clula; esto

es importante ya que las membranas separan un compartimento deotro y de esta forma una bomba puede operar como tal.

Las bombas, dado que movilizan molculas de un lado a otro de lasmembranas de las clulas, y muchsimas veces en contra de sutendencia natural, por las diferencias de concentracin, requierenenerga para funcionar. Hay algunas activadas por la energa de la luz,y otras activadas qumicamente. Pero tambin, as como las bombaspueden mover algunas sustancias o iones y para ello utilizan energa,es posible que, en ocasiones, los movimientos de estas sustancias oiones las hagan funcionar "al revs", y en esos casos, que puedanproducir energa o molculas que la contengan, como se ver msadelante.LA BACTERIORRODOPSINA COMO EJEMPLO DE "BOMBA"

sta es quiz una de las molculas de protena ms interesantes quese conocen y tambin una de las ms estudiadas; forma parte de unabacteria que se encuentra poblando las salinas y que por tanto puedesobrevivir en muy altas concentraciones de sal. Estas bacteriasllamaron la atencin de los investigadores por su capacidad para echara perder la carne de pescado salada; cuando se crecen en cultivospresentan un color rojizo y esto se debe a la presencia de pigmentos(Figura II.3).


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Figura II.3 Halobacterium halobium.

La bacteriorrodopsina permite a la bacteria atrapar energa luminosa yconvertirla en energa qumica, la cual a su vez se utiliza paramantener la vida y otras de sus funciones. Estas bacterias tienen unamembrana celular muy especial; al observarla al microscopioelectrnico, utilizando una tcnica que se conoce como fractura en fro,se encontr que existen reas o parches que contienen unas partculasordenadas con un patrn altamente regular.

Estas membranas, que ahora se sabe contienen las molculas debacteriorrodopsina, tienen un color violceo caracterstico, y adems,la concentracin de esta protena es tan alta que facilita enormementesu aislamiento y su estudio los resultados de muchsimasinvestigaciones indican ahora que la bacteriorrodopsina consta de sietecadenas de aminocidos que cruzan la membrana de la bacteria y alacercarse forman una especie de poro. Esto, se sabe, se debe a que lacadena de aminocidos que forma la protena se pliega sobre s mismay, debido a su intolerancia a las molculas de agua se alojan en elinterior de la membrana, en donde no hay agua (Figura II.4).


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Figura II.4 Esquema de la molcula de bacteriorrodopsina. Se puede ver quela protena est formada por una sola cadena que forma 7 columnas que vande lado a lado de la membrana de la bacteria. Esta nica cadena deaminocidos es altamente intolerante al agua y por esta razn se acomoda enel interior de la membrana de la bacteria. ste es el tpico ejemplo de unaprotena membranal.

Esta conformacin particular hace que la bacteriorrodopsina tenga msde 80% de su estructura incluida dentro de la membrana de labacteria; est formada por una sola cadena de 248 aminocidos, quecomo se ve en la figura, empieza de un lado de la membrana ytermina en el lado opuesto, y es capaz de captar la energa luminosa y

de transformarla en energa qumica, para lo que se sirve de uncompuesto llamado retinal, tambin conocido como vitamina A. Estemismo compuesto se encuentra en los receptores visuales de losanimales vertebrados e invertebrados que son capaces de captar la luzy convertirla finalmente en lo que nosotros percibimos en el cerebrocomo imgenes.

Al incidir la luz en la membrana prpura de esta bacteria, la molculade vitamina A o retinal sufre un cambio reversible en su estructura queprovoca la salida de un protn o hidrogenin (H +). Esta salida deprotones del interior al exterior de la bacteria provoca su acumulacinen el exterior y una deficiencia en el interior (Figura II.6). Esta simplediferencia de concentracin de los protones contiene una energasemejante a la que posee el aire cuando se le comprime dentro de unespacio, con respecto a otro; por ejemplo, en el interior de un tanquede metal se puede comprimir aire, y la diferencia de presin con elexterior puede utilizarse para efectuar un trabajo, como mover untaladro, empujar un mbolo con un automvil encima, etc. En formasimilar a este ejemplo, al acumularse los protones bombeados alexterior, se crea una diferencia de cargas y de concentracin de


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protones, los cuales tienden de manera natural a reentrar en labacteria para alcanzar el equilibrio. Dado que la membrana en generales impermeable a los protones, estos regresan a travs de otraprotena membranal conocida como ATP sintetasa. Esta otra protenade la membrana aprovecha la energa que poseen los protonesacumulados del lado opuesto de la membrana, para sintetizar lamolcula de ATP a partir de ADP y fosfato (P), funcionando as como elpistn de nuestra mquina neumtica.

Este mecanismo biolgico de transformacin de energa es el mssencillo que se conoce, ya que en l intervienen, como dijimos antes, ycomo se muestra en la figura II.5, solamente dos protenas queresponden directamente, por una parte a la luz y por otra a losprotones que fueron bombeados al exterior por la bacteriorrodopsina,estimulada a su vez por la luz del Sol. Vemos as cmo la naturalezalogra generar la energa qumica o metablica necesaria para mantenerla vida de un microorganismo como Halobacterium halobium ; en

esencia, este mecanismo se basa en una bomba de protones activadapor una forma de energa electromagntica que es la luz.

Figura II.5 La bacteriorrodopsina "bombea" protones al exterior de labacteria Halobacterium halobium y al equilibrarse stos, otra protena, la ATPsintetasa sintetiza ATP.


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Figura II.6 En esta figura se ejemplifica el proceso primario de la fotosntesisen donde la luz (un fotn) excita un electrn; ste deja un hueco en lamolcula de clorofila al ser donado a un aceptor. El hueco es llenado por unelectrn que proviene del agua.

LA FOTOSNTESIS

La fotosntesis es un fenmeno biolgico fundamental para la vida ennuestro planeta. Al parecer, la activa produccin de oxgeno por partede algunos organismos que utilizan la luz del Sol para generar susnutrientes, determin que nuestro planeta contara con la atmsferaque actualmente tiene; es decir, una atmsfera que contiene oxgeno,gracias al cual pueden surgir organismos que lo utilizan y que sealimentan, entre otras cosas, de plantas. As se cre una complicadacadena de sobrevivencia en la que los organismos fotosintticos, yaqu incluimos desde las bacterias hasta las plantas, desempean unpapel muy importante. El proceso de la fotosntesis hace posible la

utilizacin de una parte de la gran cantidad de energa que despide elSol.

El proceso de fotosntesis se encuentra en varios organismos que vandesde las bacterias hasta las plantas y se puede llevar a cabo enpresencia de oxgeno o en su ausencia. Las plantas y algas llevan acabo este proceso en presencia de oxgeno y las llamadas bacteriasfotosintticas en su ausencia.

El desarrollo del conocimiento de los complicados procesos que ocurrendurante la fotosntesis ha tenido lugar en los ltimos tres siglos. En1650 Van Helmont realiz un experimento muy sencillo que le permitihacer una importante observacin, y que consisti en sembrar un rbolque pesaba 5 kg en un recipiente que contena 100 kilos de tierraarenosa; al cabo de cinco aos el rbol pesaba 270 kilos y la tierra casi100 kilos. Este hecho ocurri 100 aos antes de que Lomonosov yLavoisier enunciaran la ley de la conservacin de la materia, y VanHelmont pens que el peso y la materia del rbol deberan provenir delagua con la que lo haba regado. En 1771 Joseph Priestley demostrque un ratn no era capaz de vivir en un recipiente cerrado cuyo aire


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haba sido enrarecido al introducir en su interior una vela encendida.Sin embargo, si dentro de la campana se introduca a la vez que lavela una planta, que curiosamente fue de menta, el ratn viva y laflama se poda mantener. Posteriormente, Ingenhousz descubri queeran las partes verdes de las plantas las que renovaban el aire duranteel da y lo enrarecan durante la noche. No fue sino hasta 1920 queotro investigador, Van Niel, inici el camino correcto hacia elentendimiento de este proceso.

La fotosntesis es un proceso que incluye un fenmeno de captacin deluz y otro conocido como de xido-reduccin. La luz es recogida(absorbida) por pigmentos conocidos como clorofilas, que estnsiempre asociados entre s formando grupos de cientos de molculasque tienen la funcin de antenas captadoras de luz. Como muchasotras transformaciones de energa, todas las formas de fotosntesis serealizan en sistemas de membranas cerradas, como los cloroplastos,que son organelos de las clulas de las hojas de las plantas, o las

mismas membranas celulares en el caso de las bacterias fotosintticas.Al someter a una molcula aislada de clorofila a la energa queproporciona la luz, cambia el estado de un electrn en la molcula y laenerga original se disipa como luz (fluorescencia) y calor, ya que elelectrn excitado vuelve en un tiempo muy corto a su estadoenergtico original.

Lo que ocurre en las hojas de las plantas, y ms especficamente en lamembrana de los cloroplastos, es que la luz, al excitar la molcula declorofila, hace que le done un electrn a otra protena a la cual estasociada, a la que se le ha denominado centro de reaccin. Estefenmeno va siempre acoplado con la ruptura de una molcula de.agua (H 2O), de donde se obtiene el electrn que la clorofila dona en elpaso anterior.

En biologa, los procesos de xido-reduccin tienen un papel muyimportante, veamos qu son y cmo operan, ya que van de la manode los procesos de transformacin de la energa. La naturaleza haadoptado este tipo de mecanismos en diversos tipos detransformaciones de energa, como la que provee la luz en el caso dela fotosntesis, para que sea retenida y se pueda usar en otrosprocesos que la requieren. Existen molculas que sueltan o donan confacilidad un electrn a otra molcula que a su vez tiene la posibilidad

de aceptarlo y de donarlo luego a otro aceptor. Cuando un donadorqueda sin un electrn se dice que se oxida y el aceptor se reduce alaceptarlo, y de ah el nombre del proceso. En los seres vivos haymuchos casos de molculas que son capaces de recibir y luego donarelectrones, que inclusive se organizan como en cadenas, y son de granimportancia para nuestro tema, pues en cierta forma son la base demuchos cambios de energa.


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Al recibir el centro de reaccin un electrn, tiene lugar un proceso dexido-reduccin que adems tiene como consecuencia la formacin deoxgeno (O2) molecular. Con la energa que proporciona la luz, el aguadona un electrn al centro de reaccin y la molcula se rompe; sepiensa que este proceso se lleva a cabo mediante la accin de unaenzima, la cual hasta la fecha no se ha podido aislar. El electrn querecibe el centro de reaccin pasa a un estado que se denomina"activado", pues tiene una tendencia enorme a regresar al oxgeno.Pero en los seres vivos esto tiene lugar hacindolo pasar en formasucesiva a travs de varios compuestos hasta un aceptor final. Estepaso de electrones se caracteriza porque, simultneamente, ocurre unbombeo de protones al interior del cloroplasto, o al exterior de lasbacterias fotosintticas. Este bombeo de protones o hidrogeniones essemejante al producido por la bacteriorrodopsina, y tiene comoresultado la aparicin de una diferencia en la actividad elctrica yqumica de los protones a ambos lados de la membrana, la cualproporciona la energa para la sntesis de la molcula que yaconocemos y que sostiene al metabolismo de todos los seres vivos, eladenosintrifosfato (ATP). Esto sucede en una primera fase de latransferencia de los electrones a travs de un sistema que recibe elnombre de fotosistema II.

El electrn llega finalmente a otro centro de reaccin, que con energaluminosa lo "activa" otra vez, para llevarlo de nuevo por varios pasoshasta un aceptor final que se identifica con las siglas NADP y que alrecibirlo se convierte en NADPH, con ms electrones que el NADP.Veamos entonces la serie de sucesos que ocurren: en la figura II.7 seobserva que al incidir la luz sobre la membrana se excitan dos centrosde reaccin. Como resultado de la excitacin, el electrn que esdonado por el agua pasa a los diferentes compuestos cuyo conjunto seconoce como fotosistema II y fotosistema I, hasta un aceptor final.Esta transferencia de electrones tiene dos fines; uno de ellos es el desintetizar la molcula ms importante en el metabolismo energtico,que es el adenosintrifosfato (ATP), y el otro, la reduccin del NADP quees a su vez una molcula necesaria para donar electrones, ohidrgenos, en la sntesis de los azcares que se deben producir enuna fase posterior de la fotosntesis. Esta curiosa manera en que estarreglado el sistema transportador de electrones, al que tambin se lellama esquema 2, implica que la luz energiza en dos pasos, y que vadel agua, la cual retiene con gran fuerza sus electrones, hasta llegar al

NADPH, el cual los cede con mucha facilidad. Esto implica que un solofotn no contiene la energa necesaria para que un electrn seatransferido del agua al NADP. La energa proporcionada por estos dosfotones, que se indican en la figura anterior, permite adems que sebombeen protones al interior del cloroplasto, logrando as que laconcentracin de protones (H +) sea mayor dentro que fuera, para que,con la energa de su regreso hacia afuera, se lleve a cabo la sntesis de


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ATP. Estos procesos de transferencia de electrones sonextremadamente rpidos, y ello ha dificultado su estudio.

Figura II.7 (a) Esquema de la membrana de un cloroplasto de planta. Una vezque la luz incide, el electrn que se excita recorre el camino indicado por lasflechas. Como resultado se produce un bombeo de H + al interior y NADPH.

Figura II.7 (b) Esquema del proceso de fotosntesis: La energa luminosaincide sobre dos centros cuyas longitudes de onda a la cual se excitan son


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680 y 700 nm respectivamente. Las flechas indican que dos electronescambian su estado energtico a uno ms alto o ms electro-negativo. A partirde este punto ceden su energa y como resultado final se produce NADPH.

La produccin de ATP y de NADPH tiene como fin proporcionar laenerga para la sntesis de las molculas de azcar (glucosa). Lasreacciones que se llevan a cabo en el cloroplasto, o en trminos mssencillos, en las hojas de las plantas, se pueden dividir en aqullasdependientes de la luz, y las que ocurren en la obscuridad (FiguraII.8).

Figura II.8 El cloroplasto que se encuentra en el interior de las hojas es elmotor principal de stas y fabrica en su interior tanto ATP y ADP comoazcares y otras molculas necesarias para crecer y multiplicarse.

Las reacciones que dependen de la luz son las que forman parte de los

procesos fotoqumicos y que, como ya vimos, utilizan agua y producenoxgeno. Por otra parte, las reacciones que se llevan a cabo sin la luzutilizan CO2 y producen azcares.

Veamos de qu forma se acoplan los dos procesos, es decir, de qumanera la luz provee lo necesario para que la hoja sintetice suselementos bsicos a fin de construir sus constituyentes (azcares,protenas y grasas). Para esto nos veremos obligados a enumerar loscompuestos que van resultando y cmo se forman primero los


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azcares, y despus, a partir de ellos, las grasas y los aminocidos. Aeste ciclo se le conoce como el ciclo de Calvin-Benson (Figura II.9); sinentrar en detalles, lo que ocurre es que continuamente se estformando una pequea molcula de tres tomos de carbono que es elgliceraldehdo-3-fosfato, a partir de la cual se construye lo que laclula vegetal necesita. Debemos notar que el ciclo gira utilizando alATP y al NADPH como fuente de energa y en cada vuelta, paraincorporar tres molculas de CO 2, se gastan nueve molculas de ATP yseis de NADPH. Este requerimiento se multiplica por dos para lasntesis de una molcula de glucosa, la cual tiene seis tomos decarbono.

Figura II.9 Ciclo de Clavin-Benson en donde se forman 6 molculas degliceraldehdo-3-fosfato, una de las cuales se va a utilizar para la sntesis deotros compuestos.

As se inicia un ciclo en el que la energa de la luz es retenida por lasplantas o las algas, por medio de los pigmentos llamados clorofilas; laenerga capturada es transformada en energa qumica y utilizada para


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formar clulas nuevas, crecer y reproducirse. Este proceso genera porotra parte oxgeno, el cual es aprovechado por los organismos que nopodemos utilizar la energa del Sol.

LA TRANSFORMACIN DE LOS AZCARES EN OTROS COMPUESTOS

Las plantas, al igual que los organismos superiores, a partir demolculas de tres tomos de carbono pueden formar una de seis: laglucosa. sta a su vez, en las plantas como en los animales, puedesufrir una enorme serie de transformaciones, algunas de las cualesveremos con algn detalle en el captulo siguiente. Pero el hecho esque mediante transformaciones posteriores, una vez que se sintetiza laglucosa, a partir de ella se pueden producir, en las mismas plantas, loscidos grasos que se requieren para sintetizar las grasas, o losaminocidos para la sntesis de las protenas. De esa forma, lafotosntesis es el proceso que da lugar, no slo a la produccin deazcares, sino tambin a la de las dems sustancias que participan en

los procesos vitales, las grasas y las protenas.LAS MOLCULAS COMO ALMACENES DE ENERGA

El Sol, como ya vimos, es un gran reservorio de energa que se difundeen parte como luz, que es la principal y ms importante fuente paralos seres vivos. Los organismos fotosintticos la transforman enenerga qumica y finalmente en biomasa (el material de que estncompuestos los seres vivos), que sirve para alimentar a los llamadosorganismos hetertrofos, es decir, aquellos que no son capaces deproducir sus propias molculas y deben tomarlas del exterior, como esel caso de los animales, incluyendo al hombre. La energa casi

inagotable que el Sol en forma de luz emite, hace posible queorganismos incapaces de aprovecharla sobrevivan al utilizar comoalimento a las plantas y otros organismos. Estos organismosfotosintticos contienen gran cantidad de la energa luminosa captada,la cual ha sido transformada en un tipo de fcil almacenamiento eintercambio, el de los enlaces qumicos que contienen las innumerablesmolculas que los componen. Por esta razn, los alimentos nosmantienen vivos; para comprender esto, imaginemos un edificio de 40pisos de altura que fue construido poco a poco, pues para subir losladrillos a pisos cada vez ms altos se necesit de muchos obreros.Una vez terminado, el edificio se mantiene en pie en contra de lafuerza de la gravedad, que constantemente tiende a colapsarlo. Si eledificio por cualquier causa se desplomara, se liberara una grancantidad de energa que se desprendera como calor. La liberacin deesta energa calorfica es intil, pero por ejemplo, una cada de agualibera energa que se aprovecha para mover dinamos y generarenerga elctrica. De esta misma forma, la sntesis de una molcularequiere energa, y en su degradacin se puede aprovechar al menosparte de la que se utiliz para su sntesis. Por esta razn los alimentosson reservorios de energa.


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I I I . L A E N E R G A D E L M U N D OA N I M A L : E L A P R O V E C H A M I E N T O D E

L O S A L I M E N T O S

COMO ya se mencion en los captulos anteriores, las clulas estncompuestas de molculas, a su vez constituidas en su mayor parte porseis elementos principales, que son: carbono, hidrgeno, nitrgeno,oxgeno, fsforo y azufre; estos elementos forman 99% de su peso.Por otra parte, el agua es la substancia ms abuntante en la clula yocupa 70% de su peso. El tomo de carbono desempea un papelimportantsimo en la biologa, debido a que es capaz de formarmolculas de gran tamao y variedad, ya que puede formar cadenas oanillos (Figura III.1).

Figura III.1 Cadenas de carbonos.

Los tomos de carbono forman enlaces muy fuertes y resistentes yasea entre ellos mismos o con otros tomos, los cuales se conocencomo enlaces covalentes. Cada tomo de carbono se puede combinarcon otros, y formar as un nmero muy grande y variado decompuestos.

Pero los enlaces, por su propia "fuerza" o energa, representan enrealidad la forma en la que nuestras clulas reciben energa y la


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pueden utilizar, mediante complicados procesos, que trataremos deanalizar en este captulo.

Antes de empezar, sealaremos el significado de algunos trminos quese utilizan con frecuencia al hablar de las transformaciones de lassustancias que se encuentran en los seres vivos. En primer lugar, lasclulas cuentan con caminos para formar molculas ms pequeas apartir de molculas grandes, y a este proceso se le llama catabolismo.Hay un proceso inverso, que consiste en la formacin de molculasms grandes, a partir de otras ms pequeas, que recibe el nombre deanabolismo. De forma general, a todo el conjunto de transformacionesque sufren las sustancias en el organismo o en una clula se le llamametabolismo.

LA DEGRADACIN DE LAS MOLCULAS

Para que las clulas puedan aprovechar las sustancias en sus distintasfunciones deben primero degradarlas. Los procesos de degradacin, ocatablicos, ocurren en tres etapas; en la primera, se rompen lasgrandes molculas en sus componentes ms sencillos, las protenas enaminocidos, los carbohidratos en azcares sencillos y las grasas encidos grasos (Figura III.2). Esta degradacin de las molculasgrandes libera energa que se disipa en parte en forma de calor. Enuna segunda etapa, estas pequeas molculas son a su vezdegradadas para formar molculas todava ms pequeas, con laposibilidad de obtener energa til para la clula. Estas molculaspequeas son el piruvato y la acetil coenzima A; el piruvato tambin asu vez se transforma en acetil coenzima A.


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Figura III.2

Para el caso de los azcares, por ejemplo, en la primera etapa sedegradan los polmeros, como el glucgeno, para dar glucosa. En lasegunda etapa, la glucosa se degrada para dar piruvato, y ste se

convierte en acetil coenzima A. Finalmente, sta se degrada para darCO2 y H2O. Es necesario sealar que, de las tres etapas, slo en las dosltimas se obtiene energa aprovechable por la clula, en forma deATP. La degradacin de la glucosa a piruvato u otros compuestoscercanos es probablemente el camino metablico ms antiguo queexiste, y todava algunos organismos lo utilizan para obtener ATP.

El esquema de la figura III.3 se presenta para dar slo una idea de locomplicada que puede ser una va metablica. Con objeto de obtener


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energa y otras sustancias, tan slo para partir a la molcula deglucosa en dos fragmentos iguales de piruvato o lactato, se requierede un gran nmero de pasos, catalizados cada uno por una enzimadiferente. La degradacin de la glucosa, o gluclisis, se puede llevar acabo tanto en ausencia como en presencia de oxgeno. Sin embargo, loms importante del proceso es que parte de la energa contenida enlos enlaces de la glucosa puede transformarse, con bajo rendimiento,en la de los enlaces del ATP, directamente aprovechable por la clula.Pero aunque una molcula de glucosa que se degrada para dar cidolctico slo produce dos molculas de ATP, esta va puede funcionar agran velocidad en algunas clulas, las musculares, por ejemplo. Losatletas que participan en las pruebas rpidas, como por ejemplo lacarrera de los 100 metros, obtienen casi toda la energa para lacompetencia, de esta va metablica.


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Figura III.3 Gluclisis.

La fermentacin es una variante de este proceso de degradacin de laglucosa hasta convertirla en CO 2 y alcohol; la levadura, durante estaetapa, obtiene toda su energa a partir de la degradacin de la glucosa.Es afortunado, en cierta forma, que la va sea poco eficiente, pues paraobtener la energa, estos hongos (las levaduras) deben transformar enalcohol y en CO2 grandes cantidades de glucosa. Por ello, la levadurapuede utilizarse en la fabricacin de pan, con el objeto de queproduzca pequeas burbujas internas de CO 2, que al calentarse en elhorno se dilatan y lo vuelven esponjoso. Tambin la levadura puedeproducir grandes cantidades de alcohol, que pueden ser de granutilidad en la industria y nos ofrecen, entre otras cosas, la cerveza y el

vino.Por cada molcula de glucosa se obtienen al final del proceso dosmolculas de lactato cuando se recorre el camino completo. y en elcaso de la fermentacin se producen dos molculas de etanol(alcohol). Esta va metablica, la gluclisis, tiene una gran importanciapues adems de proporcionar ATP a la clula, proporciona el piruvatoque luego se ha de transformar en acetil coenzima A, que le permitecontinuar, utilizando otra va metablica, con la degradacin hastabixido de carbono y agua, como veremos a continuacin.

Las protenas que se ingieren en la dieta no se aprovechan como tales,es decir, existen mecanismos de degradacin que se llevan a cabo enel tubo digestivo. Mediante procesos ms o menos complicados, sedigieren para dar sus componentes, los aminocidos, que se absorbenpor las paredes del intestino y son aprovechadas por nuestros tejidos.Las enzimas digestivas rompen las molculas de protena enfragmentos cada vez ms pequeos, hasta degradarlas en susconstituyentes bsicos, los aminocidos, que de esta forma s puedenser absorbidos por la pared intestinal. Los aminocidos se procesandentro de la clula mediante distintas enzimas, que tambin puedenconvertirlos en acetil coenzima A. No entraremos en los detalles de latransformacin qumica de los aminocidos; baste saber que susesqueletos de carbono son utilizados como combustible para alimentaruna va metablica de extraordinaria importancia, que es comparablecon un molino, y cuya descripcin completa se debe al trabajo demuchos cientficos, pero fue integrada en 1935 por uno de ellos, HansKrebs, en cuyo honor se le suele dar el nombre de ciclo de Krebs, o delos cidos tricarboxlicos.

EL CICLO DE KREBS, PARA QU SIRVE


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Este ciclo de Krebs o ciclo de los cidos tricarboxlicos es fundamentalpara el metabolismo energtico de la clula, ya que provee o alimentade hidrgenos a la cadena respiratoria, y sirve de base para laproduccin de la mayor parte de la energa en los organismosaerbicos. Se trata de un mecanismo complicado que llev variosdecenios descubrir y entender. En forma muy resumida, puede decirseque se alimenta de acetil coenzima A que proviene, como ya vimos, delos carbohidratos, las grasas y las protenas. Se dice que es un cicloporque termina en el mismo compuesto con que se inicia. La serie detransformaciones que se muestran en la figura III.4, seala dos cosasprincipales, la primera es que el ciclo puede alimentarse de molculasde dos tomos de carbono (acetatos), que le ofrecen la acetil coenzimaA, y durante una vuelta, estos dos tomos de carbono salen en formade CO2. Pero la finalidad ms importante de este ciclo consiste enproporcionar un gran nmero de hidrgenos, que entran en la cadenarespiratoria mitocondrial para ser oxidados (combinarse con eloxgeno), y as dar finalmente molculas de agua y obtener ATP en elproceso.


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Figura III.4 Ciclo de Krebs. Las 8 enzimas que participan en el ciclo son: 1)citrato sintasa; 2) aconitasa; 3) isocitrato deshidrogenasa; 4) cetoglutaratodeshidrogenasa; 5) succinato tio-cinasa 6) succinato-coenzima Q reductasa;7) fumarasa y 8 ) malato deshidrogenasa.

El fragmento de dos tomos de carbono, el acetato de la acetil CoA,entra al ciclo de los cidos tricarboxlicos o ciclo de Krebs, el cualproduce los agentes reductores que a su vez alimentan a la cadenarespiratoria, la cual genera la fuerza que se requiere para la sntesis deATP (vase la figura III.5).


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Figura III.5 Molculas de adenosintrifosfato y adenosindifosfato.

Como ya se mencion en el captulo I, la molcula de ATP (FiguraIII.6) contiene tres grupos fosfato y libera energa cuando sedesprende el ltimo de stos al ser "hidrolizado", al romperse con unamolcula de agua. La cantidad de energa que se libera puede enmuchos casos servir para que otra reaccin qumica ocurra. Utilizandouna analoga de la naturaleza, es como si el agua que corre por un ro,que siempre va cuesta abajo, corriera un da cuesta arriba; esto queparece imposible, es lo que la clula tiene que hacer todo el tiempopara sobrevivir y dividirse, ya que en un organismo vivo existe unaconstante tendencia al desorden o al equilibrio con el medio que larodea. Para evitar caer en este equilibrio o desorden de manera total,todo organismo vivo debe gastar energa qumica a partir de la cual sesintetizan componentes celulares o bien se llevan a cabo procesos,como el transporte de nutrientes o el movimiento, que requieren de

ella.


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Figura III.6 El flujo de energa en los seres vivos.

LA FOSFORILACIN OXIDATIVA: EL ATP Y EL PODER REDUCTOR

Como hemos visto, el metabolismo tiene dos componentes, uno dedegradacin y otro de sntesis; en pocas palabras, la fase degradativaproduce ATP y la de sntesis lo utiliza. El ATP es probablemente lamolcula ms utilizada del organismo; esto ha hecho que un grannmero de grupos de investigacin en el mundo se hayan interesado

en estudiar los mecanismos de sntesis de este compuesto. Veamos enqu consiste este mecanismo conocido como fosforilacin oxidativa,cuyo nombre proviene del hecho de que una molcula de ADP adquiereun fosfato ms (se fosforila), simultneamente con una serie detransferencia de electrones u oxidaciones de distintas molculas. Paraentenderlo debemos primero revisar las reglas de este juego quedise la naturaleza.

Uno de los principios en los que se basa este fenmeno es que lasclulas poseen membranas que actan como barreras impermeablesque las aislan del medio que las rodea; por otra parte, las clulasposeen en su interior organelos que a su vez estn contenidos pormembranas que los aislan del medio que los rodea. De esta forma losambientes dentro de cada estructura estn regulados y pueden llegar aser completamente diferentes. Esta es la clave del proceso defosforilacin oxidativa que ya mencionamos, o sea la sntesis de ATP;el proceso ocurre dentro de un organelo que se conoce comomitocondria en los seres superiores, y como cloroplasto en las plantassuperiores. Ambos tipos de organelos son altamente especializados, yposeen dos clases de membranas, una externa y una interna; la


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externa es altamente permeable y permite el paso de muchasmolculas que se difunden libremente. La interna es impermeable y esen donde se encuentra la maquinaria para sintetizar el ATP (FiguraIII.7).

Figura III.7 Esquema de una mitocondria.

La maquinaria que se encarga de sintetizar la molcula de ATP estincluida o sumergida dentro de la membrana interna de la mitocondriay est constituida por protenas especializadas en las funciones que acontinuacin describimos. Despus de muchos aos de investigacin,se ha llegado a entender que existen protenas que, a diferencia de lagran mayora de las protenas solubles, pueden llevar a cabo procesos

de transporte de especies qumicas que no pasaran a travs de unamembrana de no ser por ellas.

En la mitocondria estas protenas aceptan y donan electrones, loscuales provienen originalmente de los hidrgenos que proporciona elciclo de Krebs. Pero lo ms importante es que, como ya mencionamospara el cloroplasto, tienen acoplados a su vez procesos de transporte.En otras palabras, cuando una molcula dona su electrn a una de lasprotenas de la membrana mitocondrial, el electrn es transportado


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hacia el oxgeno, pero no en forma directa, sino a travs de variosaceptores. En algunos de los pasos, de manera simultnea altransporte de los electrones hacia el oxgeno y aprovechando laenerga con que esto sucede, se "bombean" protones, o hidrogeniones(H+) hacia el exterior de la mitocondria.

La esencia del proceso es que las protenas de la membranamitocondrial, que se llaman tambin transportadoras de electrones, seencuentran formando una cadena que termina en el oxgeno, y que alfuncionar bombea protones al exterior. Estos protones tienen una grantendencia a regresar al interior, y representan una forma de energa.As se genera una fuerza capaz de proveer la energa que requiere elproceso de sntesis de ATP.

Como se mencion en el captulo anterior para el caso de lafotosntesis y el cloroplasto, los protones tienden a regresar por lapropia energa que su diferencia de concentracin a ambos lados de la

membrana les proporciona. En el caso de las bacterias, sucede lomismo, pero es la membrana externa la que hace las veces de lamembrana mitocondrial. La fosforilacin oxidativa se lleva a cabo en lamembrana interna mitocondrial o en la membrana plasmtica de lasbacterias; utiliza como sustrato para el proceso al adenosn difosfato,al cual se aade un grupo de fosfato en el extremo de la molcula,gracias a que existe una protena membranal que se encarga de ello.La energa que proporciona la diferencia de concentracin de protonesse aprovecha gracias a una enzima que se llama ATP sintetasa o ATPsintasa, para unir al ADP con el fosfato y dar el ATP. Esta protena estmuy ampliamente distribuida en los seres vivos, desde los organismosms primitivos, como las arquebacterias, hasta las clulas de losorganismos superiores, y en todas tiene esta funcin primordial desintetizar el ATP.

EL CONTROL DE LA UTILIZACIN DE LOS ALIMENTOS

En el caso de la gluclisis es muy claro; si se revisa el esquema, endos de las reacciones el ADP es un componente de ellas. Puede notarseque si no hay ADP, no es posible que la va completa funcione.Aunque, desde luego, en condiciones naturales no existe el estado enel cual el ADP se agote, es un hecho que ste se produce con mayor omenor velocidad, dependiendo del trabajo que realicemos, puesdurante el trabajo intenso se gasta mucho ATP, que se transforma enADP y fosfato. Resulta as que la gluclisis en especial esindirectamente sensible al trabajo que hacemos, y si no trabajamos,no responde, o lo hace slo para mantener nuestras funciones vitales,como el movimiento de los pulmones, nuestro corazn, etctera.

En el caso de la fosforilacin oxidativa, aunque de forma no tan clara,tambin sucede que, incluso las mitocondrias aisladas, y aun presentecualquiera de los intermediarios del ciclo de Krebs que les proporcione


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los hidrgenos para alimentar la cadena respiratoria, no utilizan eloxgeno, a menos que tengan ADP y fosfato. As resulta tambin que larespiracin y la fosforilacin oxidativa estn controladas como semuestra en la figura III.8. Cuando realizamos trabajo se gasta ATP,que se convierte en ADP y fosfato, y en especial el primero, o sea elADP, estimula la respiracin. Aunque el proceso es ms complicado yen l intervienen muchos otros mecanismos, podemos fcilmentepercibir que si corremos un poco, o hacemos movimientos bruscos yconstantes, o cualquier otro tipo de ejercicio, se acelera nuestrarespiracin.

Figura III.8 Esquema de la cadena transportadora de electrones y de lafosforilacin oxidativa. En la membrana interna mitocondrial se encuentradispuesto el sistema que transforma la energa metablica en qumica (ATP).

El otro elemento importante es que el trabajo celular no slo acelera larespiracin o la gluclisis; tambin debe aumentar el consumo de lassustancias o intermediarios metablicos que provienen originalmentede nuestros alimentos. Por el mismo mecanismo, el consumo dealimentos est regulado por la cantidad de trabajo. En otro de loscaptulos de este libro hablaremos de esta relacin que existe entre elconsumo de alimentos y el trabajo que realizamos.

I V . E N Q U S E G A S T A L A E N E R G A


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TENEMOS ya claros los mecanismos de las transformaciones de laenerga, de lo que podramos llamar sus formas generales, como laenerga luminosa o la de los enlaces qumicos de las molculas, enformas propias de los seres vivos: la del poder reductor o la de losenlaces del ATP entre sus dos fosfatos ltimos, o las diferencias deconcentracin de sustancias neutras o cargas a ambos lados dealgunas membranas. Otro de los grandes captulos de la bioenergticaconsiste en el anlisis de una gran variedad de cambios en los queestas formas de energa "participan" en ciertos procesos, para permitirsu curso y constituir as la vida misma.

Ha quedado tambin ya claro que las formas de la energa de los seresvivos no son diferentes de otras, y que se les puede analizar ycuantificar mediante los conceptos ms generales de la fsica o lafisicoqumica. Aunque en esta poca es del dominio comn que no hayuna "fuerza vital" especial presente en los fenmenos relacionados oque constituyen la base de la vida, es interesante conocer con cierto

detalle los componentes que los seres vivos tienen en particular pararealizar las transformaciones de la energa.

En los captulos anteriores revisamos los mecanismos mediante loscuales los seres vivos transforman la energa del exterior, la luminosao la de los alimentos, en otras formas directamente aprovechables outilizables por nuestros propios sistemas biolgicos. Resta, sinembargo, describir ahora los mecanismos o lo que podramos llamar el"destino", la finalidad de esas formas de energa, o mscorrectamente, el cambio de la energa en otras formas que, enconjunto, representan la vida misma de los organismos.

LA SNTESIS Y LA RENOVACIN DE LAS MOLCULASAunque es real, no todos tenemos claro que la totalidad de nuestroscomponentes est en continua renovacin. ste es un conceptorelativamente nuevo, que si bien era claro en el caso de algunos de lostejidos que nos componen, era difcil de imaginar para otros.

Hacia finales del siglo pasado, el cientfico francs Claude Bernardestableci que en los organismos vivos haba sustancias que se podan,por as decirlo, "gastar" o desaparecer. Con base en experimentosrealizados en animales a los que se les privaba del alimento, encontrque algunos de los componentes desaparecan antes de que seprodujera la muerte; otros, por el contrario, parecan persistir, y sistos desaparecan, se produca la muerte. Ante estos datosexperimentales se propuso, y se acept, que haba en los organismosvivos un "elemento variable" y uno "constante". Por lo dems, parecalgico pensar que algunos componentes eran perennes; esto era msfcil en el caso del sistema nervioso, por ejemplo.


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Sin embargo, con el descubrimiento de los istopos de los tomos, queson elementos con un ncleo ms pesado, y algunos de ellosradiactivos, el primero de los cuales fue el deuterio, se encontr, porprincipio de cuentas, que era posible introducirlo prcticamente encualquier molcula del organismo que contuviera hidrgeno en formanatural. Pero, adems, se descubri que una vez marcadas lasmolculas, esta marca desapareca con una velocidad que no era lamisma para todos los componentes, como grasas, azcares oprotenas, y que tambin era variable para componentes iguales osemejantes. Si el estudio se haca en diferentes rganos marcando unaprotena, la albmina por ejemplo, sta apareca y desapareca conmayor rapidez en el plasma sanguneo que en el hgado de losanimales.

Lo ms interesante de los descubrimientos realizados era tal vez queninguna sustancia qumica estudiada escapaba a esta renovacin orecambio constante; pareca (y puede parecer an) que esto es un

gran desperdicio de energa diseado por la naturaleza. De cualquiermanera, no hubo ms remedio que aceptar la realidad: los seres vivosinvierten gran cantidad de materiales obtenidos del exterior y de laenerga derivada de su degradacin en mantener este continuorecambio de sus componentes.

No hay estudios detallados, y seran difciles de realizar, sobre lavelocidad con que se renuevan todos los distintos componentes decada rgano o tejido de los organismos que existen en el planeta. Estoes explicable; todava no describimos siquiera la totalidad de loscomponentes de uno solo de los organismos vivos, menos anpodramos saber la velocidad con que individualmente se renueva cadauno de ellos. No obstante s es posible saber en trminos generales enqu se gasta la energa al renovarlos.

Cuando se sintetizan las molculas grandes, es decir, cuando seforman a partir de otras ms pequeas, requieren de la formacin deenlaces nuevos entre estas ltimas. Una protena se forma deaminocidos que se unen unos con otros; una grasa implica la uninde cidos grasos con glicerol y otros componentes; un polisacridocomo la celulosa, el almidn o el glucgeno se forma por la unin demuchas, muchsimas molculas individuales de glucosa (Figura IV.I).Cada uno de los nuevos enlaces que se forma implica, por as decirlo,

la inyeccin o la administracin de una cierta cantidad de energa, queresulta o proviene de la de otros enlaces. Si ya mencionamos que losenlaces qumicos del ATP y el poder reductor son los modos principalesen que se transforma la energa que existe en otros compuestosqumicos, es fcil ver que para todos estos procesos de sntesis haypresentes complicados mecanismos que implican, a final de cuentas, latransformacin de la energa qumica de los enlaces del ATP en lapropia de los enlaces de esas grandes molculas de las cuales haymiles diferentes en nuestro organismo o en el de cualquier otro animal.


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Figura IV.1 Las molculas ms simples se unen unas a otras para formar lasms grandes, en un proceso que requiere energa que, directa oindirectamente proviene del ATP. Cuando las molculas grandes se rompen(hiabolizan) para dar sus componentes, la energa de sus enlaces setransforma en calor.

La figura IV.2 muestra el proceso que tiene lugar ahora para ladegradacin de estas mismas molculas. La ruptura en suscomponentes ocurre por la simple introduccin de una molcula deagua en los enlaces intermedios. Pero la energa que haba en ellos noes utilizable; al romperse las uniones, esa energa qumica setransforma en calor.


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los animales, los vegetales y las clulas deben eliminar a travs deesas cubiertas aquellos materiales que les son innecesarios o hastadainos. (Para una exposicin ms detallada sobre el tema de lasmembranas, puede consultarse Las membranas de las clulas, nmero18 de esta misma coleccin.)

Pero hay otra circunstancia; muchas de las sustancias que existendentro de los seres vivos se encuentran en concentraciones mayoresen su interior que en el medio en que viven. Por ejemplo, el potasio(K+) est casi siempre en todas las clulas a una concentracin muchomayor que las del medio que las rodea (Figura IV.3), y no es ste elnico caso. Es un hecho conocido de todos que cualquier sustanciacolocada en un lquido, por ejemplo, tiende a distribuirse en ste porigual. Una gota de tinta colocada en un vaso con agua termina con elpaso del tiempo por distribuirse uniformemente en todo el lquido. Estose debe a que las molculas del colorante tienen un movimientoconstante que se debe a una forma de energa, la energa cintica, que

resulta del simple hecho de encontrarse a una temperatura superior alcero absoluto; ese constante movimiento es el responsable de ladistribucin uniforme, y su origen es una forma de energa que lasmolculas contienen. Como resultado de ello, cualquier sustanciatiende a desplazarse de los sitios de mayor a los de menorconcentracin.

Figura IV.3 Para que los iones de potasio (K +) entren a una clula en la que seencuentran a mayor concentracin que en el exterior, se necesita energa quesuele provenir, directa o indirectamente, del ATP. Si el potasio sale a unmedio de menor concentracin, se disipa energa en forma de calor.

Es as que cada molcula o partcula de una solucin tiene unacantidad de energa; la cantidad total de sta depende de la cantidad


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de esa sustancia en un espacio dado. El caso es el mismo que para elaire comprimido: la energa contenida en un tanque depende de lacantidad que se haya logrado introducir, y la energa se manifiestacomo la presin. Para comprimir el aire se requiere energa; la salidadel aire, a su vez, se puede utilizar para realizar trabajo moviendo unacompresora, una turbina, etctera.

Esta comparacin es vlida para el movimiento de las sustancias atravs de las membranas. Para introducir una sustancia a una clula oa un organismo, en contra de su tendencia natural de movimiento, senecesita energa. En ocasiones inclusive hay sustancias que se muevena favor de esa tendencia natural, pero aun as utilizan energa,simplemente para asegurar que, una vez en un lado de la membrana,ya no van a regresar al otro.

La absorcin intestinal

Aunque todos los das comemos materiales slidos e ingerimos lquidos(agua), pocos estamos conscientes de las complicaciones que suponeeste proceso. Dado que no es el tema que estamos tratando, slosealaremos aqu que en el aparato digestivo, estmago e intestinos,tiene lugar primero un proceso de digestin, en el cual las molculasgrandes deben ser separadas en sus componentes ms pequeos(digeridas). As, el almidn del pan, pastas, papas, etc., se transformaen glucosa; las protenas de la carne, huevos, leche y otros alimentosse convierten en los aminocidos que las componen; las grasas, a suvez, se rompen en su mayora para dar tambin ciertos componentes,entre los cuales destacan los cidos grasos. Hay adems salesminerales cuyos componentes deben tambin cruzar la pared intestinalpara ser aprovechadas por el organismo.Las sustancias que resultan de la digestin no pueden cruzarlibremente la pared intestinal; slo una parte de los cidos grasos yotras sustancias puede ser absorbida en forma directa. Ni siquierapuede pensarse en que todas son absorbidas por el intestino con lamisma velocidad para pasar al interior del organismo. Tiene lugar uncomplicado mecanismo que requiere de un gran nmero de molculas(protenas) que estn en las membranas de las clulas intestinales yson las que primero reconocen a las sustancias que deben serabsorbidas; es decir, no cualquier sustancia entra a las clulas porcada uno de estos sistemas, ni tampoco lo hace con la mismavelocidad. Slo una vez reconocidas y aceptadas se les permite el pasoa travs de la pared intestinal.

Volviendo al tema de la energa, es bueno preguntarse cul es elcomponente energtico de este proceso. Hay que tomar en cuenta quemuchas de esas sustancias se absorben, y al absorberse debentransformarse en otras que no puedan regresar por el mismo sistemaque permiti su entrada. ste es, por ejemplo, el caso de la glucosa y


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cantidades de aminocidos (Figura IV.4). Veamos pues que, para estecaso, si bien el gasto de energa es indirecto, en cierto modo tienelugar en dos pasos.

La absorcin por las races

Tambin las plantas deben tomar, aunque en menor diversidad,sustancias que hay en el suelo para nutrirse. Para ellas el proceso noes mucho ms simple; los vegetales requieren en cantidades grandesalgunos minerales ms o menos abundantes y amonio, pero tambinuna gran cantidad de otros minerales que se encuentran en muypequea cantidad en el suelo, y que por tanto deben ser absorbidosmediante sistemas de altsima eficiencia y gran selectividad. As comopara las clulas intestinales hemos dicho que hay un sistema que seencarga de bombear el sodio al exterior, en los vegetales hay sistemassemejantes, an no conocidos todos ellos, que tambin son capaces detomar directamente del exterior algunas sustancias y concentrarlas en

el interior, utilizando directamente la energa de los enlaces del ATP.El transporte a travs de las membranas celulares

Una vez que las sustancias del exterior son capturadas por los rganosespecializados: las races de las plantas o el intestino de los animales,y tambin por las numerosas transformaciones internas de losorganismos, resulta una enorme variedad de sustancias, tanto dentrocomo fuera de las clulas. Todas estn sujetas a un trfico de granintensidad; deben ir y venir sin cesar de un lado a otro, y muchas sonproducidas por unas clulas y utilizadas por otras, para lo cual debencruzar, de salida, la membrana de aquella que las produce, y de

entrada, la membrana de la que las recibe. As pues, sucede que noslo en las membranas de las clulas intestinales o las de las racestiene que haber numerosos sistemas de transporte; esto se requierepor fuerza tambin en todas las clulas del interior. Nuevamente, entodos esos casos se debe invertir primero una gran cantidad deenerga en producir los sistemas de transporte, que generalmente sonprotenas membranales, y adems, las clulas tienen sistemas que ensu mismo proceso de funcionamiento necesitan energa. Uno de lossistemas ms universales en los animales es la llamada bomba oATPasa de sodio y potasio, que se encarga de una funcinimportantsima: mantener alta la concentracin celular interna depotasio y baja la de sodio, en contra de lo que sucede en el exterior,donde la concentracin de potasio es baja y alta la de sodio. Elfuncionamiento de la ATPasa se ilustra en la figura IV.5. Para cada dosiones de potasio que entran y tres de sodio que salen, se necesitagastar una molcula de ATP. Este sistema funciona en todas las clulasanimales y su funcionamiento implica un gasto constante de energa.Las clulas vegetales tambin tienen sistemas para mantener uncontenido elevado de potasio en su interior, y sistemas semejantes


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para mantener la composicin ideal de iones del medio interno y delque las rodea.

Figura IV.5 La llamada "bomba" de sodio, que utliza la energa del ATP paramantener una elevada concentracin interna de potasio (K +) y bajaconcentracin de sodio (Na +) en las clulas de los animales.

Aunque hemos descrito la existencia de sistemas para mantener lasconcentraciones de potasio y sodio dentro y fuera de las clulas, haymuchos otros que conservan las concentraciones de diferentes iones,como el fosfato, el cloruro, el magnesio, el calcio, e inclusive algunos

que deben existir en concentraciones extremadamente bajas pero queson necesarios para el funcionamiento celular.

Adems del enorme trfico de sustancias que hay en todas las clulasde un organismo, es importante considerar la cantidad de sales queingerimos diariamente, por ejemplo, de cloruro de sodio que es la salcomn, y que son absorbidas por el intestino y deben ser eliminadaspor el rin. ste es otro ejemplo de una complicadsima combinacinde estructuras que estn diseadas no slo para filtrar constantementenuestra sangre, sino adems para mantener una composicininvariable de nuestro lquido interno y finalmente de todo nuestroorganismo.

Pero la complicacin no termina ah; as como los organismos estnconstituidos por rganos, tejidos y clulas que deben mantener unconstante intercambio de sustancias, dentro de las clulas tambin hayuna estructura y compartimentos separados por membranas. Tambinaqu se deben establecer intercambios constantes, y las membranasdeben contar con sistemas de transporte con caractersticassemejantes a las que hemos mencionado para otros sistemas. Las


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mitocondrias, el n

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