Unidad 4 Bioenergética

4.1 Introducción

La vida está sustentada por un flujo de energía.

Vida y energía son temas de estudio de la bioenergética.

La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico que además de generar etanol desprende grandes cantidades de dióxido de carbono (CO2) además de energía para el metabolismo de las bacterias anaeróbias y levaduras.

Las células contemporáneas son el resultado de miles de millones de años de evolución, un proceso estrechamente relacionado con la forma en que las células resolvieron sus necesidades energéticas.

Por el hecho de que las primeras células tuvieron origen en una atmósfera sin oxígeno, y de que la glucólisis es una ruta metabólica altamente conservada en todas las células, las fermentaciones anaerobias son posiblemente las rutas metabólicas más antiguas para obtención de energía por degradación de moléculas orgánicas.

En células anaerobias, la fermentación alcohólica, la fermentación láctica o alguna otra fermentación anaerobia puede ser el único proceso productor de energía.

El desarrollo de la fotosíntesis fue un logro trascendental en la historia evolutiva de las células. Por ser la luz solar un recurso natural abundante en la Tierra, la fotosíntesis resolvió de manera muy eficiente las necesidades energéticas de las células desde hace tres mil millones de años.

A través del tiempo, el oxígeno liberado a la atmósfera por fotosíntesis habría de acumularse, lo cual permitió la evolución subsiguiente de las células aerobias.

Hay una simplicidad subyacente en bioenergética. En la fotosíntesis, la energía de la luz solar es utilizada para transformar dióxido de carbono y agua en glucosa y oxígeno. En la respiración, glucosa y oxígeno son transformados en dióxido de carbono y agua, con la liberación de energía.

En la naturaleza, la fotosíntesis y la respiración crean un ciclo en el cual la energía de la luz solar es transformada en energía química, y a través de los alimentos esta energía química es aprovechada por todas las formas de vida del planeta.

El Sol es la fuente final de energía para la vida en la Tierra.

4.2. Energía libre

La energía química está almacenada en los enlaces de las moléculas.

Al analizar una reacción química, es útil suponer que consiste en dos procesos alternativos:

1. Rompimiento de enlaces

2. Formación de enlaces

Al ocurrir una reacción, hay rompimiento de enlaces y los átomos se reorganizan para formar nuevos enlaces.

Una reacción endergónica es una reacción que absorbe energía.

La energía absorbida al romperse los enlaces, es mayor que la energía liberada al formarse nuevos enlaces. Por ejemplo,

2 H2O + Energía → 2 H2 + O2

Una reacción exergónica es una reacción que libera energía.

La energía absorbida al romperse los enlaces, es menor que la energía liberada al formarse nuevos enlaces. Por ejemplo,

2 H2 + O2 → 2 H2O + Energía

Siempre que una reacción es endergónica, la reacción inversa es exergónica.

No toda la energía liberada por una reacción exergónica es útil para hacer trabajo, sino que una parte se disipa como calor. Energía libre es la energía liberada por una reacción química, que la célula puede utilizar para hacer trabajo.

4.3. ATP

El ATP (adenosín trifosfato) es un nucleótido esencial para la célula, necesario para la síntesis de ARN y ADN.

La función del ATP como molécula portátil para suministro de energía libre en procesos celulares, es comprensible por la forma en que las células resolvieron sus necesidades energéticas a través del tiempo.

En particular, el desarrollo evolutivo de la fotosíntesis puede resumirse en cuatro etapas centradas en la molécula de ATP.

1. El ATP, un producto de fermentación anaerobia

Las células ancestrales tenían como fuente de energía moléculas orgánicas producidas geoquímicamente (sección 2.3). La fermentación anaerobia fue una de las primeras rutas metabólicas productoras de energía química (secciones 4.6 y 4.7), cuyo producto principal ha sido desde entonces ATP.

2. Desarrollo de una bomba de protones impulsada por ATP

Muchos productos de fermentación son ácidos (p. ej. láctico, fórmico, acético, propiónico, butírico, succínico, etc.); por consiguiente, la evolución favoreció el desarrollo en la membrana de una bomba de protones impulsada por ATP. El transporte activo de protones del interior al exterior celular protegió inicialmente a la célula contra acidificación del citosol.

3. Síntesis de ATP impulsada por luz solar

Las bacterias verdes del azufre desarrollaron adicionalmente en la membrana un fotosistema (fotosistema I) acoplado a una cadena de transporte de electrones, capaz de bombear protones al exterior celular, impulsado por energía de la luz solar. El intenso gradiente de protones creado por el fotosistema, causó un flujo de protones de regreso al interior celular a través de la antigua bomba de protones.

Al funcionar al revés, la bomba de protones ¡sintetiza ATP!

La bomba de protones fue precursora de la ATP sintasa.

Las bacterias púrpura del azufre dieron origen a un segundo fotosistema (fotosistema II), complementario del primero.

4. Fotosíntesis

Las cianobacterias desarrollaron posteriormente un centro de reacción asociado con el fotosistema II, capaz de utilizar energía de la luz solar para romper moléculas de agua (H2O) mediante esta reacción:

4 Fotones + 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4 e-

  • El oxígeno (O2) se libera al aire.
  • Los protones (H+) son bombeados al exterior celular por la cadena de transporte de electrones (e-), y el gradiente de protones hace funcionar a la ATP sintasa, produciendo ATP.
  • La energía de los electrones extraídos del agua es utilizada también para convertir posteriormente CO2 del aire en glucosa.

Por ser la luz solar un recurso natural abundante en la Tierra, la fotosíntesis resolvió de manera muy eficiente las necesidades energéticas de las células desde hace tres mil millones de años.

A través del tiempo, el oxígeno liberado a la atmósfera por fotosíntesis habría de acumularse y de permitir la evolución subsiguiente de las células aerobias.

El ATP es la principal molécula portátil para suministro de energía libre en procesos celulares.

La hidrólisis de ATP a ADP y fosfato libera energía que la célula puede utilizar para hacer trabajo.

ATP + H2O → ADP + Pi + Energía

Simbología

ATP = Adenosín trifosfato

H2O = Agua

ADP = Adenosín difosfato

Pi = Fosfato

La célula utiliza la energía del ATP para hacer:

Trabajo químico (síntesis de componentes celulares).

Trabajo osmótico (transporte de materiales a través de membranas).

Trabajo mecánico (contracción y locomoción).

En una célula viva, la cantidad de ATP es suficiente para suministrar energía solamente por un periodo corto, de unos segundos en células procarióticas y de 1 a 2 minutos en células eucarióticas. Es por consiguiente necesario que la célula sintetice ATP a la misma tasa que esté siendo hidrolizado.


Cuestionario de repaso

1. ¿Cómo se denomina una reacción que absorbe energía?

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2. ¿Cómo se denomina una reacción que libera energía?

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3. Es la energía liberada por una reacción química, que la célula puede utilizar para hacer trabajo:

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4. Es la principal molécula portátil para suministro de energía libre en procesos celulares, además de ser un nucleótido necesario para la síntesis de ARN y ADN:

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5. ¿Qué proceso celular que transforma la energía luminosa en energía química resolvió de manera muy eficiente las necesidades energéticas de las células desde hace tres mil millones de años?

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6. La célula utiliza la energía del ATP para hacer:

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