6.1: Energía y Metabolismo

Habilidades para Desarrollar

• Explicar qué son las vías metabólicas y describir los dos tipos principales de vías metabólicas
• Discutir cómo las reacciones químicas juegan un papel en la transferencia de energía

Los científicos utilizan el término bioenergética para discutir el concepto de flujo de energía (Figura\(\PageIndex{1}\)) a través de sistemas vivos, como las células. Los procesos celulares como la construcción y descomposición de moléculas complejas ocurren a través de reacciones químicas escalonadas. Algunas de estas reacciones químicas son espontáneas y liberan energía, mientras que otras requieren energía para proceder. Así como los seres vivos deben consumir continuamente alimentos para reponer lo que se ha usado, las células deben producir continuamente más energía para reponer la utilizada por las muchas reacciones químicas que requieren energía que constantemente ocurren. Todas las reacciones químicas que tienen lugar dentro de las células, incluidas las que usan energía y las que liberan energía, son el metabolismo de la célula.

Figura\(\PageIndex{1}\): La mayoría de las formas de vida en la tierra obtienen su energía del sol. Las plantas utilizan la fotosíntesis para capturar la luz solar, y los herbívoros comen esas plantas para obtener energía. Los carnívoros se comen a los herbívoros y los descomponedores digieren la materia vegetal y animal.

Metabolismo de los carbohidratos

El metabolismo del azúcar (un carbohidrato simple) es un ejemplo clásico de los muchos procesos celulares que utilizan y producen energía. Los seres vivos consumen el azúcar como fuente de energía importante, porque las moléculas de azúcar tienen una gran cantidad de energía almacenada dentro de sus enlaces. La descomposición de la glucosa, un azúcar simple, se describe mediante la ecuación:

\[\ce{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + (energy)} \nonumber\]

Los carbohidratos que se consumen tienen su origen en organismos fotosintetizadores como las plantas (Figura 6.1.2). Durante la fotosíntesis, las plantas utilizan la energía de la luz solar para convertir el gas dióxido de carbono (CO ₂) en moléculas de azúcar, como la glucosa (C ₆ H ₁₂ O ₆). Debido a que este proceso implica sintetizar una molécula más grande que almacena energía, requiere un aporte de energía para proceder. La síntesis de glucosa se describe por esta ecuación (observe que es el reverso de la ecuación anterior):

\[\ce{6CO_2 + 6H_2O + (energy) \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2} \nonumber\]

Durante las reacciones químicas de la fotosíntesis, la energía se proporciona en forma de una molécula de muy alta energía llamada ATP, o trifosfato de adenosina, que es la moneda de energía primaria de todas las células. Así como el dólar se usa como moneda para comprar bienes, las células utilizan moléculas de ATP como moneda de energía para realizar un trabajo inmediato. El azúcar (glucosa) se almacena como almidón o glucógeno. Los polímeros que almacenan energía como estos se descomponen en glucosa para suministrar moléculas de ATP.

Se requiere energía solar para sintetizar una molécula de glucosa durante las reacciones de fotosíntesis. En la fotosíntesis, la energía luminosa del sol se transforma inicialmente en energía química que se almacena temporalmente en las moléculas portadoras de energía ATP y NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). La energía almacenada en ATP y NADPH se utiliza posteriormente en la fotosíntesis para construir una molécula de glucosa a partir de seis moléculas de CO ₂. Este proceso es análogo a desayunar por la mañana para adquirir energía para tu cuerpo que pueda ser utilizada más tarde en el día. En condiciones ideales, se requiere energía de 18 moléculas de ATP para sintetizar una molécula de glucosa durante las reacciones de fotosíntesis. Las moléculas de glucosa también se pueden combinar y convertir en otros tipos de azúcares. Cuando se consumen azúcares, las moléculas de glucosa eventualmente se abren paso en cada célula viva del organismo. Dentro de la célula, cada molécula de azúcar se descompone a través de una compleja serie de reacciones químicas. El objetivo de estas reacciones es cosechar la energía almacenada dentro de las moléculas de azúcar. La energía cosechada se utiliza para producir moléculas de ATP de alta energía, que pueden usarse para realizar trabajos, alimentando muchas reacciones químicas en la célula. La cantidad de energía necesaria para hacer una molécula de glucosa a partir de seis moléculas de dióxido de carbono es de 18 moléculas de ATP y 12 moléculas de NADPH (cada una de las cuales es energéticamente equivalente a tres moléculas de ATP), o un total de 54 equivalentes moleculares requeridos para la síntesis de una molécula de glucosa. Este proceso es una forma fundamental y eficiente para que las células generen la energía molecular que requieren.

Figura\(\PageIndex{2}\): Las plantas, como este encino y bellota, utilizan la energía de la luz solar para elaborar azúcar y otras moléculas orgánicas. Tanto las plantas como los animales (como esta ardilla) utilizan la respiración celular para derivar energía de las moléculas orgánicas producidas originalmente por las plantas. (crédito “bellota”: modificación de obra de Noel Reynolds; crédito “ardilla”: modificación de obra por Dawn Huczek)

Vías Metabólicas

Los procesos de elaboración y descomposición de las moléculas de azúcar ilustran dos tipos de vías metabólicas. Una vía metabólica es una serie de reacciones bioquímicas interconectadas que convierten una molécula o moléculas sustrato, paso a paso, a través de una serie de intermedios metabólicos, produciendo eventualmente un producto o productos finales. En el caso del metabolismo del azúcar, la primera vía metabólica sintetizó azúcar a partir de moléculas más pequeñas, y la otra vía dividió el azúcar en moléculas más pequeñas. Estos dos procesos opuestos, el primero que requiere energía y el segundo que produce energía, se denominan vías anabólicas (constructivas) y catabólicas (descomposición), respectivamente. En consecuencia, el metabolismo está compuesto por la construcción (anabolismo) y la degradación (catabolismo).

Conexión Evolutiva: Evolución de Vías Metabólicas

Figura\(\PageIndex{3}\): Este árbol muestra la evolución de las diversas ramas de la vida. La dimensión vertical es el tiempo. Las formas tempranas de vida, en azul, utilizaron el metabolismo anaeróbico para obtener energía de su entorno.

Hay más en la complejidad del metabolismo que entender las vías metabólicas por sí solo. La complejidad metabólica varía de un organismo a otro. La fotosíntesis es la vía primaria en la que organismos fotosintéticos como las plantas (la mayoría de la síntesis global se realiza por algas planctónicas) cosechan la energía del sol y la convierten en carbohidratos. El subproducto de la fotosíntesis es el oxígeno, requerido por algunas células para llevar a cabo la respiración celular. Durante la respiración celular, el oxígeno ayuda en la descomposición catabólica de los compuestos de carbono, como los carbohidratos. Entre los productos de este catabolismo se encuentran el CO2 y el ATP. Además, algunos eucariotas realizan procesos catabólicos sin oxígeno (fermentación); es decir, realizan o utilizan metabolismo anaeróbico.

Los organismos probablemente evolucionaron el metabolismo anaeróbico para sobrevivir (los organismos vivos surgieron hace unos 3.8 mil millones de años, cuando la atmósfera carecía de oxígeno). A pesar de las diferencias entre organismos y la complejidad del metabolismo, los investigadores han encontrado que todas las ramas de la vida comparten algunas de las mismas vías metabólicas, lo que sugiere que todos los organismos evolucionaron a partir del mismo ancestro común antiguo (Figura\(\PageIndex{3}\)). La evidencia indica que con el tiempo, las vías divergieron, agregando enzimas especializadas para permitir que los organismos se adaptaran mejor a su entorno, aumentando así sus posibilidades de sobrevivir. Sin embargo, el principio subyacente sigue siendo que todos los organismos deben cosechar energía de su entorno y convertirla en ATP para llevar a cabo funciones celulares.

Vías Anabólicas y Catabólicas

Las vías anabólicas requieren un aporte de energía para sintetizar moléculas complejas a partir de moléculas más simples. Sintetizar azúcar a partir de CO ₂ es un ejemplo. Otros ejemplos son la síntesis de proteínas grandes a partir de bloques de construcción de aminoácidos y la síntesis de nuevas cadenas de ADN a partir de bloques de construcción de ácidos nucleicos. Estos procesos biosintéticos son críticos para la vida de la célula, ocurren constantemente, y demandan energía proporcionada por ATP y otras moléculas de alta energía como NADH (nicotinamida adenina dinucleótido) y NADPH (Figura\(\PageIndex{4}\)).

El ATP es una molécula importante para que las células tengan un suministro suficiente en todo momento. La descomposición de los azúcares ilustra cómo una sola molécula de glucosa puede almacenar suficiente energía para producir una gran cantidad de ATP, de 36 a 38 moléculas. Esta es una vía catabólica. Las vías catabólicas implican la degradación (o descomposición) de moléculas complejas en moléculas más simples. La energía molecular almacenada en los enlaces de moléculas complejas se libera en vías catabólicas y se recolecta de tal manera que puede ser utilizada para producir ATP. Otras moléculas que almacenan energía, como las grasas, también se descomponen a través de reacciones catabólicas similares para liberar energía y producir ATP (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Es importante saber que las reacciones químicas de las vías metabólicas no ocurren espontáneamente. Cada etapa de reacción es facilitada, o catalizada, por una proteína llamada enzima. Las enzimas son importantes para catalizar todo tipo de reacciones biológicas, las que requieren energía y las que liberan energía.

Figura\(\PageIndex{4}\): Las vías anabólicas son aquellas que requieren energía para sintetizar moléculas más grandes. Las vías catabólicas son aquellas que generan energía al descomponer moléculas más grandes. Ambos tipos de vías son necesarias para mantener el equilibrio energético de la célula.

Resumen

Las células realizan las funciones de la vida a través de diversas reacciones químicas. El metabolismo de una célula se refiere a las reacciones químicas que tienen lugar dentro de ella. Existen reacciones metabólicas que implican la descomposición de químicos complejos en otros más simples, como la descomposición de macromoléculas grandes. Este proceso se conoce como catabolismo, y tales reacciones están asociadas con una liberación de energía. En el otro extremo del espectro, el anabolismo se refiere a procesos metabólicos que construyen moléculas complejas a partir de otras más simples, como la síntesis de macromoléculas. Los procesos anabólicos requieren energía. La síntesis de glucosa y la descomposición de la glucosa son ejemplos de vías anabólicas y catabólicas, respectivamente.

Glosario

anabólica

(también, anabolismo) vías que requieren un aporte de energía para sintetizar moléculas complejas a partir de otras más simples

bioenergética

estudio de la energía que fluye a través de sistemas vivos

catabólico

(también, catabolismo) vías en las que las moléculas complejas se descomponen en otras más simples

metabolismo

todas las reacciones químicas que tienen lugar dentro de las células, incluyendo el anabolismo y el catabolismo