7.8: Procesos Bioquímicos en Metabolismo
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Hasta el momento, este capítulo ha discutido las células en las que ocurren los procesos bioquímicos, las principales categorías de bioquímicos y las enzimas que catalizan las reacciones bioquímicas. Los procesos bioquímicos implican la alteración de biomoléculas, su síntesis y su descomposición para proporcionar las materias primas para nuevas biomoléculas, procesos que caen dentro de la categoría de metabolismo. Los procesos metabólicos pueden dividirse en las dos categorías principales de anabolismo (síntesis) y catabolismo (degradación de sustancias). Un organismo puede utilizar procesos metabólicos para producir energía o para modificar los constituyentes de las biomoléculas. El metabolismo se discute aquí ya que afecta a los bioquímicos y en el Capítulo 12, Sección 12.4, en cuanto se aplica a la función de los organismos en la biosfera.
El metabolismo es una consideración muy importante en la química verde y la sustentabilidad. Las sustancias tóxicas que perjudican el metabolismo representan un peligro para los humanos y otros organismos y se intenta evitar tales sustancias en la práctica de la química verde. Las exposiciones a contaminantes ambientales que perjudican el metabolismo ponen en peligro a los humanos y a otros organismos; el control de dichos contaminantes es un aspecto importante de la química ambiental. Los procesos metabólicos se utilizan para hacer materias primas renovables y para modificar sustancias para dar los materiales deseados. El complejo proceso metabólico de la fotosíntesis proporciona el alimento que forma la base de esencialmente todas las redes alimentarias y cada vez se está llamando a proporcionar materias primas renovables para la fabricación.
Procesos de rendimiento energético
El procesamiento de la energía es obviamente una de las funciones metabólicas más importantes de los organismos. Los procesos metabólicos por los cuales los organismos adquieren y utilizan la energía son complejos que generalmente involucran numerosos pasos y diversas enzimas. Los organismos pueden procesar y utilizar la energía mediante uno de los tres procesos principales:
- Respiración en la que los compuestos orgánicos sufren catabolismo
- Fermentación, que difiere de la respiración en no tener una cadena de transporte de electrones
- Fotosíntesis, en la que la energía lumínica capturada por cloroplastos vegetales y algales se utiliza para sintetizar azúcares a partir del dióxido de carbono y el agua
Hay dos vías principales en la respiración. La respiración óxica (llamada respiración aeróbica en la literatura más antigua) requiere oxígeno molecular mientras que la respiración anóxica (respiración anaeróbica) ocurre en ausencia de oxígeno molecular. La respiración óxica utiliza el ciclo de Krebs para obtener energía de la siguiente reacción:
\[\ce{C6H12O6 + 6O2 \rightarrow 6CO2 + 6H2O + energy}\]
Aproximadamente la mitad de la energía liberada se convierte en energía química almacenada a corto plazo, particularmente a través de la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP) mostrada en la Figura 7.10
La molécula de ATP altamente energizada a veces se describe como la “unidad molecular de moneda” para la transferencia de energía dentro de las células durante el metabolismo. Libera su energía cuando pierde un grupo fosfato y vuelve a adenosina difosfato y otros precursores. El ATP es utilizado por enzimas y proteínas para procesos celulares, incluyendo reacciones biosintéticas (anabolismo), división celular y motilidad (como ocurre en células protozoarias en movimiento). Al hacerlo, el ATP se produce continuamente y se reconvierte de nuevo a su especie precursora en un organismo. Algunos estudios han sugerido que el cuerpo humano procesa su propia masa en ATP ¡durante un solo día! Mientras que el ATP se utiliza para el almacenamiento y procesamiento de energía a muy corto plazo, para el almacenamiento de energía a largo plazo, se sintetizan glucógeno o polisacáridos de almidón, y para el almacenamiento de energía a largo plazo, los lípidos (grasas) son generados y retenidos por el organismo.
Como se señaló anteriormente, la fermentación difiere de la respiración en no tener una cadena de transporte de electrones y los compuestos orgánicos son los aceptores de electrones finales en lugar de O2 en el proceso de producción de energía. Muchos procesos bioquímicos, incluyendo algunos utilizados para hacer productos comerciales, son las fermentaciones. Un ejemplo común de fermentación es la producción de etanol a partir de azúcares por levaduras que crecen en ausencia de oxígeno molecular:
\[\ce{C6H12O6 \rightarrow 2CO2 + 2C2H5OH}\]
La fotosíntesis, es un proceso de captura de energía en el que la energía lumínica capturada por cloroplastos vegetales y algales se utiliza para sintetizar azúcares a partir del dióxido de carbono y agua:
\[\ce{6CO2 + 6H2O + h \nu \rightarrow C6H12O6 + 6O2}\]
Cuando está oscuro, las plantas no pueden obtener la energía que necesitan de la luz solar pero aún así deben llevar a cabo procesos metabólicos básicos utilizando alimentos almacenados. Las células vegetales, al igual que las células animales, contienen mitocondrias en las que los alimentos almacenados se convierten en energía por la respiración celular.
Los organismos no fotosintéticos dependen de la materia orgánica producida por las plantas para su alimento y se dice que son heterotróficos. Actúan como “intermediarios” en la reacción química entre el oxígeno y el material alimenticio utilizando la energía de la reacción para llevar a cabo sus procesos de vida Las células vegetales, que utilizan la luz solar como fuente de energía y el CO 2 como fuente de carbono, se clasifican como autotróficas. En contraste, las células animales deben depender del material orgánico fabricado por las plantas para su alimentación. Estas se llaman células heterótrofas.
Las conversiones bioquímicas que involucran energía son muy importantes en la práctica de la química verde y la sustentabilidad. La conexión más obvia es la captura de la energía solar como energía química por fotosíntesis. Como se discute en el Capítulo 15, la biomasa producida fotosintéticamente puede servir como fuente de carbono químicamente fijado para la síntesis de combustibles químicos, incluyendo gas natural sintético, gasolina, combustible diesel y etanol. Una posibilidad tentadora es utilizar técnicas de ADN recombinante para aumentar en varias veces la muy baja eficiencia de la fotosíntesis por parte de la mayoría de las plantas. La fermentación tiene un papel importante que desempeñar en el desarrollo energético sustentable. Como se muestra en la Reacción 7.8.2, la fermentación de la glucosa produce etanol, el cual puede ser utilizado como combustible.
La fermentación anóxica de biomasa (abreviada {CH 2 O}) a partir de fuentes como lodos de aguas residuales o desechos de alimentos produce metano (gas natural), la combustión más limpia de todos los combustibles hidrocarbonados:
\[\ce{2(CH2O) \rightarrow CH4 + CO2}\]