Bioenergética Celular: ATP y Metabolismo
Adenosín Trifosfato (ATP)
El ATP es la molécula que se encarga de almacenar y transportar energía dentro de la célula.
El Metabolismo
El metabolismo se basa en el acoplamiento de reacciones anabólicas y catabólicas para utilizar la energía de la manera más óptima, con la finalidad de mantener la estructura molecular del organismo. Esta energía producida por el metabolismo es guardada en la molécula de ATP.
La síntesis de ATP se representa como:
ADP + Pi → ATP (Ver Figura 1)
Importancia del ATP
El ATP es crucial, ya que es la molécula que sirve para reservar y transportar energía producto del metabolismo, permitiendo el ensamblaje y la ejecución de las reacciones anabólicas y catabólicas.
Enzimas: Catalizadores Biológicos
Definición de Enzimas
Las enzimas son proteínas catalizadoras de reacciones químicas. Es decir, las facilitan al disminuir la energía de activación. Responden a las siguientes características:
Características de las Enzimas
- Son proteínas y, por lo tanto, responden a todas las características de las mismas.
- Son biológicas.
- Son muy específicas para las reacciones que catalizan.
Definición de Catalizador
Un catalizador es una sustancia que está presente en una reacción química en contacto físico con los reactivos y acelera, induce o propicia dicha reacción sin actuar (consumirse) en la misma.
Modo de Acción de las Enzimas
La estructura de las enzimas es globular, ya que la estructura lineal de la proteína se halla plegada sobre sí varias veces. Ellas presentan un centro activo donde se aloja la sustancia que será alterada, denominada sustrato. La estructura que se forma con la enzima y el sustrato se denomina complejo enzima-sustrato (Ver Figura 2).
Tanto la enzima como el sustrato cambian su forma para adaptarse mutuamente (Modelo de Ajuste Inducido). Este cambio normalmente ocurre en el centro activo (Ver Figura 3).
Especificidad Enzimática
- Esteroespecificidad: Ocurre cuando hay sustratos que pueden presentar varias formas, pero la enzima solo reconoce una de esas formas.
- De Sustrato: Acepta solo un tipo de sustrato.
- De Grupo: Reconoce un grupo químico específico (el que va a catalizar) independientemente del sustrato.
- De Reacción: Lleva a cabo una reacción específica sin importar el sustrato.
Factores que Afectan la Actividad Enzimática
- pH: Es el nivel de acidez o basicidad de una solución. Dependiendo del sitio donde actúe la enzima, se logrará un pH óptimo.
- Temperatura: La enzima se ve afectada por temperaturas muy altas, ya que su estructura globular se rompe y pierde funcionalidad, es decir, se desnaturaliza.
- Concentración del Sustrato: Si las cantidades del sustrato son muy altas o muy bajas en comparación con las de la enzima, la velocidad de reacción no podrá ser óptima.
- Concentración de la Enzima: Si las cantidades de enzimas son muy bajas, no se podrá alcanzar una velocidad de acción adecuada.
- Tamaño del Sustrato: Si el sustrato no se halla bien disgregado, la enzima tardará mucho más en poder catalizar la reacción.
- Presencia de Moduladores o Inhibidores: Hay ciertas sustancias, compuestos o iones que inhiben la actividad enzimática hasta detenerla.
- Presencia de Cofactores: Algunas enzimas requieren de un compuesto acompañante para funcionar, ya que estabilizan o intervienen en las reacciones.
Procesos Catabólicos: Degradación de la Glucosa
Glucólisis: El Proceso de Degradación Inicial
- La Glucosa se fosforila y se forma la Fructosa-6-fosfato (misma composición de la glucosa).
- La Fructosa-6-fosfato es fosforilada por la enzima fosfofructoquinasa y se origina la Fructosa-1,6-difosfato.
- La enzima aldolasa divide la Fructosa-1,6-difosfato en dos partes iguales, obteniéndose dos moléculas de Gliceraldehído-3-fosfato.
- Cada Gliceraldehído-3-fosfato es convertido en Ácido Fosfoenolpirúvico por un conjunto de enzimas.
- El Ácido Fosfoenolpirúvico es convertido en Ácido Pirúvico por la enzima piruvato quinasa.
Respiración Celular
La respiración celular es una vía catabólica que se basa en la degradación de la glucosa. Todos los tipos de respiración comienzan con la degradación de la molécula de glucosa mediante varias reacciones metabólicas hasta convertirla en un compuesto de 3 carbonos llamado Ácido Pirúvico.
Respiración Anaeróbica (Fermentación)
El ácido pirúvico resultante de la glucólisis puede tomar dos vías anaeróbicas (en ausencia de oxígeno):
- Fermentación Alcohólica: Donde el ácido pirúvico se convierte en etanol.
- Fermentación Láctica: Donde el ácido pirúvico se convierte en ácido láctico.
Respiración Aeróbica
En presencia de oxígeno, la etapa siguiente a la degradación de la glucosa es la oxidación escalonada del ácido pirúvico a dióxido de carbono (CO₂) y agua. Esta respiración se cumple en dos etapas principales:
- El Ciclo de Krebs.
- El Transporte de Electrones con la Fosforilación Oxidativa.
Procesos Anabólicos: La Fotosíntesis
La fotosíntesis es una vía anabólica en la cual, partiendo de sustancias inorgánicas y utilizando la luz solar como fuente de energía, se sintetizan compuestos orgánicos que actúan como reservorio energético.
Características de la Fotosíntesis
- Se realiza en los cloroplastos.
- Toma CO₂ del aire.
- Se realiza únicamente en órganos con clorofila.
- Se realiza en presencia de la luz.
- Transforma la energía luminosa en energía química.
- Produce alimentos (compuestos orgánicos).
Comparación con la Respiración Celular
La respiración celular presenta las siguientes características (Ver Figura 5):
- Se realiza en las mitocondrias.
- Elimina CO₂ a la atmósfera.
- Se realiza en todas las células.
- Se realiza tanto en la luz como en la oscuridad.
- Transforma la energía química en calor.
- Desintegra alimentos (catabolismo).
- La realizan todos los seres vivos.
- Es un proceso exergónico, exotérmico y catabólico.
Fases de la Fotosíntesis
Fase Dependiente de la Luz (Fase Luminosa)
En esta fase, la energía lumínica es transformada en energía química utilizable por la planta. Se produce oxígeno (O₂) como sustancia de desecho. Tiene dos subfases clave:
- Fotofosforilación: La clorofila se excita y se activa la transferencia de electrones.
- Fotólisis del Agua: Se rompe la molécula del agua (H₂O).
Reacciones No Dependientes de la Luz (Ciclo de Calvin-Benson)
Durante esta fase, se usa el dióxido de carbono (CO₂) que la planta ha dejado entrar a través de los estomas y el hidrógeno proveniente de la fase anterior para sintetizar glucosa.