Flujos energéticos celulares

1. Flujos energeticos celulares
La celula viva puede describirse termodinamicamente como un sistema abierto isotermico
que se perpetua y replica por si solo, a traves de reacciones organicas consecutivas que son
promovidas por catalizadores producidos por la misma celula. EI total de las reacciones
consecutivas se denomina metabolismo (figura 7.1). Aqui nos ocuparemos del metabolismo
energetico, el cual puede definirse como el conjunto de reacciones que almacenan energia.
Como es sabido, el metabolismo se divide en dos tipos:Anabolismo que incluye principalmente
aquellos procesos de producci6n de moleculas organicas complejas; y catabolismo que
comprende los procesos de degradaci6n de sustancias complejas con la concomitante
generaci6n de energia. En nuestro planeta, se desarrolla principalmente, pero no de manera
exclusiva, en un ambiente oxidante, de donde /os organismos obtienen la energia
catab61icamente de la oxidaci6n de sustancias organicas. Como vimos en el capitulo 5, una
reaccion termodinamicamente desfavorable, puede lIevarse a cabo en la direccion desfavorable,
si esta se acopla a una reacci6n exergonica. En principio, cualquier reaccion exergonica puede
servir a esta funcion siempre y cuando libere suficiente energia libre. En los sistemas vivos,
gran parte de esta energia se obtiene a partir de la oxidacion de sustancias organicas. EI
oxigeno es un oxidante muy fuerte, pues tiende a atraer electrones y reducirse durante el
proceso. Por esta tendencia y por su abundancia en nuestra atmosfera, no resulta sorprendente
que los organismos vivos hayan desarrollado la habilidad de obtener energia a partir de la
oxidacion de sustancias organicas.
Son relativamente pocas las reacciones que implican la transferencia directa de electrones
de un sustrato reducido hacia el oxigeno. Como veremos mas adelante, en la cadena respiratoria
hay una transferencia de este tipo y a esta cadena tam bien se Ie llama cadena de transporte
electronico. En la cadena respiratoria, los electrones pasan por transportadores de electrones
intermediarios como el NAD+ y final mente se transfieren al oxigeno, al cual se Ie denomina
aceptor final de electrones. Si la energia proviene principalmente de las reacciones oxidativas,
entre mas reducido sea el sustrato mayor sera su potencial de generar energia biologica.
Usando un calorimetro, se puede comprobar que la combustion de una grasa genera mas
energia que la combustion de un carbohidrato. Por ejemplo, la combustion del acido palmitico
genera 38.90 KJ/g mientras que la combustion de la glucosa solo genera 15.64 KJ/g.

3. Los carbones mas reducidos del acido graso contienen mas protones y electrones que el
carbohidrato para combinarse con el oxfgeno y formar C02. Esto puede ser visualizado en la
relacion moles de C02 producidas por moles de 02 consumidas durante la oxidacion, la cual
se conoce como cociente de respiracion 0 CR. De las ecua~iones anteriores, podemos apreciar
que el acido graso tiene un valor de CR de 0.7 (16 C02/23 02) mientras que la glucosa posee
un valor de 1 (6 C02 /6 02). En general, cuanto mas pequeno sea el valor de CR del sustrato,
mayor sera su potencial de generar energfa biologica por mol. Otra manera de expresar esta
relacion es que se obtienen mas equivalentes reductores a traves de la oxidacion de la grasa
que de la oxidacion del carbohidrato. Un equivalente reductor se define de manera somera
como un atomo de hidrogeno (un proton y un electron por cada atomo de hidrogeno). Por
ejemplo, en la reduccion del atomo de oxfgeno en agua se utilizan dos equivalentes reductores.
112 O2
+ 2e- + 2H+ -7 H2
0
Como se sabe, la oxidacion con oxfgeno no es la (mica vfa metabolica para obtener
energfa, Otras sustancias, adem as del oxfgeno, pueden servir como aceptores finales de
electrones. Por ejemplo, algunas bacterias, como las que se encuentran en las chimeneas
hidrotermicas en 105 fondos marinos, reducen el azufre en sulfuros, siendo este elemento el
aceptor final de electrones. Otras bacterias, reducen 105 nitritos en amonio. Tambien muchos
microorganismos pueden 0 deben vivir en anaerobiosis (en ausencia de oxfgeno). Estos
organismos obtienen su energfa a partir, de lasfermentaciones, las cuales se definen simplemente
como 105 catabolismos energeticos que no implica una oxidacion neta. Un buen ejemplo es la
produccion de etanol y C02 a partir de la glucosa, la cual discutiremos mas adelante.
En ambas celulas, aerobias y anaerobias, se conserva la energfa de la molecula nutritiva
como energfa quimfca durante la oxidacion y no es transformada en calor. Especfficamente, la
energfa se conserva en un compuesto, como 10 mencionamos anteriormente, el trifosfato de
adenosina 0 AlP. EIATP es el transportador de energfa dentro de la celula y este es producido
gracias a la energfa qufmica obtenida en la oxidacion del nutriente 0 sustrato (figura 7.2).
,,-,1//
.....(9"- Sol -
/" .•...
//1'''''.

4. Durante la oxidacion del sustrato, el ATP se forma a partir del ADP (difosfato de adenosina) en
una reaccion acoplada. De esta manera, parte de la energia del sustrato se conserva en la
nueva molecula de ATP formada. La energia quimica de! ATP a su vez se utiliza para realizar
trabajos mecanicos, quimicos u osmoticos en la celula, dura'~te 105 cuales el ADP es formado.
En otras palabras, el ATP es la molecula cargada de energia y el.ADP es la forma descargada.
Las etapas quimicas en la carga y descarga del ATP son catalizadas por sistemas enzimaticos.
EI principio basico y central de la energia celular es el ATP.(vease capitulo 6).
Sin embargo, la vida no solo puede depender de 105 metabolismos oxidativos como
fuente de energia y continuar indefinidamente convirtiendo el carbon organico en C02 y
depositandolo en la atmosfera. Las reacciones oxidativas solo representan la mitad del gran
cicio del carbon-energia en la naturaleza (figura 7.3). Lasplantas,algasy algunos microorganismos,
105 cuales usan la energia de la luz solar para obtener una cantidad enorme de energia libre
lIevan a cabo la reaccion inversa a la oxidacion de carbohidratos. Estareaccion es la fotosintesis.
Ellano solo provee de carbohidratos para la produccion de energia en plantas y animales, sino
tambien es la principal via por la que el carbon reentra de la atmosfera y es la principal fuente
de oxigeno. Los registros fosiles sugieren que 105 organismos fotosinteticos aparecieron en la
tierra hace tres mil millones de afios. Ellos transformaron gradualmente la atmosfera primitiva
no oxidativa de la Tierra, en una atmosfera oxidativa la cual dio lugar a la evolucion del
Figura 7.3 Conversion de la energia par arganismas heteratrofas par media del ATP en trabaja quimico (biasintesis),
trabaja mecanica (mavimienta) y trabaja de transparte.

5. metabolismo aerobio y de 105animales. Hoy, la fotosintesis representa la principal fuente de
energia de casi toda la vida. Esto hay que tomarlo con cautela, pues como se sabe ahora,
algunas bacterias como aquellas relacionadas en las chimeneas hldrotE~rmicas de 105fondos
marinos, puedan utilizar sustancias como H2S 0 H2 como fuente alternativa de energia en
ausencia total de luz. Sin embargo, estas representan una fracci6n muy pequena de la energia
fluyendo en la bi6sfera.
Conversiones especializadas de energia
Ademas de 105sistemas de obtenci6n de energia a partir de 105alimentos 0 sustratos, existen
tambien otro tipo de transformaciones energeticas en 105sistemas biol6gicos. Por ejemplo,
una anguila electrica puede producir descargas electricas de varios cientos de volts de potencial,
las cuales se originan transformando energia quimica. Los destellos luminosos producidos por las
luciernagas tambien contituyen transformaciones de la energia quimica del ATP. Por otro lado,
el escarabajo bombardero puede lanzar sorpresivo canon convirtiendo la energia quimica del
per6xido de hidr6geno en energia presi6n-volumen del gas oxigeno en expansi6n. Existen
aun otras maneras, men os evidentes y mas utiles, con las cuales la energia es utilizada y
transformada por 105organismos vivientes. Por ejemplo, se requiere de energia para crear la
muy compleja forma de organismo vivo y la gran diversidad morfol6gica de las diferentes
especies de vida. Los organism os vivos son ricos en informaci6n, la cual puede considerarse
como una forma de energia. Como ya 10 hemos visto, es una ley fundamental de la
termodinamica que todos 105atomos y moleculas en el universo tienden inexorablemente a
buscar el mas aleatorio y desordenado de 105estados, con el menor contenido de energia. Es
decir, el estado de mayor entropia. EI mantenimiento de la complejidad biol6gica y el
seguimiento de la evoluci6n hacia la complejidad futura son materias de interes fundamentales
y lejos de estar resueltas por 105bi610gos.
Laproducci6n primaria de biomasa en la bi6sfera se encuentra a cargo de organismos fot6trofos
105cuales son capaces de sintetizar ATP usando la energia luminosa. Todos 105organismos
fot6trofos tambien pueden funcionar como quimi6trofos produciendo ATP de las moleculas
organicas cuando no hay disponibilidad de radiaci6n luminosa. En realidad 105organismos
fot6trofos pueden considerarse organismos quimi6trofos que tambien pueden obtener energia
de .Iaradiaci6n luminosa. La mayoria de 105organismos fot6trofos usan el C02 para cubrir sus
necesidades de carb6n.
Lafotosintesis contituye el metabolismo mas importante para toda la vida en este planeta,
ya que todas las formas de vida, cualquiera que sea su fuente inmediata de energia, depend en
en ultima instancia de la energia solar. Latransformaci6n de la energia solar en energia quimica,
que ocurre en 105organismos procariotes fotosinteticos y en, 105c1oroplastos de las plantas,
resulta crucial para todo el mundo biol6gico de este planeta. La energia quimica acumulada
en 105compuestos organicos que sirven de alimento a 105organismos quimi6trofos, es el
producto de la transformaci6n de la energia solar en energia quimica lIevada a cabo por 105

6. organismos fotosinteticos. No solo la energia derivada de la fotosintesis es importante, tambien
105 materiales sintetizados representan la mayor fuente para las estructuras celulares. Usando 105
productos de la fotosintesis y pocos compuestos inorganicos obten;dos del ambiente, se
construyen 105 organismos vivos con sus estructuras complicadas y multifaceticas.
EIprincipal objetivo de la fotosintesis es el de reducir el C02 al nivel de oxidacion en el
que se encuentra en 105 azucares, mientras que un donador de hidrogeno es oxidado. En
estos terminos, se puede formular la siguiente ecuacion general de la-fotosintesis:
donde H2A es el donador de electrones (hidrogenos), A es la forma oxidada de H20 y [CH20]
es el material celular en el cual el carbono se encuentra en el nivel de oxidacion de un
carbohidrato. De la ecuacion anterior se puede deducir que no siempre es el agua el donador
de electrones. EIagua es el donador de electrones en el caso de las plantas verdes y las algas
eucariotes, pero no asi en el caso de las bacterias fotosinteticas, las cuales no tienen la
maquinaria fotoquimica y metabolica necesaria para extraer 105 electrones del agua. Estas
bacterias fotosinteticas usan una gran variedad de sustancias incluyendo H2, H2S, H2S203, Y
aun compuestos organicos como el succinato 0 lactato. En esta parte vamos a dividir en dos
partes el proceso de fotosintesis: La incorporacion de la energia luminosa en la celula y la
sintesis de materia organica a partir del C02. Estasdos etapas se conocen como las reacciones
iluminadas y reacciones oscuras. Las primeras se utilizan en la fase temprana de la fotosintesis
para transformar la energia luminosa en energia quimica. Las reacciones oscuras no requieren
luz y usan la energia quimica producida en las primeras etapas para sintetizar azucares a
partir de C02 y H20.
Incorporaci6n de la energia luminosa
La luz visible es una forma de radiacion electromagnetica que tiene una longitud de onda
entre 400 y 700 nm y esta colocada dentro del espectro despues de 105 rayos ultravioleta y
antes de 105 rayos infrarrojos (figura 7.4). La luz tiene dos tipos de comportamiento: Uno
electromagnetico, como por ejemplo en el caso de la difusion, difraccion y reflexion. Por el
otro lado, la luz tiene comportamientos corpusculares, como cuando un rayo de luz incide en
la superficie de ciertos materiales, como el selenio, eyectando electrones de la superficie. A
este ultimo fenomeno se Ie conoce como el efecto fotoelectrico y se utiliza com unmente en
las celdas fotoelectricas. Como resultado de estas observaciones, Einstein propuso que la luz
debe ser considerada como ondas de particulas lIamadas fotones (paquetes de quanta).
La energia contenida en 105 fotones no es constante y su valor depende de la longitud
de ondil (figura 7.5). Losfotones con una longitud de onda grande, colocados en la parte roja de
espectro, contienen menDs energia que 105 fotones con una corta longitud de onda, colocados
en la parte azul del espectro. La ecuacion que relaciona el contenido de energia en 105 fotones
con su longitud de onda 0 frecuencia es:
c
E= hv = h- [7.1]
A
donde E es la energia de un quantum de luz, v es la frecuencia en vibraciones por segundo,
h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz y A es la longitud de onda. La unidad

7. Figura 7.4 Espectro de la
radiacion electromagnetica.
Luz visible
UV i I R
'I
,.
"
",'
"I ! 'I I
-6 -4-2
I
,
I
I
I
I' I
o 2. 4 6
Longit ud de onda (log em)
molar de la energia en la luz es el einstein. En una mol de luz, hay 6.023 x 1023 fotones, 0 sea
el mismo numero de Avogadro que de moleculas en una mol.
Excitacion de pigmentos con la luz
EIprimer paso en el uso de la energia luminosa es el poder captar la energia contenida en 105
fotones. Esta operaci6n se realiza por medio de la absorci6n de la luz A. seguida de una
excitaci6n de algun pigmento. Todas las sustancias absorben cierto tipo de irradiaci6n luminosa
c
(l)
+-
en
C
'w 50
.•....•
o
u
~
500 600
Longitud de onda (nm)

8. Figura 7.6 Espectros d~ ab·
sorcion de luz de las clorofi/as
a y b, y de la eficiencia
fotosintetica.
Eficiencio en __ /'"
fotoslntesis , ~
I
I I
I I
(
Clorofila a :
I
I
,
,,/
400 500 600
Longitud de onda (nm)
y estas se encuentran caracterizadas por su espectra de absorcion. En las plantas verdes, la
c1orofila es el pigmento que absorbe la energfa luminosa y su espectro de absorcion es similar
al espectro de eficiencia de la fotosintesis (figura 7.6). Como se puede observar esta figura, la
c1orofila absorbe fuertemente luz en las regiones de 400 a 450 nm (Iuz violeta) y 640 a 660
nm (Iuz roja). La c10rafila es verde debido a la luz transmitida entre 105450 Y 640 nm.
La luz absorbida por 105pigmentos en realidad es absorbida por algunos eledrones en
la molecula. Los electrones colocados cerca del nucleo del atomo son electrones de baja
energfa. Por el contrario, aquellos colocados en 105orbitales exteriores 0 lejanos al nucleo
contienen mayor energia. Para poder desplazar a un electron de un orbital bajo hacia un
orbital superior resulta necesario usar energfa, puesto que hay que desplazar una partfcula
negativamente cargada de una partfcula positiva (nucleo), esa energfa puede ser suministrada
por la luz. Cuando un foton choca con algun atomo 0 con una molecula que absorbe luz, un
electron de 105orbitales cercanos al nucleo puede absorber el foton y ganar la energia y asi
desplazarse hacia un orbital mas alejado del nucleo y de mayor energia. Cuando esto sucede
se dice que la molecula 0 pigmento esta en su estado excitado. Los diferentes Momos son
excitados por radiaciones a una longitud de onda especifica, esto es decir, cada atomo tiene
su propio espectra de excitacion. Para que un electron sea excitado debe absorber un foton
que contenga por 10menDs una energfa igual a la diferencia de energias entre 105dos orbitales.
Un foton de menor energia no puede excitar el electron.
Los atomos 0 las moleculas excitadas son muy inestables debido a que 105electrones de
alta energfa tienden a retornar a su estado basal, regresando al orbital de baja energia (figura
7.7). Por ejemplo, una molecula excitada de c1orofila solo tiene un tiempo de vida del orden
de 10-9 segundos y puede perder su energia en diferentes maneras:
1. La energia puede perderse bajo la forma de calor en pequenas etapas de relajamiento.
Esto es 10 que acontece cuando la c1orofila absorbe un quantum de luz azul que
corresponde a una ganancia de 267 Kl/mol a 450 nm. EI electron excitado baja
rapidamente al primer estado excitado singlete, disipando asi su exceso de energia. La
energfa util disponible para el organismo en este caso, no es mas mayor en luz azul que
en luz raja.

9. Electron en un
nivel de alto energlo
Electron en un
nivel de bojo energlo
Figura 7.7 Representaci6n esquematica de la excitacion, por luz, de una molecula y retorno a su estado basal por
medio de emision de luz (f1uorescencia).
2. La energia puede ser remitida como fluorescencia bajo la forma de un quantum de
longitud de onda ligeramente mayor, 0 sea de menor energia. Como regia, solo regresa
de este modo, una pequena proporcion de las moleculas excitadas a su estado normal.
3. La energia puede ser transferida hacia las moleculas vecinas con una pequena perdida.
Dos moleculas de pigmentos pueden intercambiar energia en realidad por medio de un
mecanisme de resonancia cuando se sobrepone la banda de florescencia del donador a
la banda de absorcion del aceptor y si las moleculas se encuentran 10 suficientemente
cerca. En realidad, esto es 10 que sucede en las antenas de 105 sistemas fotosinteticos, en
donde diferentes pigmentos son empacados por medio de ciertas proteinas y la energia
se transfiere a traves de estos pigmentos hasta lIegar a 105 centros de reaccion. La
transmision de la energia esta facilitada por la organizacion espacial de la antena.
4. Finalmente, la c1orofila puede regresar a su estado basal participando en una reaccion
fotoquimica. Loscentros de reaccion son capaces de capitalizar este acto, proporcionando
un aceptor del electron excitado y dando un electron para reducir la c1orofila oxidada
instantaneamente. En este punta termina la absorcion de energia y comienza la trans-
duccion.
Los pigmentos cosechadores de luz son muy diversos y caracteristicos de cada c1asede
organismos. Las c1orofilas son 105 pigmentos mas abundantes en las plantas y en las algas
verdes. Lasdos principales c1orofilasson la c1orofila a y la c1orofila b, las cuales poseen diferentes
propiedades espectrofotometricas. Las estructuras moleculares de las c1orofilas (figura 7.8)
estan constituidas por un grupo porfirina que consiste en cuatro anillos pirrol unidos entre si
alrededor de un atomo de Mg+2.Tambien contiene una cadena larga de hidrocarburo, el fitol,
la cual tiene que ver con la afinidad de la c1orofila hacia 105 lipidos 0 grasas. La c1orofila a se
distinge de la c1orofila b solo por la presencia de un grupo aldehido (-HCO) en lugar de un
grupo metilo (figura 7.8)
Las bacterias fotosinteticas (a las cianobaterias se les considera en otro grupo), tambien
contienen c1orofila de un solo tipo, la bacterioclorofila, recordando que estas bacterias no
producen oxigeno. Proch/oron es el (mico organismo procarionte que contiene c1orofila a y

10. 0<;
<;>
CH,
c1orofila b. Este microorganismo es el favorito ideal como precursor dentro de la evoluci6n
hacia las algas verdes y plantas superiores. Los organismos que siempre producen oxigeno,
como las cianobacterias, algas verdes y plantas superiores contienen siempre c1orofila a.
Aparte de las c1orofilas, existen muchos otros pigmentos en las celulas fotosinteticas.
Estos pigmentos adicionales incluyen 105 carotenos, que son pigmentos amarillos, pardos 0
rojos, las ficocianinas (pigmentos azules) y ficoeritrinas (pigmentos rajos). Estos pigmentos
resultan muy abundantes en algunas algas fotosinteticas que son de color rojo, pardo, verdes

11. o azules, y en bacterias fotosinteticas, algunas de las cuales son purpura. Estos pigmentos
adicionales absorben luz a longitudes de onda que la c1orofila no puede absorber, y luego
esta energia se transfiere a la c1orofila. La energia abs.orbida por 105pigmentos adicionales
siempre debe ser transferida hacia las c1orofilas antes de realizar el trabajo fotoquimico.
Cloroplastos y tilacoides
Lospigmentos se encuentran localizados, en el caso de 105organismos fotosinteticos eucariotes,
en 105organelos lIamados c1oroplastos. Gran parte de las celulas de las hojas contiene una
docena de ellos, son gl6bulos ova/ados de color verde intenso y de 5 a 10 ~ de longitud. Los
c1oroplastos estan constituidos por una serie de membranas internas Ilamadas tilacoides que
se encuentran por el estroma (fase internal, y aislados del resto de la celula par membranas
(figura 7.9). Los tilacoides consisten en vesiculas aplanadas con las bicapas lipidicas muy
cerca una de la otra, dejando espacios internos de 56105 nm. En 105c1oroplastos de las plantas
superiores, la mayoria de 105 tilacoides se hallan dispuestos como discos 0 monedas
sobrepuestos unos sobre otros; a esta configuraci6n se Ie llama grana. La granas individuales
estan conectadas entre ellas por medio de otro tilacoide, simple y largo lIamado tilacoide
estromal (figura 7.9). En 105tilacoides se realiza el trabajo mas importante dentro de la
fotosintesis: La captaci6n de luz, por medio de las antenas que contienen 105 pigmentos
(c1orofilas), la catalisis del transporte electr6nico y la sintesis del ATP.
...•------- - - - --- - -- - - - - - -"' Membrana
, .•• , eXlerior
/
/
I
I Eslroma II I
I I
I
I
I
I
I
I
I
I
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I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
/
""...•
Figura 7.9 Diagrama de la estructura del doroplasto. Los tilacoides forman una estructura, interna lIamada locus. En las
membranas de 105 ti/acoides, estan soportados 105 sistemas FIFo ATP sintetasa.

12. Existen, desde luego, variaciones en la forma de 105 tilacoides entre las diferentes especies
de organismos. Por ejemplo, en el alga raja unicelular Porphyridium (Rodofita), 105 cloro-
plastos ocupan la mayor parte del espacio celular. A gran aumento se puede observar que 105
tilacoides se encuentran impregnados por granulos de 30 nm de diametro, lIamados fico-
bilisomas. Los ficobilisomas contienen 105 pigmentos lIamados ficobilinas, 105 cuales tambien
son sello cjistintivo de las cianobacterias. Hay ficoeritrina (figura 7.8) en las algas rojas y
ficocianinas en las cianobacterias.
EI estroma contiene iones, metabolitos pequefios y varias proteinas. Estos incluyen todas las
enzimas necesarias y 105 intermediarios en la reduccion del C02 en carbohidrato, y en la con-
version de las hexosas en almidon. La enzima clave del cicio reductivo de las pentosas, la
ribulosa bifosfato carboxilasa, resulta particularmente abundante. Es importante mencionar
que 105 cloroplastos efectuan una gran variedad de trabajos, ademas de la reduccion del C02,
como por ejemplo, la sintesis de proteinas, galactolipidos, acidos grasos, carotenoides y
clorofilas. Con esto, 105 cloroplastos, pueden contribuir hasta con 70% del total de las protein as
de la celula fotosintetica en las plantas superiores. Los cloroplastos tambien contienen su
propia informacion e instrumentos geneticos: ADN, diversos tipos de ARN y ribosomas. Sin
embargo, no todas las macromoleculas que se encuentran en el cloroplasto se biosintetizan en
eJ. Los cloroplastos tienen mayor autonomia genetica que las mitocondrias.
La transferencia de energia en 105 tilacoides se halla esquematizada en la figura 7.10.
Dos antenas principales captoras de fotones estan colocadas entre las membranas de 105
tilacoides, 105 fotosistemas PS I Y PS II. EI fotosistema PS I 0 PlODes activado por la luz roja
o roja lejana y produce un poder reductor que reduce NADP+ en NADPH2. La activacion de
Figura 7.10 Fluios energeticos en el tilacoide. La luz es absorbida por 105 {otosistemas PS I Y PS II, por medio de 10 cualse
induce el flujo de electrones del agua hacia el NADP+. Por cada par de electrones donados por el agua, se introducen
watro prolOnes al interior del tilacoide. EIgradiente de protones creado es contrarrestado por la salida de pro tones por
elsistema F,FoATPsintetasa.

13. este sistema esta acompanada por una decoloracion en el espectro de absorcion a 700 nm,
de ahi su nombre de fotosistema P700.Los estudios espectrofotometricos indican que el PlOO
es un tipo de c1orofila en un medio especial que cambia sus propiedades espectrales. EI
fotosistema II 0 P680es activado por luz con longitud de onda mas corta y produce cierto
oxidante que tiene un poder de oxidacion suficiente como para oxidar el agua en oxigeno.
Fotorreducci6n 0 generaci6n de NADPH2
Enel caso de la c1orofila,el electron energizado puede pasar, por medio de varios intermediarios,
hastala coenzima difosfato de nicotinamida 0 NADP, resultando en la reduccion de la caenzima
y la oxidacion de la c1orofila. Esta reduccion del NADP por medio de la luz se denomina
fotorreduccion. Como en el caso de la mayor parte de las reducciones biologicas, esta requiere
de dos electrones por molecula de coenzima reducida y se puede escribir de la manera siguiente:
NADP + 2 c1orofila + 2W + luz --7 NADPH2
+ 2 c1orofila+
Si el NADP es reducido cantinuamente de este modo, entonces c1aramente debe ser
oxidada otra sustancia en algun lugar, de manera que la c1orofila gane otra vez el electron que
pierde en la reduccion y asi funcionar de nuevo cataliticamente en la fotorreduccion. Como
ya se menciono, las bacterias fotosinteticas utilizan compuestos inorganicos como el H2S 0
sustancias organicas, como donadores de electrones. En 105 organismos eucariotes, como las
algas y las plantas superiores, la fuente universal de electrones es el agua. En una serie de
reacciones, la c1orofila deficiente de electrones es capaz de extraer electrones de la molecula
de agua, oxidandola en oxigeno. Estareaccion dependiente de la luz se canoce como fotolisis.
Aqui otra vez 105 electrones se transfieren por pares y la reaccion se escribe as!.
H20 + 2 c1orofila++ luz --7 1/202+ 2 c1orofila + 2H+
Sumando las dos reacciones anteriores, se obtiene la ecuacion total que considera el
uso del agua en la produccion de oxigeno y la reduccion del NADP durante la fotosintesis:
(cloro/ita) ) NADPH + 1/20
2 2

14. Hasta ahora, solo hemos considerado la reaccion total de la oxidacion del agua y de la
reduccion del NADP, pero en realidad es mas complicado, puesto que las moleculas de c1orofila
que ceden el electron al NADP, no son las mismas que extraen 105 electrones del agua.
Para que am bas recciones funcionen dentro de un mismo sistema, existe una serie de moleculas
que participan en un transporte de electrones mas complejo. Entre estas moleculas se
encuentran 105citocromos (moleculas que contienen fierro), las plastoquinonas, plastocianinas
y ferredoxinas. En la figura 7.11, se halla el orden exacto de estes componentes para proveer
un transporte eficiente de electrones desde el agua hasta el NADP por medio de las c1orofilas
que se encuentran en 105 fotosistemas I y II.
La figura 7.11 muestra en realidad dos sistemas de recepcion de energia luminosa
acoplados, que suministran la energia necesaria para vencer el gradiente electroquimico
representado por NADP/NADPH2 (Eo = -0.32 volts) y 02/H20 (Eo = +0.82 volts). EI primer
sistema captador de luz, el fotosistema I, usa la energia luminosa para realizar la reaccion de
fotorreduccion. Los electrones de la c1orofila son energizados y utilizados con el fin de reducir
un compuesto altamente electronegativo, la sustancia reductora de ferredoxina que contiene un
centro especial Fe-S y que sirve como aceptor para el fotosistema I. La ferredoxina transfiere
105 electrones en el senti do del gradiente, por medio de una flavoproteina lIamada NADP
reductasa hacia el NADP. EI NADP reducido 0 NADPH2, luego se utiliza para las reacciones
en la oscuridad. Mientras tanto, el segundo fotosistema 0 fotosistema II, aprovecha un diferente
grupo de c1orofilas para realizar la reaccion de fotolisis y extraer 105 electrones del agua,
energizarlos y transferirlos a un receptor mas electronegativo, la feofitina a. Despues, gracias
a un flujo de electrones con el gradiente, 105 dos fotosistemas se conectan, pasando por la
plastoquinona, citocromo f y la plastocianina. EI fotosistema I acepta estes electrones, 105
energiza y 105 puede ceder finalmente al NADP.
Las caracteristicas especiales del sistema completo son: (a) EI fotosistemall usa la energia
luminosa para elevar la energia de 105electrones del nivel del agua (+0.8 volts) hasta feofitina
a (-0.1 volts). (b) EI fotosistema I utiliza la energia luminosa para incrementar la energia de
105 electrones del nivel de la plastocianina (+0.4 volts) hasta el centro Fe-S del compuesto
reductor de ferredoxina (-0.6 volts). (c) La existencia de enzimas y acarreadores necesarios
para mediar la extraccion de electrones del agua, 0 mejor dicho de 105iones OH- derivados del
agua, dando lugar a una liberacion de oxigeno. (d) La existencia de enzimas y acarreadores
necesarios para mediar el transporte de electrones del centro Fe-S reductor de ferredoxina
hasta el NADP. Finalmente, (e) la presencia de 105 acarreadores de electrones que conectan
105 dos fotosistemas y permiten una red unidireccional de transporte de electrones del foto-
sistema II al fotosistema I, 0 sea del agua hacia el NADP.
Fotofosforilacion 0 generacion de AlP
- Hasta ahora, hem os visto como 105electrones son extraidos de un denador (aguOil)y transferidos,
por medio de una cadena de compuestos reducibles reversiblemente, hasta el aceptor (NADP),
utilizando la energia luminosa para vencer el gradiente de energia. Este proceso genera
NADPH2, el cual es uno de 105 dos reactivos necesarios en el cicio de Calvin y el cual, la luz
participa. Ahora, consideraremos la generacion del segundo de 105 reactivos dependientes de
la luz, el ATP.
Cuando 105fotosistemas I y II absorben luz, 105 electrones son lIevados de un potencial
redox relativamente positive hacia uno mas negativo. AI mismo tiempo, estes electrones son

15. ,
lIevados vectorialmente a traves de la membrana del tilacoide (figura 7.11). Las c1orofilas de
los centros reaccionales se hallan colocadas en la interfase de la membrana y el estroma, los
. aceptores primarios de electrones excitados estan cerca de la superficie del estroma, mientras
que los donadores de electrones para la c1orofila oxidada se localizan en la superficie luminal.
De aquf la excitacion de los fotosistemas induce a una separacion de cargas a traves de la
membrana, con el lumen positivo. Movimientos de pro tones subsecuentes, acoplados con el
flujo de electrones del agua hacia el NADP+, transforman el campo electrico en un potencial
electroqufmico y gradiente de protones, loculus positivo y acido.
Como veremos mas adelante, mientr.s que las mitocondrias y las bacterias expulsan
protones, los tilacoides del c1oroplasto acumulan protones: el ~pH es acido en el interior y
el ~E es positivo en el interior. La translocacion de los protones a traves de la membrana del
tilacoide y el gradiente 0 potencial protonico generado, conducen a la sfntesis de ATP por
medio de una FlFaATP sintetasa, la cual es una holoenzima compuesta por dos modulos: la
pieza cabezal Fl, la cual contiene el sitio 0 los sitios catallticos y el sector membranal, Fa,el cual
contiene un canal por el cual se conduce a los protones a traves de la membrana (figura 7.12).
Entodos los casos,la pieza cabezal Fl esta constituida porcinco subunidades. Los microbiologos
estan de acuerdo en la siguiente estequiometria 0.3 ~3 Y £ en mitocondrias y c1oroplastos.
Mediante la interpretacion de experimentos recientes, se deduce que el modulo Fl contiene
tres sitios activos. En las subunidades a y b se hallan sitios enlazadores de nucleotidos.
Hasta ahora hemos denominado al modulo Facomo conductor de protones y en realidad
es su mas basica funcion. Sin embargo, su verdadera funcion es mucho mas sutil en el acopla-
miento de energfa y se Ie puede describir mejor como un pozo de protones. De acuerdo con
la teorfa del quimiostato, la fuerza motriz en la sfntesis del ATP es el potencial protonico a
traves de la membrana ~H+. Esto resulta, en realidad, de la suma de dos factores, ~pH y ~E,
concordando con la siguiente ecuacion:
~H+
--~p=M-59~pH
F

16. Lacontribucion de cada uno de estos factores varia significativamente. En la mitocondria,
t.H+ consiste principalmente en t.E, mientras que el valor de t.pH es menor. En el cloroplasto,
predomina t.pH y en las bacterias la distribucion de t.pH y t.E en el valor de t.H+ se modifica
de acuerdo con las circunstancias.
Boyer y sus colaboradores han propuesto el mecanismo por el cual el ADP y Pi forman
ATP usando la fuerza protomotriz, asi como Kazlov y Skulachev han descrito el proceso en
donde 105 protones pasan a traves del complejo F1Fo. Envez de que estos participen directamente
en el proceso catalitico, 105 protones pueden afectar a un cicio de protonacion y deprotonacion en
sitios especificos del modulo Fl (0 quizas en Fo). Estas protonaciones modifican el estado
conformacional del modulo, las cuales a su vez cambian la afinidad del sitio activo del modulo
por 105 sustratos 0 nucleotidos. Estemecanismo se encuentra ilustrado en la figura 7.13 EIADP
Y el Pi, primero se enlazan al sitio activo del modulo Fl. Luego, una protonacion en un sitio

17. aloesterico en, 0 cerca, del modulo Fo provoca que el sitio activo cambie fuertemente su afinidad
por ATP, haciendo que el ADP y el Pi se combinen exergonicamente, produciendo ATP. Cuando
esto sucede, la enzima cambia su estado conformacional y transloca 105 protones dellado de la
matriz, en donde la actividad electroquimica es mucho menor. Una vez que se disocian 105
protones, el sitio activo vuelve a su conformacion inicial expulsando al ATP.
Latermodinamica de este modelo de acoplamiento secundario, en donde la sintesis e hidrolisis
del ATP se hallan estrictamente ligadas a la translocacion de protones, siguiendo la ecuacion:
ATP + H20 + nH;+ ~ ADP + Pi + nHo+
donde Hj+ Y Ho+ son 105 protones dentro y fuera respectivamente, y n es el numero de protones
que atraviesan la membrana en cada cicio. La constante de equilibrio de la reaccion, no solo
contendra 105 valores de las concentraciones de ADP, Pi Y ATP, sino tam bien las concentraciones
o actividades electroquimicas de 105 protones en 105 dos lados de la membrana. Debido a que
105 protones atraviesan la membrana durante la reaccion, resulta importante que el termino
en la ecuacion sea la actividad electroquimica de 105 protones {H+}, y no su concentracion:
[ADP][Pi]{H~ r
[ATP][Hp]{Ht r
En ausencia de un transporte neto de protones (por ejemplo, si la membrana tiene fugasl,
la relacion [ATP)/[ADP][P;] sera proximo a 10-5, Y Keq (tomando la actividad del agua igual all
sera de casi 105. Como puede observarse, sin embargo, cuando existe una diferencia de actividad
electroquimica de protones a traves de la membrana, la posicion de equilibrio es fuertemente
afectada.
{H~} [ATP]
{Ht} = K
eq
[ADP][~]
+ [ [ATP] )
n(-ilH )=ilC+RTln [ADP][~]
EI termino de la derecha, es el cambio de energia libre durante la sintesis del ATP en KJ/
mol 0 Kcaljmol. A este valor usualmente se Ie denomina potencial de fosforilacion, ilGi. En
las condiciones que prevalecen dentro de la celula, esta es una reaccion extremadamente
endergonica.
Cuando el potencial electroquimico de protones se expresa en unidades electricas, se
tiene:
n( ilH+)
- = h( -Llp) = LlCr
F F

18. Recordando que la energia libre de una reaccion de oxido-reduccion, esta dada por la
siguiente ecuacion:
donde z es el numero de electrones transferidos, F representa la constante de Faraday (23.06
KcaljV· mol) y !lEo es el potencial de oxidorreduccion entre los dos pares reactantes.
Combinando esta ultima ecuacion con la anterior se tiene, para el paso de un par de
electrones, la siguiente expresion:
de donde !lEh es de la diferencia de potencial redox en mV y n' es el numero de protones
transportados a traves de la membrana del tilacoide por cada par de electrones transferidos.
Antes de resumir la conversion de energia en la fotosintesis, algunos facto res importantes
desde el punto de vista cuantitativo. Los lectores deben recordar que los parametros
termodinamicos todavia se encuentran abiertos a nuevas revisiones de acuerdo con reciente
informacion generada a traves de nuevos experimentos. Nosotros trataremos a su turno, la
fotosintesis dclica y no dclica.
EIcontenido de energia en un quantum de luz a 680 nm es de 2.9 x 10-19 joules (174
KJ042 Kcal por einstein), 0 con mayor frecuencia 1.82 electron-volts (eV). Un electron-volt
consiste en la energia adquirida por un electron cuando este se mueve sobre una diferencia
de potencial de un volt; 1 eVes equivalente a 23 Kcaljmol. De manera inicial, la energia
luminosa es capturada como una reaccion redox vectorial. Como se muestra en la figura
7.14, ambos fotosistemas establecen una diferencia de potencial redox de alrededor de 1300
mV entre el aceptor primario de electrones y el donador primario de electrones. Ademas,
generan una diferencia de potencial electrico de aproximadamente 100 mV a traves de la
membrana del tilacoide. Con cada evento fotonico, el electron eyectado del centro reaccional
adquiere una energia de alrededor de 1.4 eV.
Son necesarios ocho quanta de luz para lIevarcuatro electrones del agua con la generacion
de 2NADPH2 y 02:
Ocho quanta corresponden a 8 x 1.82 = 14.6 eV. EIpotencial redox entre el par 02-H20
(+0.82 V) y el par NADP+-NADPH2 (-0.32 V) es de 1150 mV (1.15 V). Se puede describir
el efecto de cuatro electrones moviendose a traves de este potencial como la conservacion de
4 x 1.15 = 4.6 eVen forma de NADPH2 (equivalentes a 442 KJ0 106 Kcal). Estaestimacion no
es muy exacta, puesto que se usa la energia Iibre estandar !lCo en vez de !lC, pero el error es
pequeno. EInumero de protones transportados a travesde la membrana del tilacoide por quantum
absorbido, aun no esta bien determinado, pero es entre uno y dos. Podemos tomar provisio-
nalmente uno. Asumimos que en cada cicio pasan tres protones a traves del complejo Fl Fo
ATPsintetasa.Ocho fotones translocaran entonces a ocho protones y conduciran a la sintesis de
8/3 moleculas de ATP.Usando recientes medidas, la energia libre de la sintesis del ATP durante

19. I
I
I
e- I
~~ I
G~ :
8) :
c8 ®-:t: I
]~ S:'~I e- l!0t6n I
·u~ ®r::~ ~o ~Q) I ~I Q2 I I v..:7
O~ } e- ~i I
0e~f' / I I
Mnc08 I I
~ ::
Protones I Protones I
hacia el I hacia el
lumen lumen
><
o
-g 0
0:::
o
u
~ +0.4
+-
oQ.
Figura 7.14 Potencial redox y f1ujo de electrones durante la fo(osintesis. En las ordenadas se muestran 105 potenciales
redox medio de cada acarreador.
la fotofosforilacion, ~Gf, alcanza 14 Kcaljmol (0.6 eV), pero siendo conservadores se debe usar
el valor de energia libre est<lndar~GO ""7.3 Kcaljmol (0.32 eV). EItotal de energia libre conservada
bajo la forma de ATP sera entonces de (8/3) x 0.32 = 0.85 eV (19.5 Kcal 082 KJ).En suma, de
14.6 eV puestos en el sistema, por 10menos se recuperan 4.6 + 0.85 = 5.45 eVen el potencial
quimico de 105 pares NADPH2-NADP+ y ATP-ADP. Con estasconsideraciones, podemos decir
que la eficiencia en la transduccion de energia fotosintetica es de 5.45/14.6 x 100 = 37.3 %.
Como ya se menciono, el potencial de fosforilacion, ~Gf, en la sintesis de ATP en el
c1oroplastoes de 0.6 eV. Estevalor resulta equivalente a la energia adquirida por una unidad de
cargapasando por un potencial de 600 mV. Parasostener estepotencial quimico con tres protones,
cada uno debe pasar sobre un potencial protonico de 600/3 = 200 mV. Experimentalmente, se
encuentra que el ~pH es de casi 3.5 unidades (3.5 x 59 = 206.5 mV) y ~E de menos de
100 mV, para un total de alrededor de 300 mV. Estosresultados son bastante compatibles con la
teoria de que el potencial protonico es la fuerza que efectua la sintesis de ATP.
Enla fotosintesisciclica solo serequiere del fotosistema I.Aqui tambien el numero de protones
translocados por cicio no se encuentra bien determinado, pero se puede considerar por ahora
igual a 2W. Entonces, un quantum provoca la translocacion de 2H+ y la sintesis de 2/3ATP.

20. Si el quantum contiene 1.82 eV de energia y si consideramos al par ATP-ADP como de
0.32 eV, la eficiencia de este trabajo sera:
Laseficiencias absolutas no seconsideran en serio, pero nos enfatizan la importancia de la
generacion de NADPH2 maximizando la cosecha de energia luminosa. Las ventajas ganadas
cuando se incrementa la captura de energia y cuando se tiene acceso a una fuente ilimitada de
poder reductor son la caracteristicas que definen el exito de la fotosintesis oxigenica
En las plantas superiores (plantas C3), la fotosintesis se lIeva a cabo gracias a la suma de las
reacciones en fase iluminada y las reacciones en fase oscura (cicio de Calvin). Las ecuaciones
generales de estas dos fases son:
Cicio de Calvin:
Las cianobacterias 0 algas verde-azules poseen el mismo mecanismo de asimilacion de
C02 que las plantas superiores. La unica diferencia importante es que el C02 se asimila a todo
10 largo del organismo procariote, mientras que en las plantas verdes, este se realiza solo en el
estroma del cloroplasto. La asimilacion de C02 en la mayoria de las bacterias anaerobias
fotosinteticas tambien resulta similar al mecanismo C3 de las plantas verdes, excepto que se
utiliza NADH2 en lugar del NADPH2 como agente reductor del difosfoglicerato. No obstante,
debido a que las bacterias anaerobias fotosinteticas tienen solo una reaccion dependiente de la
luz y usan compuestos como el H2S y el hidrogeno como donadores de electrones en las
reacciones luminosas, la bioenergetica es significativamente diferente a la de las plantas verdes.
Estadiferencia empieza por el bajo potencial redox para SjH2S(Eo= -0.2V) YW/H2 (Eo= -0.42V)
comparados con 02/H20 (Eo= +0.81 ).
. En algunas bacterias fotosinteticas, como en el caso de Chlorobium thiosulfatophilum, la
actividad de las enzimas en el cicio C3 resulta insuficiente para explicar todo el C02 asimilado.
Gracias a experimentos usando 14C02 se observo que el 14C se relaciona principalmente al
glutamato en lugar de al fosfoglicerato, como se podria esperar en un sistema C3. Esto sugiere
que existe otro proceso que contribuye a la asimilacion del C02, el cual se sirve de enzimas
capaces de realizar carboxilaciones reductivas:
Acetil-CoA +C02 + 2Fdred f---7 piruvato + CoA + 2Fdox
Succinil-CoA + CO2 + 2Fdredf---7 a-oxoglutarato + CoA + 2Fdox

21. Comenzaremos con la glic61isis el estudio acerca de la obtenci6n de energia a partir del
catabolismo de sustancias organicas. La glic61isis constituye el primer paso del metabolismo
de los carbohidratos y este se realiza en un ambiente anaerobio. Durante el proceso, la energia
almacenada en la estructura de las hexosas se libera y usa en la sintesis de ATP. Los
microorganismos anaerobios pueden obtener toda su energia metab61ica a partir de la glic6lisis,
sin embargo, las celulas aerobias utilizan este proceso como primera etapa en la oxidaci6n
completa de los carbohidratos. En la glic6lisis, una molecula de glucosa se convierte en dos
moleculas de ATP en un proceso de 10 pasos (figura 7.15). Las 10 reacciones que hay entre la
glucosa y el piruvato pueden considerarse como dos diferentes fases: Las primeras cinco
reacciones constituyen la fase consumidora de energia, en donde los azucares fosfatados son
sintetizados convirtiendo ATP en ADP. Enesta fase, el sustrato de seis carbones se transforma
en dos azucares fosfatados de tres carbones. La otra fase es la fase generadora de energia. En
las ultimas cinco reacciones las triosas fosfatos, se emplean compuestos altamente energeticos,
para producir ATP, transfiriendo el fosfato hacia el ADP. La producci6n neta, por cada mol de
glucosa metabolizado, es de dos moles de ATP y dos moles de piruvato. Hay que resaltar el
hecho de que se generan equivalentes reductores, en la forma de NADH. Se considera que la
glic61isises una via metab61ica muy antigua, y la utilizaron probablemente las primeras bacterias
conocidas, hace 3500 millones de anos, 0 sea 1000 millones de anos antes del primer organismo
fotosintetico. En condiciones completamente anaerobias, el NADH2 generado debe ser
reoxidado en NAD+ para mantener el estado de equilibrio. Los microorganismos que crecen
en condiciones anaerobias transfieren los electrones generados a sustancias como el nitrato,
sulfato 0 sustancias organicas.
Un ejemplo tipico de esta ruta es usado por las bacterias lacticas, las cuales usan
simplemente al NADH para reducir el piruvato en lactato por medio de la enzima lactato
deshidrogenasa:
o OH
II I
CH3
- C - COo- + NADH + W f----1 CH3
- CH - COo- + NAD+
Lo anterior hace de la glic61isisparte de la fermentaci6n, debido a que no hay cambio neto
del estado de oxidaci6n. La fermentaci6n lactica resulta de mucho valor en la fabricaci6n del
queso. Otra fermentaci6n muy importante, incluye el rompimiento del piruvato en acetaldehido
y C02, donde el acetaldehido se reduce en etanol por medio de la alcohol deshidrogenasa:
CH3
CHO+ NADH + W f----1 CH3
CHpH + NAD+
Balance electronico y de energia en la glicolisis
Lafigura 7.15 muestra el resumen de la glic6lisis. Si escribimos la ecuaci6n quimica balanceada
de la glic6lisis, podremos, entonces, cuantificar la producci6n de energia que acompana la
conversi6n de 1 mol de glucosa. Para la fermentaci6n lactica 0 glic61isis anaerobia se tiene
la siguiente ecuaci6n:

22. 130 Termodinamica bio/6gica
Glucosa ENZIMA ~Go
ATP
~
ADP + H+ Hexoquinasa -16.7
G1ucosa-6-fosfato
j Fosfoglucoisomerasa + 1.7
Fruclosa-6-fosfalo
ATP
~ ADP'H'
Fosfofruetoquinasa -14.2
Fruetosa-1,6-difosfalo
I Adolasa +23.8
Gliceraldehido-3-fosfato +
dihidroxiacetona fosfato
j Triosa-fosfato isomerasa +7.5
(2) Gliceraldehido-3-fosfato
NAD"P;~ Gliceraldehido-3-fosfato
+6.3NADH + H+ deshidrogenasa
(2) 1.3-difosfoglicerato
ADP'H'~ Fosfogliceralo quinasa -18.8
ATP
(2) 2-fosfogliceralo
j Fosfog liceromutasa +4.6
(2) 3-Fosfogliceralo
~H20
Enolasa +1.7
(2) Fosfoenolpjruvato
ADP'H' ~
ATP Piruvato quinasa -31.4
(2) Piruvato
Figura 7.15 Reacciones de fa gfic6fisis.

23. De manera similar,sepuede escribir la ecuacion balanceada para la fermentacion alcoholica.
Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2W t------7 2 etanol + 2C02
+ 2ATP+ 2Hp
Observese que ambas ecuaciones se encuentran electronicamente balanceadas. EINAD+
Y el NADH2, los cuales participan en la via metabolica, no aparecen en las ecuaciones totales
como se muestra en la figura 7.15. En la glicolisis aerobia los nucleotidos de nicotinamida
aparecen en la reaccion total de la siguiente manera:
Glucosa + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ t------7 2 Piruvato + 2ATP+2H20 + 2NADH + 2W
EI NADH2 es reoxidado en la cadena respiratoria terminal dentro de la mitocondria. Se
sabe emplricamente que 1 mol de NADH2 producida en el citosol produce aproximadamente
3 moles de ATP en la mitocondria.
Sumando las dos ecuaciones anteriores, se puede apreciar que en la glicolisis aerobia
produce 8 moles de ATP por cada mol de glucosa.
Glucosa + 8 ADP + 8 Pi + O2
t------7 2 Piruvato + 8 ATP + 10 H2
0
Comparando las formulas qUlmicas de la glucosa (C6H1206) y del lactato (C3H603) se
aprecia con claridad que la glicolisis anaerobia es un proceso no oxidativo debido a que es
identico en ambas moleculas el numero de hidrogenos y oXlgenos por atomo de carbon. Lo
mismo es el caso del etanol y C02 si se consideran juntos. Por el contrario, el piruvato es una
molecula mas oxidada que la glucosa como se puede observoHen su formula qUlmica (C3H403).
La glicolisis, tanto anaerobia como aerobia, produce energla a partir de una pequena
fraccion de la energla almacenada en la molecula de glucosa. Como se menciono
anteriomente, la combustion de un mol de glucosa en H20 y C02, produce 2870 Kj de
energla libre en condiciones estandar. Como veremos en la ultima parte de este capitulo, se
obtienen 38 moles de ATP, a partir del ADP cuando un mol de glucosa completa su
mineralizacion (formacion de H20 y C02), pasando por la glicolisis y por el cicio del acido
citrico (cicio de Krebs). En otras palabras, alrededor de 40% de la energla desprendida es
capturada en la forma de ATP.
EI catabolismo de la glucosa a lactato 0 piruvato, solo produce 2 u 8 moles de ATP
respectiv_mente, y como se puede apreciar, la mayor parte de la energia contenida en la
glucosa espera a ser liberada despues de la glicolisis. Por esta razon, el metabolismo aerobio
es mucho mas eficiente que el anaerobio, y los organismos aerobios en general tienen mas
exito y se encuentran mejor distribuidos que 105 organismos anaerobios. La aparicion del
metabolismo aerobio hizo posible la aparicion de 105 grandes ani males que ahora vemos. Sin
embargo, algunos animales superiores aun obtienen una parte importante de su energia a
partir de la glicolisis, bajo ciertas condiciones. Un excelente ejemplo es el cocodrilo, el cual
es capaz de tener movimientos muy rapidos por breves periodos de tiempo. En circunstancias
extremas, la glucolisis de las reservas de carbohidratos representan una fuente de energia, si
bien ineficiente, de rapida movilizacion.

24. Ejemplo 7.1 Los eritrocitos humanos contienen las siguientes concentraciones de los
intermediarios en la gluc6lisis.
Metabolito
Glucosa
Glucosa-6-fosfato
Fructosa-6-fosfato
Fructosa-1,6-bifosfato
GIiceraldehfdo- 3-fosfato
Dihidroxiacetona fosfato
l,3-bifosfoglicerato
3-fosfoglicerato
2-fosfoglicerato
Fosfofenol piruvato
Piruvato
ATP
ADP
Pi
NADH2/NAD+
Concentracion (mM)
5000
83
14
31
19
138
1
118
30
23
51
1 850
138
1 000
2 110
Calcular la producci6n de energfa libre durante la glic61isisa 25°C por mol de glucosa,
en estas condiciones. Representar el flujo energetico graficamente.
Etapa 1: Hexoquinasa
Glucosa + ATP ~ Glucosa-6-fosfato + ADP
6GO = -16.7 KJ/mol
6G +6GO+RTlnK=6CO+RTln[ [ADP][G6P])
1 [ATP][G/c]
[
(138) (83) )
6Gi = -16 700 + (8.314) (298.15) In (1 850) (5 000)
6Gi = -33.3 KJ/mol
Etapa 2: Fosfoglicoisomerasa
Glucosa-6-fosfato ~ Fructosa-6-fosfato
6GO = + 1.7 KJ/mol
6G2 = 1700 + (8.314) (298.15) In ( ~~ )
6G2 = -2.7 KJlmol
Etapa 3: Fosfofructoquinasa
Fructosa-6-fosfato + ATP ~ Fructosa-1,6-bisfosfato + ADP

25. (
(138)(31) )
~G3 = -14 200 + (8.314) (298.15) In (1850) (14)
~G3 = -18.7 Kl/mQI
Etapa 4: Aldolasa
Fructosa-1,6-bifosfato (----7 Gliceraldehido-3-fosfato + dihidroxiacetona fosfato
~GO= + 23.8 Kl/mol
(138) (19)
~G4 = 23 800 + (8.314) (298.15) In 31
~G4 = 34.8 Kl/mol
Etapa 5: Triosa-fosfato isomerasa
Gliceraldehido-3-fosfato + dihidroxiacetona fosfato (----7 2 Gliceraldehido-3-fosfato
~GO = + 7.5 Kl/mol ((19)2]
~G5 = 7 500 + (8.314) (298.15) In (19)(138)
~G5 = 2.6 Kl/mol
Etapa 6: Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa
Gliceraldehido-3-fosfato + NAD+ + Pi (----7 1,3-bifosfoglicerato + NADH + W
~Go = + 6.3 Kl/mol
(
(1) [NADH2] J
~G = 6 300 + (8.314) (298.15) In (19)(1000) [NAD+]
~G6= 840 l/mol
Un mol de glucosa produce dos moles de gliceraldehido-3-fosfato de donde:
~G6 = (2) (850) = 1700 l/mol = 1.7 Kl/mol
Etapa 7: Fosfoglicerato quinasa
l,3-bifosfoglicerato + ADP (----7 3-fosfoglicerato + ATP
~Go= -18.8 Kl/mol
(
(1850)(118))
~G7= - 18800 + (8.314) (298.15) In (138)(1) = -540 l/mol
~G7 = (2) (-0.54) = -1.1 KJ/mol
Etapa 8: Fosfogliceromutasa
3-fosfoglicerato (----7 2-fosfoglicerato
~Go = + 4.6 KJlmol

26. ilGa = 4 600 + (8.314) (298.15) In [ g10~) ) = 1 205 J/mol
ilGa= (2) (1.2) = 2.4 KJ/mol
Etapa 9: Enolosa
2-fosfoglicerato ~ 2-fosfoenolpiruvato + H20
ilGo = + 1.7 KJ/mol
ilGg = 1 700 + (8.314) (298.15) In ( ~~ ) = 1 041 J/mol
ilGg = 2.1 KJ/mol
Etapa 10: Piruvato quinasa
2-fosfoenolpiruvato + ADP ~ piruvato + ATP
ilGo = -31.4 KJ/mol
ilGlO = -31 400 + (8.314) (298.15)ln [(t,~~;~;~j)= 22 992 J I mol
ilGlO = (2) (-23.0) = -46.0 KJlmol
ilG total= ilGi + ilG2 + ilG3 .... ilG 10
ilG total= -58.2 KJ/mol
En el tema anterior, nos referimos al proceso inicial y anaerobio de la degradacion de 105
carbohidratos. Ahora descutiremos 105 procesos subsecuentes en 105 cuales 105 carbohidratos
finalmente se oxidan en C02 y H20. Nuestro enfoque estara dirigido al analisis energetico de
la respiracion. Los detalles en cuanto a la bioquimica y la implicacion fisiologica de dichos
procesos puede consultarse en textos de bioquimica y fisiologia celular.
Resulta conveniente pensar en el proceso oxidativo de 105 sustratos organicos como una
serie de procesos integrados en tres etapas (figura 7.16). En la primera etapa, se genera un
fragmento de dos carbones activados, la acetilcoenzima A 0 acetil-CoA. En la segunda, este
compuesto de dos carbones se oxida mediante el cicio del acido citrico 0 cicio de Krebs. En
la tercera etapa, 105 acarreadores de electrones, que fueron reducidos en el cicio de Krebs, se
reoxidan por medio del transporte de electrones y la fosforilacion oxidativa, con la
correspondiente sintesis de ATP.
Se lIamo originalmente coenzima A por su participacion en la activacion del grupo acilo. La
coenzima A es un derivado metabolico del ATP conteniendo una vitamina soluble, el acido
pantotenico y la ~-mercaptoetilamina (figura 7.17). EI grupo tinl (-SH) Iibre en la punta de la
molecula, es la parte mas significativa de la coenzima A, el resto de la molecula sirve de sitio de
enlace. Enel acil-coenzima A, como en el acetil-CoA, el grupo acilo se encuentra unido al grupo
tiol para formar un tioester:

27. r~--=--=-i~_--~~
I
I
I
1
1
e-
'-----------,
I
I
I
I
I
I
I, II
Oxaloacetato Citrato
~~------e---4--r ': Malato Isocitrato
I I ~
l/_------e-~.~--F-u-m-~-~,to jetoglutomto
II Succinato S· 'I C A
I '--- UCCInI - 0
1
I
I
I
"

28. o
II
-C-CH3
acetilo
o
II
CoA-S-C-CH3
( acetil - CoA
La naturaleza rica en energia de 105 tioesteres, com parada con 105 esteres ordinarios se
basa, fundamentalmente, por la estabilizacion de la resonancia. Los esteres pueden resonar
entre dos formas (figura 7.18). La estabilizacion incluye la deslocalizacion de un electron 1t:
dando un doble enlace parcial en el enlace c-o. Por el contrario, el mayor tamano del atomo
de S comparando con el del 0, reduce la deslocalizacion del electron 1t: entre el C y el S, de
donde la estructura C=S no contribuye significativamente a la estabilizacion de la resonancia.
Por 10 anterior, el tioester es menDs estable que el ester y su ""Go de hidrolisis es mayor.
o CH3
II I
HO- P - 0 - CH2 - C - CHOH - CO - NH - CH2 - CH2 - co -NH - CH2 - CH2 - SH
I lH3 JCNH3o N
HO- LOH2C 0 <N )
~Q
o OH
IHO- p -OH
II
o
Ahora resumiremos que pasa en una vuelta del cicio de Krebs 0 cicio del acido citrico, esto
esta representado en la figura 7.19. Primero, el fragmento de dos carbones (acetil-CoA) se
combina con un aceptor de cuatro carbones (oxa/oacetato). Despues, 105 dos carbones son
removidos como C02 y el citrato producido se metaboliza posteriormente. Cuatro oxidaciones
tienen lugar, el NAD+ sirve como coenzima en tres de ellas y el FAD en la cuarta. Fosfatos
altamente energeticos se sintetizan directamente en la reaccion con la succinil-CoA sintetasa.
Finalmente, el oxaloacetato es regenerado y se encuentra listo para comenzar otro cicio con
la condensacion de un nuevo acetil-CoA.
La ecuacion quimica balanceada que representa la suma de las ocho reacciones
participantes en un cicio puede representarse de la siguiente manera:
Acetil-CoA + 2 H20 + 3 NAD+ + FAD + GDP+ Pi ~ 2 C02 + 3 NADH + 3 W + FADH2
+ CoA-SH + GTP

29. EIGTP formado por la reaccion del succinato sintetasa en los animales es energeticamente
equivalente al ATP,debido a que la nucleosidodifosfoquinasa puede convertir el GTP formado
en ATP. Por esta razon, sustituiremos el GTP por ATP en nuestras proximas discusiones.
Considerando la reaccion que convierte el piruvato en acetato, por medio de la piruvato
deshidrogenasa, y el catabolismo completo de la glucosa a traves de la glicolisis y el cicio de
Krebs, se tiene la siguiente ecuacion general:
Glucosa + 6 H20 + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4 Pi f------7 6 C02 + 10 NADH + 10 H+
+ 2 FADH2 + 4 ATP
Hasta este punto, la produccion de ATP por mol de glucosa metabolizada no se
incremento mucho, se producen 2 moles de ATP,4 en la glicolisis y 4 en la ecuacion anterior.
La mayor parte del ATP generado durante la oxidacion de la glucosa no se forma directamente
a partir de las reacciones de glicolisis y del cicio de Krebs. La mayor parte del ATP es formado
durante la reoxidacion de los acarreadores de electrones en la cadena repiratoria terminal.
Estoscompuestos, NADH2 y FADH2, son energeticamente ricos por si mismos, en el sentido
de que la oxidacion de estos compuestos reducidos es altamente exergonica. Cuando los
electrones de estos acarreadores reducidos son transferidos al oxigeno, se sintetizan moleculas
de ATP a partir del ADP por medio de reacciones acopladas. La oxidacion de una mol de
NADH2 produce la sintesis de 3 moles de ATP y la oxidacion de una mol de FADH2 produce
alrededor de 2 moles de ATP. Como veremos es el siguiente capitulo, se generan 30 moles
mas de ATP par cada mol de glucosa oxidada hasta C02 y H20.
o
II~
R-C-SR ~
c5~_
I
R-C=SR'
6+
(s-
O 0- +
II, I: d,
R-C-OR ~ R-C':...:OR
o
~G Desestobilizocioo
par resononcio
CJ
oo
R-c! + R'-OH,0-
o
//
R-C + R'-SH
'0-
Figura 7.18 La (alta de resonancia estabilizadora es la base para explicar 105valores mas altos de L'>Cen la hidr61isis de 105
tioesteres, comparados can 105de la hidr61isis de 105esteres ordinarios. La energia libre de 105productos de la hidr61isis
es la misma en ambos casas.

30. H20~ ~, CoA-5H + H+
Citrato
NAD· -t--C02 • NADH • H·
a-Cetoglutarato
NAD+ + COA-5H~ _
,~ C02+NADH+H+
Succinil-CoA
Pi + GDP - 1.. ~.•• GTP + CoA-SH
Succinato
FAD~ _
.•• ~ FADH2
Fumarato
-t--NADH. H·
Oxaloacetato

31. 7.1 Durante la fosforilacion ciclica se estima que deben pasar dos electrones a traves del cicio
para bombear suficientes protones y generar un ATP. 5i la ~GO de la hidrolisis
del ATP es de -50 KJ/mol en las condiciones prevalecientes en el cloroplasto, lcual seria la
eficiencia de la fosforilacion ciclica usando luz de 700 nm?
7.2 La membrana del tilacoide presenta un gradiente de pH de 4.0 unidades, siendo ellumen
mas acido que el estroma. lCual seria la longitud de onda maxima de la luz que podria
suministrar suficiente energia para bombear un proton en contra del gradiente, si la eficiencia
de la fotosintesis es de 20% y la temperatura de 25°C?
7.3 Las concentraciones intracelulares de un musculo en reposo son las siguientes: Fructosa-6-
fosfato, 2 mM; fructosa-l,6-difosfato, 10 mM; AMP, 1 mM; ADP, 2 mM; ATP, 10 mM;
fosfato inorganico, 50 mM. lLa reaccion de la fosfofructoquinasa en el musculo es mas 0
menDs exergonica que en las condiciones estandar? lPor cuanto?
7.4 Calcular la ~G de hidrolisis del fosfoenolpiruvato (PEP) en fosforo inorganico y piruvato
usando la siguiente informacion:
PEP + ADP f----7 Piruvato + ATP
ATP + H20 f----7 ADP + Pi
7.5 La hexoquinasa cataliza la reaccion:
Keq = 3.2 X 103
~G = -7 700 cal/mol
~G = -4 562 cal/mol
Keq = 2.21 X 103
Calcular la concentracion de glucosa-6-fosfato necesaria para forzar la reaccion de la
hexoquinasa a ir en sentido contrario (hacia la sintesis de glucosa y ATP) en presencia de
10-5 M de glucosa, 10-3 M ATP Y 10-4 M ADP.
7.6 Calcular la energia de un einstein de fotones de luz de: a) 260 nm y b) 750 nm.
7.7 a) lCuantas moles de ATP pueden sintetizarse por un organismo fotosintetico, considerando
un 100% de eficiencia, cuando asimila un einstein de luz roja a 700 nm? b) lCual es la
eficiencia si un mol de ATP se forma por cad a dos electrones equivalentes excitados por
luz roja (dos einsteins de fotones)?
7.8 Calcular las concentraciones en el equilibrio y las relaciones de concentraciones de todos
105 componentes de la reaccion catalizada por la isocitritasa:
cuando la concentracion inicial de isocitrato es: a) 1 M; b) 0.1 M; c) 0.01 M; d) 10.3 M; Y
e) 10-4
M. EI cambio de energia libre, ~G, para la reaccion de la isocititasa es de 2 110
cal/mol.
7.9 Determinar la constante de equilibrio total y la~G total de la conversion del acido fumarico
en acido citrico a pH 7 Y a 25°C, por medio de las siguentes reacciones:

32. Fumarato + H20 = mala to
malato + NAD+ = oxalacetato + NADH + H+
oxalacetato + acetil-CoA + H20 = citrato + CoASH
Keq = 4.5
Keq = 1.3 x 10-5
Keq = 3.2 X 105
7.10 EI rompimiento del citrato en acetato y oxalacetato se acompafia de un cambio de energia
libre de -680 cal/mol. La constante de equilibrio de la citrato sintetasa es de 3.2 x 105.
Calcular la ~Go y la Keq de la hidr61isis del acetil-S-CoA.