Bioenergética

Bioenergética (resumen, e información de harper) La Bioenergética es la parte de la biología muy relacionada con la física, que se encarga del estudio de los procesos de absorción, transformación y entrega de energía en los sistemas biológicos. En general, la Bioenergética se relaciona con la Termodinámica, en particular con el tema de la Energía Libre, en especial la Energía Libre de Gibbs. Los cambios en la energía libre de Gibbs ΔG nos dan una cuantificación de la factibilidad energética de una reacción química y pueden proveer de una predicción de si la reacción podrá suceder o no. Como una característica general de La Bioenergética, esta solo se interesa por los estados energéticos inicial y final de los componentes de una reacción química, los tiempos necesarios para que el cambio químico se lleve a cabo en general se desprecian. Un objetivo general de la Bioenergética, es predecir si ciertos procesos son posibles o no; en general, la cinética cuantifica qué tan rápido ocurre la reacción química. Bioeneraetica: +ir la función de AñP Peter A. Mayes, PhD, DSc La bioenergética o termodinhrnica bioquimica, es el estudio de los cambios de energía que acompaíían a las reacciones bioqulmicas. Proporciona los principios que explican la causa de que algunas reacciones puedan producirse en tanto que otras no. Los sistemas no bioldgicos pueden utilizar la energia calorífica para realizar trabajo, pero los sistemas bioIbgicos son en esencia isotbrmicos y emplean la energla química para energizar el proceso de la vida. IMPORTANCIA BIOQU~MICA Para proveer la energia que capacite a! ser vivo para llevar a cabo sus procesos normales, se requiere un combustible adecuado. Entender la forma en que los organismos obtienen esta energía de sus alimentos basico para comprender la nutrici6n y el metabolismo nomales. La muerte por inanicibn se produce cuando las reservas energeticas disponibles se agotan y ciertas formas de desnutrición se relacionan con un desequilibrio de la energía (marasmo). El índice de emisión de energía, medida por el indice rnetab6lic0, se controla por las hormonas tiroideas cuya disfuncion es una causa de enfermedad. El almacenamiento excesivo del suministro de energia produce obesidad, una de las enfermedades más frecuentes de la sociedad occidental. LA ENERG~A LIBRE ES LA ENERG~A UTIL EN UN SISTEMA Los sistemas biológicos cumplen con las leyes generales de la termodinámica La primera ley de la termodinhrnica establece que Ta energía total de un sistema, incluyendo la de su entorno, permanece constante, ksta es también la ley de la conservacibn de la energia. Implica que durante cualquier cambio dentro del sistema completo, w se pierde ni se gana energia. Sin embargo, dentro de ese sistema total, la energía puede transferirse de una parte a otra o puede transformarse a otm forma de energia. Por ejemplo, Ia energia química puede convertirse en calor, electricidad, energia radiante o energía mecánica en los sistemas vivos. La segunda ley de la termodinámica establece que si un proceso se produce espanthneamente, la entropia total de un sistema debe aumentar. La entropia representa e1 grado de desorden o lo fortuito del sistema y se torna mfixima en un sistema cuando &te se aproxima at equilibrio verdadero. En condiciones de temperatura y presibn constantes, la relaci6n entre el cambio de energia libre (AG) de un sistema en reacci6n y el cambio de la entropia (AS) estfi dada por la siguiente ecuación, que combina las dos leyes de la termodinhica: El cambio en la energia libre (AG) es esa porci6n del donde hH es el cambio de la entalpía (calor) y T es cambio de la energía total de un sistema que está la absoluta. disponible para realizar trabajo; es decir, la energía Bajo las condiciones de las reacciones bioquímiiitil, conocida tarnbikn en los sistemas químicos como cas, debido aque A-3 es aproximadamente igual a AE, que potencial qilimica. es el cambio total en la energía interna dc la reacción, la relacibn anterior puede expresarse de la manera siguiente: Si AG es de signo negativo, la reacción procede de manera espontánea con pdrdida de energla libre, es decir, es exergónica. Cuando, adembs, AG es de gran magnitud, la reaccicín se dirige virtualmente a su consumaci6n y es esencialmente irreversible. Por otra parte, si AG es positiva, la reaccidn procede s61o si puede ganarse energia, es decir, es endergónica. Si, ademas, la magnitud de AG es grande, el sistema es estable con poca o ninguna tendencia para que se produzca una reaccibn. Si AG vale cero, el sistema esta en equilibrio y ningUn cambio neto tiene lugar. Cuando los reactantes esthn presentes en concentraciones de 1 .O mol!L, AG' es el cambio de la energia libre esiandar. En las reacciones bioquímicas. una condicióti estándar se define con un pH de 7.0. El cambio de la energia libre estlndar a este pH se designa por AGquot;
. Puede calcularse a partir de la constantedeequilibrio K', AG*' = - 2.303 RT log Ks, donde R es la constante de los gases y T es la temperatura absoluta (capítulo 9). Es importante destacar que la 3G real puede ser mayor o menor que AGquot;
, segiin la concentracion de los diversos reactantes, incluso el solvente, varios iones y proteinas. En un sistema de reacciones bioquimicas, debe apreciarse que una enzima s61o las acelera hasta liegar al equilibrio: esto nunca modifica la concentracion final de los reactantes en equilibrio después de su desprendimiento de la enzima. LOS PROCESOS ENDERGONICOS SE LOGRAN POR ACOPLAMIENTO A PROCESOS EXERGON~COS Los procesos vitales -como las reacciones sintéticas, la contracción muscular, la conduccione~d e impulsos nerviosos y el transporte activo- obtienen energía por enlace quimico o acoplamiento, con las reacciones oxidativas. De manera más simple, este tipo de acoplamiento puede ser representado como se muestra en la figura 12-1. La conversibn del metabolito A al metabolito B produce energia libre. Esta se acopla con otra reacción, en la cual se requiere energia libre para convertir el metabolito C al metabolito D. Como parte de la energia liberada en la reacci6n degradativa se transfiere a la reaccibn sinte-tica en forma diferente al calor, los t$minos químicos nomiales exotémico y endotermico no pueden aplicarse a estas reacciories. En su lugar, se emplean las palabras exergunico y endergbnico para indicar que un proceso se acornpafia con perdida o ganancia, respectivamente, de energía libre, independientemente de la forma de energia de que se trate. En la prhctica, un proceso endergónico no puede existir solo, sino que debe ser un componente de un sistema acoplado exergónico-endergónico donde el cambio neto global es exergonico. Las reacciones exergiinicas constituyen el cata bolismo (degradacion u oxidacián de moléculas combustibles), en tanto que las reacciones sintéticas que fuman sustancias se denominan anabolismo. El conjunto de procesos catab6licos y anabblicos constituye el metabolismo. Si la reacción mostrada en la figura 12-1 se mueve de izquierda a derecha, eproceso global debe estar acompaiiado por pérdida de energia libre como calor. Puede concebirse un mecanismo posible de acoplamiento si un intermediario comun obligatoria (I) toma parte en ambas reacciones, es decir, En los sistemas biolbgicos, algunas reacciones exergónicas y endergbnicas estan acopladas de esta manera, DeberA apreciarse que este tipo de sistema tiene incorporado un mecanismo para el control biotogico de la velocidad a la cual se permite que se produzcan los procesos oxidativos, ya que la existencia de un intermediario común obligatorio para las dos reacciones, exergbnica y endergbnica, deja que la velocidad de utilizacibn del producto de la vla sintetica (D) determine por acci6n de masas Ea velocidad Calor Energía qulmica Figura q2-1. Aco'plamiento de una reaccidn exergbnica y una endergbnica. n la cual A es oxidado. De hecho, estas relaciones proporcionan una base para el concepto del control respiratorio, proceso que evita que un organismo fuera de control se incendie. Una extensión del concepto de acoplamiento lo dan las reacciones de deshidrogenación. que están acopladas a hidrogenaciones por iin portador intermediario (figura 12-2). Un metodo alterno de acoplar un proceso exergónico a unti enderghnico es sintetizar un compuesto con alto potencial energético en la reaccion exergonica e incorporar cstc nuevo compuesto a la cndergbnica, efectuando así una transferencia de energía libre de la via exerg~nicaa la endergónica. En la figura 12-3, -@ es un compuesto con un alto potencial energetico y @ cs el compuesto correspondiente con bajo potencial enercélico. I,a ventaja biológica de este mecanismo es que u -@, al contrario de 1 en el sisten~an terior, no necesita tener una estructura seme-jante a A, R, C o D. Esto perm itiria que KJ actuara como transductor de energía desde una amplia gama de reacciones exerglinicas a un igualmeiite extenso grupo de rcnccioncs o procesos endergónicos, como se muestra en la figura 1 2 4 . Por otro lado, en la cdlula viva, el principal compuesto intermediario o portador de alta energía (designado -ae)s e l trifosfato dc adcnosina (ATP, del iriglés. ~r(ic~i7osifn rei pho.~phate). LOS FOSFATOS DE ALTA ENERG~A DESEMPENAN UNA FUNCIÓN PRINCIPAL EN LA CAPTURA X TRANSFERENCIA DE ENERGIA Para conservar los procesos de la vida, todos los organismos debcn obtener suministros de energia libre a partir de su entorno. Los orgmisinos autótrofos acoplan su metabolismo a aEgiin proceso exergónico simple en su entorno; por .ejemplo, las plantas verdes utilizan la energía de la luz solar y ciertas bacterias autotrofas utilizan la reacción FeZ' -r Fe3'. Por otro lado, los organismos heterbtrofos obtienen energia libre mediante el acoplamiento de su metabolismo a la rotura de moléculas orghnicas cornple-jas procedentes de su Figura 12-3. Transferencia de energla libre de una reacción exergonica a una endergbnica a travhs de la formación de un compuesto de alta energía. entorno. En todos estos organismos, el ATP desempefia una funcihn en la transferencia de la energia libre de las reacciones exerg~nicas a las endergíinicas (figuras 12-3 y 124). El ATP es un nucleiitido especiaIizado que contienc adenina, ribosn y tres grupos fosfato. En sus actividades celulares, funciona como un complejo con Mp7+ (figura 12-51. La imporiancia de los fosfatos en el metabolismo intermedio se hizo cvidente con el descubrimiento de los detalles quiniicos de Ia glucólisis y de la función del ATP, del difosfato de adenosina (ADP, dcI inglés, udenosine djphosphuie) y del fosfato inorghnico (P,) en este proceso (capítulo 19). El ATP se considerh Proceso enderg6nlco Excitacibn nerviosa activo Figura 12-2. Acoplamiento de las reacciones de deshidro- Figura 12-4- Transduccibn de energla a los procesos genactbn e hidrogenacrón mediante un portador tnterme- biolbgiees que la requieren (endergbnims) a través de un diario compuesto común de alta energia 138 Bioquimica de Harper se debe a la carga de repulsilin de los ritomos de oxigeno adyacentes, con carga negativa y a la estabilización de los productos de la reaccion, especialmente fosfatos, como híbridos de resonancia. Orros compuestoc de importancia bíologica que se clasifican como quot;
compuestos de altaenergiaquot;
son tioésteresentre losquese encuentran ésteres de la coenzima A (por ejemplo, acetil-COA), proteínas acilportadoras, esteres de aminoácidns que participan en la síntesis proteínica, S-ad~nosilmetionina (metionina activa) UDPGIc (uridindifosfato glucosa) y PRPP (S-fosforrihosi 1-pirofosfato). Los fosfatos de alta energia se designan por el símbolo - @ Figura 12-5. El trifosfato de adenosina se muestra aquí como un complejo de magnesio. El ADP forma un complejo similar con ~ g ~ ' . Lipmann introdujo el slmbolo -@, para indicar la presencia del enlace fosfato de alta energia. El simbolo seiiala que cl grupo adherido al enlace, en la transferencia a un aceptor apropiado, traspasa la mayor cantidad de energia libre. Por esta razlin algunos prefieren el termino quot;
potencial de transferencia de griipoquot;
al de quot;
enlace de alta energiaquot;
. Asi, el ATP cnntiene dos grupos fosfato de alta energia y el ADP contiene uno, mientras que el enlace fosfato del AMP (monofosfato de adenosina) es del tipo de baja energia ya que se trata de un enlace Cster normal (figura 124). como un medio de transferir radicales fosfato en el proceso de la fosfonlacion. La función del ATP en la energdtica bioquimica fue descubierta en experimentos que demostraron que el mencionado ATP y la fosf'ocreatina eran degradados durante la contraccion muscular y que su síntesis ulterior dependia del suministro de energia procedente de procesos oxidativos en el rnUcculo. No fue sino hasta que Lipmann introdu-jo el concepto de quot;
fosfatoc de alta energiaquot;
y el de quot;
enlace fosfato de alta energiaquot;
, que la función de estos compuestos en hioenergdtica se apreció con claridad. El valor intermedio para Ia energía libre de la hidrólisis de ATP comparado con el de otros organofosfatos tiene un importante significado bioenergético Cuadra 12-1. Energía libre estlindar de la hidr6lisis de algunos fosfatos orgánicos e import: --quot;
- -- incia bioc ---AA~ En el cuadro 12-1 se muestra la enesgla libre esthndar l dc la hidrólisis de varios fosfatos importantes desde el punio de vista bioquirnico. Es posihEe obtener el c8lculo de la tendencia comparativa de cada uno de los grupos dc fosfatos para transferir energia a un aceptor adecuado, a partir de los AGquot;
' de su hidrólisis (medido a 37 quot;
C). En et cuadro se puede observar que el valor de la hidról isis del fosfato terminal del ATP divide la lista en dos grupos. Uno, de fosfatos de baja energía, e~jemplilicadop or los fosfoksteres intermediarios de la gIucolisis, tiene valores AGO' menores que el del ATP, en tanto que en el otro grupo, designado fosfatos dc alta energia, el valores igual o misalto queel del ATP. Los componentes de este ultimo grupo, incluyendo al ATP y al ADP, por lo general son anhidridos (pos ejemplo, el I -fosfato del 1,3-difosfoglicerato), enolfosfatos (corno el fos.foenolpiruva2o) y fosfoguanidinas (por ejemplo, focfato de creatina, fosfato de arginina). La posicicin intermedia del ATP le permite desernpefiar una fi~nciánim portante en la transferencia de energía. El alto cambio de energía libre en la hidrólisis de ATP rompuesto Fosfocnolpiruvato CarbamillFisF 1,3-Diti)sfi~gI glicerato) Fosfocreatin~ A1 I'il Gl Fri AF G1 G1 - * P ato liccrato f a I'P -+ ADP 1I' + AMI ,. .+ '010S1iit0 ucosa I -fo! uctusa h-fo vil' sfato sfato ucosa 6-foi icerol 3-fo! i, ortofosfatc + Valores de ATP y ntms rnbs tomados de Krebs y Krirnberg (1957). Los valores difieren entre investigadores según las situacioncs precisas bajo la cuales se efeclunron las mediciones. I I I Adenosina -O- P-0-P-O-P-0- I I 11 I I o o o Trifosfato de adenoslna (ATP) I 1 Adenosina -O - P -O - P- OH I I a O o Adenosina -@-@ Disfosfato de adenosina (ADP) I Adenoctna - O - P - O- 11 o o Adenosina - '@ Monofoslato de adenosina (AMP) Figura 12-6. Estructuras del ATP, ADP y AMP que muestran la posición y el número de fosfatos de alta energía (a) LOS FOSFATOS DE ALTA ENERG~AA CTUAN COMO LA quot;
ENERGIACI RCULANTEquot;
 DE LA CELULA Como consecuencia de su posición media en la lista de energías libres cstándar de la hidrblisis (cuadro 12-1 ), el ATP puede actuar como donador de fosfato de alta energía para formar aquellos compuestos que están después de él en Ia lista. Asimismo, el ADP puede aceptar fosfato de alta energía proveniente de aquellos compuestos que estén en la parte superior del cuadro, para formar ATP, siempre y cuando se disponga de la maquinaria enzimlitica adecuada. En efecto, un ciclo ATPIADP conecta los procesos que generan *a las reacciones que lo utilizan (figura 12-7). As[, el ATP se consume y regenera de manera continua. Esto tiene lugar a una velocidad muy rápida, dado que el depósito ATP/ADP total es en extremo pequeno y suficiente para mantener un tejido activo s61o durante algunos segundos. Hay tres ruentes principales de -@, que toman parte en la conservación o captura de la energía: 1) Fosforilaci6n oxidativa: Ésta es la fuente cuantitativa mayor de -@en los organismos aerobios. La energía libre para conducir este proceso procede de la oxidacibn de la cadena 1,3-Difosfogliceratc Fosfoenol piruvato Fosforilación oxidativa Otras fosforilaciones, activaciones y procesos endergbn~cos / / lt;br />Glicerol 3-fosfato Glucosa 6-fosfato Glucusa 1.6- difosfato Figura 12-7. Función del uclo ATPlADP en la transferencia de fosfato de alta energia. Obdrvese que @no existe en un estado libre sino que es transferido en las reacciones que se muestran respiratoria empleando O? rnolecular dentro de Ias mitocondriats (capítulo 13). 2) GIucblisis: Hay una t'ormacibn neta de dos @como resultado de la formación de Iactato a partir de una mol8cula de glucosa, generados en dos reacciones catalizadas por la fosfoglicerato cinasa y la piruvatocina, respectivamente (figura 19-2). 3) Ciclo del hcido cítrico: En el ciclo se genera un a,dire ctamente en el paso catalizado pos la succinil tiocinasa (figura 18-3). Otro grupo de compuestos fosfhgenos representado en el cuadro actúan como formas de almacenamiento de fosfato de alta energía. En éste se incluye a la fosfocreatina, que existe en el músculo esquelético, en el com6n, los ecpermatomides y en el cerebro de los vertebrados, y la fosfoarginina, que s61o se encuentra en el músculo de los invertebrados. En condiciones fisiológicas, esta reaccilin permite que las concentraciones de ATP se conserven en el m.iisculo, aunque esté utilizindose rhpidamente, porque la fosfocreatina I4O Biquímica de Harper (Capítulo 12) sirve como fuente de energía para la contraccion muscular. Por otra parte, cuando el ATP es abundante, su concentración puede funcionar como almacén de fosfato de alta energia (figura 12-8). En el muscrilo, se ha descrito una lanzadera de fosfato de creatina que traslada fosfato de alta energía de las mitocondrias al sarcolema y que actua como un amortiguador del mismo {figura 14-16). En el miocardio, este amortiguador puede ser importante para proveer una protección inmediata contra los efectos del infarto. Cuando el ATP actiia como donador de fosfato para formar aquellos compuestos de menor energia libre de la hídrólisis (cuadro 12-11, el grupo fosfato es convertido invariablemente en otro de baja energía, por ejemplo: Glicerol + Adenocina -@ -@)a Glicerol -@ + Adenosina - @ - @ El ATP permite el acoplamiento de reacciones desfavorables en el aspecto termodinámico con otras favorables La energktica de las reacciones acopladas se describe con m& detalfe en las figuras 12-1 y 12-3. Tal reacción es la primera en la vía de glucólisis (figura 19-2), la fosforilación de la glucosa a glucosa 6-fosfato, que es endergónica por excelencia y que, en condiciones fisiológicas, podria no proceder en esa forma. (7) Glucosa +. Pi + Glucosa 6-fosfato + H20 (AGquot;
= + 13.8 kJlrnol) de la glucosa. Tal reaccihn es la hidrblisis del fosfato terminal del ATP. (2) ATP t ADP + P (AGquot;
= - 30.5 kJlmol) Cuando (1) y (2) se acoplan en una reacción catalizada por la hexocinasa, la fosforilación de la glucosa avanza con facilidad en una reaccibn altamente exergónica que en condiciones fisiolbgicas dista mucho del equilibrio y, por tanto, es irreversible para propbsitos prhcticos. Glucosa + ATP -9 Glucosa 6-fosfato + ADP (AGquot;
= - 16.7 kJlmol) Muchas reacciones de quot;
activaciónquot;
siguen este modelo. La adenilil cinasa produce la interconversión de nucleótidos de adenina La enzima adenilil cinasa (miocinasa) esta presente en la mayoria de las células. Cataliza la interconversion de ATP y AMP por un lado y de ADF por el otro: AT P> -+ fAMP 2 ADP Para que tenga lugar, la reacci6n debe estar acoplada con otra que sea más exergbnica que la fosforilacibn Esta reaccibn tiene tres funciones: HIC-N 1 ADP ATP '?'a 'Ha lt;br />G-N Coow (dGO' - -12.6 W/moll cm Fasfato de creatina Creatina Flgura 724. Transferencia de fosfato de alta energla entre el ATP y la creatina. 1) Permite al fosfato de afta energia del ADP ser usado en la formación de A V . 2) Permite al AMP, formado como consecuencia de diversas reacciones de activacibn en las que interviene el A V , ser fosfosilade nuevamente para formar ADP. 3) Permite al AMP, el cual aumenta en concentracibn cuando el ATP se agota, actuar como una seflal metabblica (alostérica) para incrementar la velocidad de las reacciones catabólicas, las que a su vez llevan a la generacidn de rnhs ATP (capitulo 2 1 ). Cuando el ATP reacciona para formar AMP, se forman pirofosfatos inorgánicos (PPi) Este proceso tiene lugar, por ejemplo, en la activacibn de los ácidos grasos de cadena larga: ATP + COA SH + R COOHAMP * PPi + R COCCoA La reaccibn se acompafía de perdida de energia libre en forma de calor, lo cual asegura que la reaccibn de activación se desplace hacia la derecha; esto es facilitado ulteriormente por la escisión hidrolitica del PP, catalizada por la pirofosfatasa inorghnica, reacción que por sí sola tiene un elevado AGO' de -27.6 kJ/mol. Obsérvese que la activacidn por la ruta del pirofosfato produce una perdida de dos a,en lu gar de uno que es lo que se pierde cuando se forman ADP y P,. PIROFOSFATASA La combinacibn de las reacciones anteriores hace posible que el fosfato pueda utilizarse de nuevo y que los nucleótidos de adenina se intercambien (figura 12-9). I ADP Flgura 12-9. Ciclos del fosfato e intercambio de los nucledtidos de adanina. Otros trifosfatos de nucleósidoc toman parbe en la transferencia de fosfatos de alta energia Por medio de la enzima nucle6sido difosfatocinasa. los trifosfatos de nucleósidos semeiantes al A'TP, pero que contienen una base distinta de la adenina, pueden ser sintetizados a partir de sus difosfatos, por ejemplo: DIFOSFATOClNASA A f P + UDP-> ADP + UTP (trifosfato de uridina) ATP + GDP ADP + GPT (trifosfato de guanosina) ATP + CDP<-> ADP + CTP (trifosfato de citidina) Todos estos lxifosfatos intervienen en las fosfonlaciones en la célula. De modo similar, las nucleósido monofosfato cinasas específicas de cada nucleósido de purina o pirimidina, catalizan la formación de difosfatos de nucleósido a partir de los rnonofosfatos cosrespondientes. ATP + Nucleósido - @ P ADP * Nucleósido -@ -@ Por tanto, la adenilil cinasa es una monofosfato cinasa especializada. RESUMEN 1) Los sistemas biolbgicos son isotkrmicos en esencia y usan energia química para suministrar energía a los procesos de los seres vivientes. 2) Las reacciones son espontheas cuando hay pérdida de energia libre (AG es negativa); es decir, son exergiinicas. Si AG es positiva, la reaccibn tiene lugar 5610 si puede disponerse de energIa libre; es decir, es endergbnica. 3) Los procesos endergbnicos se efectúan sblo cuando se acoplan a procesos exerg6nicos. 4) El ATP actúa como la 'quot;
moneda circulantequot;
o quot;
corriente energkticaquot;
de la cdlula, transfiriendo energia libre derivada de sustancias con mayor potencial energético a las de potencial menor. 142 Bioqquimica de Hurper (Capítulo IZ) REFERENCIAS de Meis L: The concept of enetgy-rich phosphate com- Klotz IM: lntroduction to Biornolecular Ensrge~icsA. capounds: Water, transport ATPases, and cntropy en- demic Press, 1986 ergy Arch Biochcin Riophys 1993;306:287. Krebs HA, Kornberg HL: Energi Transforma~ions an Ernster L (editor): Rlnencrgeti~s Elseiier. 1984. I.iving Matter. Springer. 1957. H a r o l d FM: T h e l ' ~ t a l F o r c e A ~ ~ t ~ ~ u f B r o e n e r g e r iLcesh ningerAt:Rioenergetics TheMolecularRasr~oj' Freeman, 1986. Diological Energy i'ransformaí

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