lunes, 5 de septiembre de 2016

3 EL METABLISMO Y LAS REACCIONES QUÍMICAS


Las relaciones entre estructura y función son evidentes en todos los niveles biológicos, desde el nivel molecular hasta el organísmico. En el capítulo anterior vimos que las proteínas tienen una intrincada configuración tridimensional que condiciona su funcionamiento, la cual depende de una secuencia de aminoácidos con cierta tolerancia a los cambios, en donde algunos residuos son más determinantes que otros en la conformación estructural.

En este capítulo nos enfocaremos en la función química de cierto grupo de proteínas denominadas enzimas, y como estas enzimas son fundamentales en la organización de los seres vivos y aun así ser capaces de cumplir con las leyes de la termodinámica sin tener que acudir a algún principio vitalista. El único principio al que si hay que hacer referencia es la energía útil que puede transferirse entre un estado químico a otro, la cual es una fracción de la energía total, esta energía se conoce como la energía libre de Gibbs.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

3.1 Bioenergética

Bioenergética es una palabra un poco prostituida, pues es empleada por algunos newage para realizar afirmaciones un poco coloquiales, pero el punto es que aquí lo trabajaremos exclusivamente desde el punto de vista de las ciencias de la naturaleza, y con esto no se quiere decir que nosotros poseamos la verdad y ellos sean unos timadores –aunque esa sea mi sospecha –lo que queremos decir es que a cada quien lo suyo.

La bioenergética hace referencia a como la energía, sea esta proveniente del Sol o de los minerales de la corteza terrestre, es canalizada por los seres vivos. Los seres bullen de energía, las macromoléculas de todo tipo son ensambladas, los productos de desecho son excretados, las instrucciones genéticas fluyen de una molécula a otra, las vesículas son transportadas por proteínas que actúan como grúas. Para mantener ese nivel de actividad las células deben adquirir energía. El estudio científico de las transferencias y transformaciones de la energía en los seres vivos se conoce como bioenergética.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)


3.1.1 Leyes de la termodinámica

La energía se define como la capacidad se realizar un trabajo mecánico, sin embargo existen muchas formas energéticas que no necesariamente involucran un desplazamiento mecánico. La energía es un valor arbitrario que solo podemos señalar cuando hay un cambio, transferencia o transformación entre dos momentos diferentes. Intuitivamente podemos saber que dos cuerpos pueden transferir energía entre si. El estudio de estas transferencias energéticas se conoce como termodinámica.

La energía no puede definirse en sí misma, por lo que en general tendemos a confundir su definición no definida propiamente por los físicos hasta el día de hoy con los mecanismos de transporte de energía, de esta forma aun en este texto tenderemos a emplear ambos conceptos indistintamente debido a la facilidad de lenguaje y su uso general en los libros de texto. De esta forma podemos afirmar que la energía posee diferentes mecanismos de transferencia, entre los que podemos contar: el calor, la electricidad, el magnetismo, la luz o radiación electromagnética, los enlaces químicos, las uniones nucleares, el movimiento cinético entre otros.

En términos generales los flujos de energía en el universo están condicionados por cuatro leyes generales, conocidas como las leyes de la termodinámica, las cuales definiremos muy someramente a continuación:

3.1.1.1 Ley cero

La energía deberá fluir desde el cuerpo más energético al menos energético hasta que se alcanza un punto de equilibrio, momento en el cual la energía aparentará quedarse estática y los flujos dependerán únicamente de variables mecánico cuánticas, pero que en la práctica no serán relevantes. En términos del calor esto se traduce a que el calor solo puede fluir desde el cuerpo caliente al cuerpo frío y nunca en sentido inverso hasta que se alcanza el equilibrio térmico. En este sentido para poder disminuir la temperatura de un cuerpo A, se necesita un cuerpo B mas frio que ingrese en contacto con A hasta que ambos alcances el equilibrio, luego si se desea seguir disminuyendo la temperatura del sistema A-B se necesitará un tercer cuerpo C mas frío que entre con contacto con A-B hasta que el nuevo sistema A-B-C esté en equilibrio.

3.1.1.2 Primera ley

Establece que la energía total de un sistema cerrado se forma perfecta es una constante que no puede crearse o destruirse, solo fluir de un lugar más energético a otro. Esta ley tiene diversas definiciones semánticas, por ejemplo la de que la energía total del universo es constante o que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Para los seres vivos esta ley implica que la energía es un bien limitado y que debe buscarse de forma externa. También posee definiciones matemáticas, la mas sencilla es la que mostramos anteriormente la cual establece que el cambio de energía "deltaU" es igual al calor adicionado al "Q" menos el trabajo mecánico "W" relaizado por el sistema.

3.1.1.3 Segunda ley

La segunda ley indica que en una transferencia energética, la energía no fluye perfectamente entre los cuerpos, la energía se dividirá en dos partes, una que fluye al otro cuerpo "delta G" y otra que se pierde o disipa al universo conocido como caos entrópico o entropía. Toda transferencia energética involucra un gasto entrópico "Temperatura por delta S", y de forma contraria, las transferencias de energía más eficientes son las que disminuyen perdida entrópica. El punto relevante es que siempre habrá unja perdida energética, y que el nivel de entropía del universo en toda transferencia de energía aumentará inexorablemente hasta la muerte térmica del universo.

3.1.1.4 Tercera ley

La tercera ley está relacionada a la temperatura y a los flujos de energía, esta establece que es imposible tener un cuerpo sin energía que posea una temperatura de cero absoluto. Esto se debe a la combinación de las leyes cero y primera, para tener una disminución de temperatura un cuerpo debe ceder la energía a otro, pero siempre quedará un estado de equilibrio, por lo que el cuerpo que pretendemos enfriar siempre terminará por poseer una energía remanente de equilibrio. 

A demás de esto también está el hecho de que a niveles cuánticos la energía parece ir y venir aleatoriamente produciéndose y aniquilándose. Aunque esto parece ir en contra de la primera ley, el punto es que cuando se calcula la suma neta de energía a niveles mas grandes, la suma siempre es cero, por lo que no se creó o destruyó netamente la energía, sin embargo estas producciones cuánticas siempre provocarían que el cuerpo tuviera una temperatura residual levemente superior al cero absoluto. En resumen, es imposible llegar al cero absoluto.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

3.1.2 Energía libre de Gibbs

La energía libre de Gibbs "delta G" nos representa la energía que no es consumida por el caos del universo o entropía, es lo que queda de utilidad y por eso se la llama libre, libre para hacer cosas. Es un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes). Nuevamente las condiciones de equilibrio y espontaneidad dependen de los estados iniciales y finales de un sistema y siempre se grafican usando la analogía de la colina y la esfera.

Si el estado inicial tiene más energía y el estado final menos energía, es como si se procediera cuesta abajo, siendo un proceso espontáneo, cuya diferencia de energías será negativo. En base a esto una energía libre negativa indica un proceso espontáneo como dejar caer una esfera por una colina.

El proceso opuesto es cuando el estado inicial tiene menos energía y el final posee más energía, es como subir la colina y se requiere una adición de energía externo, por lo que es un proceso no espontáneo y en esos casos la diferencia de energía libre es positivo. Básicamente la energía que mencionamos constantemente en los procesos metabólicos es la energía libre de Gibbs, ya que otras energía sson consumidas por el universo de forma ineficiente transformándose en calor y entropía “caos”.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)


3.1.3 Principio de Le Chatelier

Principio de Le-Chatelier es un heurístico que permite analizar rápidamente un sistema químico en diferentes momentos de equilibrio, y se aplica mucho en el metabolismo ya que la mayoría de sus reacciones son reversibles y por lo tanto aplica el concepto de equilibrio químico.

El principio de Le-Chatelier propone que cuando un sistema ingresa en equilibrio químico tenderá a conservarse en equilibrio, así cuando se ejerce una perturbación en el sistema como concentraciones, presión o temperatura; el sistema responderá de modo tal que neutralice dicho cambio para regresar al estado de equilibrio. Un detalle importante es que el sistema tarda cierta cantidad de tiempo para regresar al estado de equilibrio, aspecto que puede ser usado en situaciones industriales para reducir costos y optimizar producción.

En el metabolismo esto implica que si se alcanza el equilibrio químico la reacción se detiene, si estamos trabajando con un sistema de reacciones acopladas, si se detiene una reacción en un intermediario clave, este provocará una reacción en cadena que paralizará otras reacciones, por consecuencia las células remueven rápidamente los intermediarios para que las reacciones nunca se paralicen o se reviertan.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

3.1.4 Reacciones espontáneas y no espontaneas

Las reacciones químicas espontáneas y no espontáneas siguen el razonamiento de los cambios en la energía libre de Gibbs o simplemente energía útil para la célula en nuestro contexto. 

Cuando observamos ciertas reacciones químicas, podemos comprobar que no solo hay una transformación en la naturaleza química de la especie reactante, también hay un cambio energético. Por ejemplo, reacciones como la del gas del cloro y el sodio metálico son evidentemente explosivas, y no falta ser un genio para señalar que liberan grandes cantidades de energía. Otras reacciones como la electrolisis del agua, para producir gas de oxígeno y de hidrógeno requiere invertir una gran cantidad de energía, en este caso se dan una absorción energética.

De esto podemos desprender una clasificación de las reacciones en torno a sus necesidades energéticas.

Reacciones exergónicas: son aquellas que liberan energía, ya sea en forma de luz, calor, electricidad o combinaciones de las anteriores y otras más. Reacciones endergónicas: son aquellas que absorben energía, ya sea calor, electricidad o luz.

A parte de esto, si tomamos las leyes cero y segunda de la termodinámica podemos decir que, dado que la energía tiende a dispersarse con el tiempo, y que las reacciones exergónicas hacen precisamente eso, podemos concluir que las reacciones exergónicas tenderán a ser espontáneas, se producen naturalmente con más facilidad ya que tienen a cumplir con más fluidez las leyes cero y segunda de la termodinámica.

Las reacciones endergónicas por otra parte, tienden a acumular energía, y aunque generalmente no son imposibles, si requieren de ciertas condiciones para darse, en especial se requiere un donante de energía externo al sistema químico. A este tipo de reacciones las denominamos generalmente no espontáneas.

De lo anterior obtenemos generalmente una relación directa:

Las reacciones exergónicas son generalmente espontaneas; mientras que las reacciones endergónicas son generalmente no espontáneas.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

3.2 Reacciones redox

Redox es un nombre que surge de la fusión de otros dos más conocidos, la oxidación y la reducción. Todos conocemos macroscópicamente que es una oxidación, pues hemos observado como el hierro en contacto con el aire o el agua es oxidado, el producto es el óxido de hierro. Pero ¿Qué es una oxidación?

Recordemos que, el oxígeno es el segundo elemento con mayor electronegatividad en la tabla periódica, por lo que tiene una gran tendencia a atraer sus propios electrones así como los electrones de cualquier otro elemento que se encuentre cerca de él (excepto por otro átomo de oxígeno y por el átomo del flúor). De allí sabemos que el oxígeno despoja de electrones a los otros átomos, y ese es precisamente el proceso de oxidación.

Oxidación: proceso de perdida de electrones (el elemento se torna más positivo o menos negativo). Reducción: es el proceso de ganancia de electrones (el elemento se torna más negativo o menos positivo). Redox: tanto la reducción como la oxidación ocurren de manera acoplada y casi que simultánea, no puede existir una oxidación sin que  ocurra una reducción, tal como cuando alguien da, existe alguien que recibe.

Agentes oxidantes: son los elementos o compuestos que despojan de electrones a otras sustancias y en el proceso se reducen. El más común es el oxígeno y de allí el nombre, sin embargo existen otros, como el flúor que es aún más oxidante que el oxígeno. Otros agentes oxidantes son sustancias con alta electronegatividad, como todos los elementos halógenos. Agentes reductores: son los elementos que causan la reducción, en general son donadores de electrones y poseen bajas electronegatividades. Los metales son casi siempre agentes reductores.

Debemos recordar que, agente oxidante y agente reductor se adjudica comparando las electronegatividades, pues un mismo elemento puede ser un agente oxidante en algunas reacciones y un agente reductor en otras. Como nota adicional, prácticamente todas las reacciones de desplazamiento son reacciones redox.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

3.3 Reacciones redox en el contexto orgánico

Si bien en sentido último todo depende del flujo de electrones, existen métodos holísticos para evaluar el estado de oxidación de una molécula orgánica como un todo y es mediante la presencia de agentes reductores y agentes oxidantes.

Una molécula orgánica se oxida cuando pierde agentes reductores, gana agentes oxidantes o es degradada “digerida” a compuestos más simples.

De manera opuesta una molécula se reduce cuando gana agentes reductores, pierde agentes oxidantes o su masa se incrementa por adición de cadenas de carbonos.

Los agentes reductores más comunes son el oxígeno y otras cadenas de carbono. Los agentes oxidantes más comunes con el oxígeno y los grupos oxigenados, así como el flúor, el azufre o el nitrógeno.

Otros elementos se los puede clasificar como oxidante o reductor según se comporten como hidrógeno u oxígeno. Por ejemplo los metales son agentes reductores porque se comportan como el hidrógeno y los halógenos/anfígenos restantes son agentes oxidantes.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

3.4 Catabolismo y Anabolismo
Las rutas metabólicas pueden agruparse en dos grupos generales que son opuestos y complementarios.
  
Las rutas catabólicas son aquellas que se encargan de la destrucción de moléculas muy complejas para generar compuestos más simples. En el proceso generalmente se libera energía que luego es aprovechada por la célula para alimentar los procesos anabólicos.

Las rutas catabólicas se caracterizan porque como un todo se las puede clasificar como un proceso oxidante, y exergónicas “generalmente exotérmico, pero puede liberar otras formas de energía diferente”.

Las rutas anabólicas por el contrario son aquellas que ensamblan moléculas complejas a partir de compuestos más simples, e inclusive de naturaleza completamente inorgánica. Para esto utiliza energía celular obtenida por las rutas catabólicas o de fuentes externas como el calor, o el Sol.

En el centro de todo existe una serie de moléculas de almacenamiento de energía que conectan ambos tipos de rutas metabólicas, es decir, son producidas por el catabolismo, y gastadas en el anabolismo, estas moléculas son el ATP y el NADP.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

3.5 Enzimas

Muchas reacciones químicas son poco espontáneas, o en caso de serlo su velocidad de reacción es tan minúscula que demorarían millones de años en acumular suficientes intermediarios metabólicos para poder ser empleados en una reacción celular. En química inorgánica se nos introduce el concepto de catalizador, una sustancia que no es consumida por la reacción, pero que se necesita para que esta se de en términos cuantificables.

Los seres vivos se caracterizan por fabricar y perfeccionar sus propias catalizadores que funcionan gracias a la estructura tridimensional de las proteínas, en este sentido las proteínas que actúan de catalizadores químicos son denominados enzimas. 

Las enzimas no suplementan energía extra la reacción, por lo que no pueden hacer nada contra una reacción biológica que sea por naturaleza irreversible. En otras palabras, las enzimas no pueden alterar las leyes de la termodinámica, una reacción irreversible y no espontánea continuará siendo irreversible y no espontánea por mas enzimas que se apliquen. Las enzimas afectan las velocidades de reacción.

Las enzimas son catalizadores particularmente buenos cuando se las compara con catalizadores no biológicos como en platino metálico o el magnesio, dichos catalizadores solo aceleran las reacciones entre cientos o miles de veces, en otras palabras acelerando o 3 órdenes de magnitud de la reacción. Las enzimas pueden acelerar en promedio entre 13 y 18 órdenes de magnitud una reacción. En base a estos números, una reacción que toma entre 3 a 300 000 años para cumular suficiente sustancia útil, con una enzima solo se tardaría un segundo o menos. Otro detalle importante es que las enzimas logran esto en las condiciones celulares, cercanas a las condiciones termodinámicas estándar.

Las enzimas poseen muchas características del tipo de sustancias que son, proteínas, por lo que son sustancias muy específicas que solo catalizan un grupo estrechamente relacionado de reacciones químicas, lo que contrasta con los catalizadores no biológicos que son inespecíficos. De igual forma sus funciones están relacionadas con la apariencia tridimensional de la enzima y su habilidad para cambiar de forma.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)


3.6 Encadenamiento de las reacciones

Las enzimas no pueden hacer que una reacción no espontánea se con vierta en espontánea, pero si pueden dirigir la energía libre de Gibbs de una reacción muy espontánea para activar los reactivos de la reacción no espontánea. Recuerde que las reacciones no espontáneas no son imposibles, solo necesitan una introducción de energía.

Este proceso se conoce como acoplamiento de reacciones, y de esta manera se van construyendo las rutas metabólicas, que en su concepto más simple, es la producción de reacciones espontáneas con altos índices de energía libre, para que esta sea empleada en la generación de reacciones no espontáneas.

El proceso siempre involucra el aumento entrópico del universo, cada trasferencia energética solo logra canalizar un poco de la energía en forma de energía libre, mientras que la mayor parte se convierte en entropía para el universo, por lo que los seres vivos siempre cumplen las leyes de la termodinámica aun cuando aparentemente construyan un sistema ordenado.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

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