Introducción a la Bioenergética

Vista previa del material en texto

Introducción a la Bioenergética 
 
"La energía puede cambiar de una forma ·a 
otra, pero no se crea ni se destruye" 
Primera Ley de la Termodinámica 
LA PREGUNTA FUNDAMENTAL 
DE LA FISIOLOGÍA 
¿Cuál es la fuerza que nos mantiene vivos, la que 
moviliza nuestras funciones, la que nos convierte en 
seres no inertes? ¿Qué o quién determina que sea­
mos algo más que simple "anatomía"? Ésta es la pre­
gunta fundamental de la fisiología, la más abstracta 
y, quizá, la más difícil de responder. El presente tex­
to se refiere al origen de la energía que permite que 
los seres vivientes subsistan, se desarrollen, y pro­
creen, y a las estrategias empleadas por nuestro or­
ganismo para transformar y utilizar esa energía. 
Es importante aclarar que no describiremos en de­
talle los mecanismos fisicoquímicos que gobiernan el 
flujo de la energía, sino que invitaremos a compren­
der las grandes cualidades de los dispositivos de 
transformación energética y su aplicación fisiológica 
concreta. Remitimos a lt>s lectores interesados en 
profundizar estos temas a consultar excelentes revi­
siones bibliográficas incluidas en las referencias. 
El comportamiento de la energía de los 
organismos vivos, así como la de todo el 
universo, opera de acuerdo con las leyes 
de la termodinámica 
La primera ley de la termodinámica indica que la 
energía del universo es constante, vale decir que ni 
se produce ni se destruye. Puede transformarse, y ad­
quirir diferentes modos de expresión, diversas metá­
foras, pero no es posible crearla ni perderla. A su vez, 
todos los sistemas de la naturaleza (incluido el uni­
verso) tienen distintas propiedades, como la presión, 
"La energía trascendente, la virtud del Tao, no
muere. Desenrollándose en fibras incontables, 
está presente por doquier. Dura siempre y sirve 
sin agotarse jamás" 
Lao Tsé,Tao Te King, libro VI Siglo v1 a.C. 
la temperatura, la energía o el volumen. Una de esas 
propiedades es la entropía, que es una medida del 
grado de desorden de un sistema. La entropía de un 
sistema aumenta cuando éste se torna más desorde­
nado. La segunda ley de la tennodinámica indica que 
todas las reacciones espontáneas se caracterizan 
por un aumento en su nivel de entropía (fig. 1-1). 
La variación de energía libre (LlG) asociada 
con una reacción química puede utilizarse 
para generar trabajo útil 
En 1878 Josiah Willard Gibbs creó el concepto de 
energía libre (G) que es una función que combina la 
primera y La segunda leyes de la termodinámica. El 
desarrollo matemático de la ecuación de variación de 
energía libre (LlG), o simplemente ecuación de Gibbs, 
se encuentra fuera del alcance del presente texto, pe­
ro es importante destacar desde el punto de v.ista con­
ceptual que permite predecir si una reacción química 
puede producirse de manera espontánea o no. 
La variación de energía libre (LlG) asociada con 
una reacción química puede utilizarse para generar 
trabajo útil. Si una reacción química se presenta en 
forma espontánea es porque los reactantes, en la 
concentración y la temperatura dadas, contienen la 
energía necesaria para movilizar el proceso quími­
co: por ese motivo pueden reaccionar sin interven­
ción externa a la reacción. La manera de expresar la 
energía contenida en los reactantes es mediante el 
LlG, que, como se mencionó, es la variación de la 
energía libre de una reacción. Tomemos el ejemplo 
de la hidrólisis del ATP. En condiciones fisiológi­
cas, esta molécula se transforma en ADP, debido a 
Fig. 1-1. Las reacciones espontáneas se caracterizan por un aumento en el nivel de desorden (entropía). 
que el reactante contiene la energía necesaria para que 
se efectúe el proceso. La energía contenida en la mo­
lécula de ATP se libera tras su hidrólisis, es decir 
que se convierte en energía libre que puede utilizar­
se para movilizar otra reacción química, o simple­
mente puede liberarse como calor. 
ATP ➔ ADP + PO
3 
El cambio de energía libre o L1G 
de una reacción, a temperatura y presión 
constantes, permite predecir si ésta se 
producirá en forma espontánea 
Una reacción sólo puede ser espontánea si el va­
lor de su L1G es negativo. 
Una reacción con L1G positivo será posible sólo 
con un aporte de energía libre que la movilice. 
ATP ADP + PO
3 
(t1G = -12.000 calorías*) Se 
produce en forma espontánea 
ADP + PO
3 
ATP (L1G = + 12.000 calorías*) No es 
espontánea 
De manera convencional, llamaremos favora­
ble a una reacción esp_ontánea, es ·decir, sin ínter-
* En realidad, la energía liberada por una reacción no sólo de­
pende de la naturaleza de los reactantes sino también de su con­
centración y de la temperatura de la reacción. En condiciones
fisiológicas la hidrólisis del ATP rinde 12.000 calorías.
vención externa y con un valor de "1G negativo. 
Toda reacción favorable libera energía. Por el 
contrario, toda reacción desfavorable la absorbe. 
La energía liberada por una reacción favorable 
puede expresarse de diversas formas, por ejemplo, 
en calorías.
Un concepto .termodinámico importante es que 
la formación de una estructura biológica muy or­
denada suele ser desfavorable, ya que lo favorable 
es el aumento del grado de desorden. Las reaccio­
nes desfavorables se producen acopladas a reac­
ciones favorables, que proveen la energía necesa­
ria para movilizar a las primeras. Para compren­
der este concepto, imaginemos que queremos ele­
var a una altura de 20 m una roca de 100 kg. Co­
mo es un proceso desfavorable, no es esperable 
que sea espontáneo. Pero puede producirse si el 
ascenso está acoplado, por medio de una polea, al 
descenso de una roca de 101 kg, proceso clara­
mente favorable (fig. 1-2). 
La fisiología es "energía sintonizada" 
por el cuerpo anatómico 
¿ Qué distingue al cuerpo "anatómico" del cuerpo 
"fisiológico"? La diferencia fundamental es que el 
cuerpo anatómico es un conjunto de estructuras 
inertes, estáticas y despojado de energía. Por el con­
trario, el cuerpo fisiológico posee funciones inter­
dependientes y equilibradas, y por esa razón requie-
re energía. Todas las funciones fisiológicas descritas 
en el presente texto se relacionan con la utilización 
y el intercambio de energía; la constitución de los 
potenciales de membrana, la síntesis de macro­
moléculas o el funcionanúento de los llamados 
"motores moleculares" serían inimaginables sin 
energía. Por eso la fisiología es al fin de cuentas la 
utilización de energía para llevar a cabo funciones 
biológicas coordinadas en un organismo complejo. 
Una aclaración importante es que designamos aquí 
como anatómica a la concepción morfológica del 
organismo, sin tener en cuenta si es macroscópica o 
microscópica. 
Una manera de distinguir lo anatómico de lo fi­
siol.ógico es imaginar un corazón en funciona­
miento. Para latir con normalidad debe contraer el 
músculo cardíaco. A ese efecto, en los sarcómeros 
debe producirse el fenómeno de desiizamiento de 
filamentos finos sobre gruesos, acontecimiento co­
rrelacionado con la hidrólisis del ATP. Estas últi­
mas moléculas pueden sintetizarse porque en las 
mitocondrias se aprovecha la disipación de un gra­
diente, formado a su vez tras la oxidación de los 
nutrientes aportados por la sangre proveniente del 
hígado. El corazón anatómico es el conjunto de 
sarcómeros, mitocondrias, membranas celulares, 
etc. El.fisiológico está dado por las reacciones quí­
micas que se producen en ellos, y que posibilitan 
el funcionanúento concreto del órgano. No hay la­
tido posible sin reacciones químicas, como oxida­
ción de nutrientes, formación y disipación de gra­
dientes, o hidrólisis del ATP acoplada al trabajo de 
motores moleculares. No obstante, tampoco puede 
ocurrir un episodio fisiológico sin una base mate­
rial sobre la que se asiente el fenómeno bioenergé­
tico, que es la reacción en sí. Por eso, el corazón 
• 
fisiológico es el que "sintoniza" la energía del uni-
verso mediante reacciones químicas movilizadas 
por la propia energía, y que se llevan a cabo en su 
base material,en su anatomía. En el plano multior­
gánico, la fisiología es por último el estudio de la 
sintonización de la energía por parte de un cuerpo 
capaz de hacerlo. Cuerpo que además, en caso de 
alcanzar propiedades de autonomía mayores, co­
mo la posibilidad de reproducirse, se constituye en 
un ser vivo. 
Desde el punto de vista de la fisiología, la vida 
es el fenómeno que se produce como consecuen­
cia de un conjunto de reacciones químicas relacio­
nadas en un sustrato anatómico capaz de adquirir 
propiedades de autonomía mayores gracias a esas 
t 
Fig. 1-2. Acoplamiento de una reacción favorable con 
otra desfavorable. 
reacciones como la existencia individual y la ca­
pacidad para reproducirse. El poder para vivir lo 
otorgan las reacciones químicas que se produ­
cen en -el cuerpo. El poder que moviliza esas 
reacciones lo aporta la energía del universo, 
que opera de acuerdo con las leyes de la termo­
dinámica. 
En las próximas páginas se verá cómo funcio­
nan los sorprendentes dispositivos moleculares 
que logran sintonizar la energía del universo, y uti­
lizarla para generar funciones fisiológicas de gran 
complejidad. 
LAS METÁFORAS DE LA ENERGÍA 
Se observó la relación que se establece entre la 
energía del universo y las reacciones químicas, por 
medio de las leyes de la termodinámica y la ecua­
ción de Gibbs. También se mencionó cómo, por me­
dio de esas reacciones, la energía se constituye en 
una condición imprescindible para que se lleven a 
cabo las diferentes funciones fisiológicas. Ahora 
bien, ¿cuál es la forma, además de las reacciones 
químicas mencionádas, en la que la energía se ex­
presa en la naturaleza? El objetivo de esta sección 
 
es comprender cómo se almacena la energía, cuál es 
su "moneda de cambio" en un sistema biológico, y 
cómo se transforma en sus diferentes expresiones o 
metáforas dentro de la economía de un organismo 
vivo. 
Gracias a sus cualidades fisicoquímicas, en 
la mayoría de los procesos fisiológicos el 
donante de energía principal es el ATP 
En los organismos fototróficos, como las piantas, 
la energía del universo proviene de la luz solar, 
mientras que la de los quimiotróficos, como los ma­
míferos, deriva de la oxidación de los alimentos. 
Esa oxidación despoja a los nutrientes de la energía 
contenida en ellos, y la convierte en otras formas o 
metáforas utilizables. Por sus cualidades fisicoquí­
micas, el donante principal de energía en la mayo­
ría de los procesos fisiológicos es el trifosfato de 
adenosina, o ATP. La hidrólisis de esta molécula, 
llevada a cabo en una reacción favorable o con L.\G 
negativo, libera gran cantidad de energía libre que 
se aprovecha para la realización acoplada de diver­
sas reacciones desfavorables. 
El ATP no se almacena 
El ATP es un donante inmediato de energía libre, 
que se consume poco tiempo después de producido. 
Se calcula que un organismo humano adulto en repo­
so consume alrededor de 40 kg de ATP por día, y que 
durante el ejercicio competitivo el consumo de ATP 
puede ser de hasta 1/z kg por minuto. El consumo in­
mediato del ATP no sólo cumple la función de "ali­
vianar" al organismo, también determina que la reac­
ción ATP ➔ ADP + PO
3 
sea más favorable, es decir 
que libere mayor cantidad de energía libre. Este fenó­
meno de "optimización" está dado por el hecho de 
que la concentración de los reactantes afecta en forma 
dramática al valor del L.\G. Si el ATP se acumulara en 
cantidades importantes, disminuiría la energía libera­
da tras su hidrólisis, con lo que pesar 40 kilos más re­
sultaría insuficiente a efectos de igualar el rendimien­
to energético diario de un adulto en reposo. 
En los siguientes párrafos veremos las diferentes 
estrategias utilizadas por las células para t(ansfor­
mar la energía de los nutrientes en ATP, y cómo se 
utiliza esta molécula para llevar a cabo las variadas 
funciones que requieren o absorben energía, efec­
tuadas mediante reacciones desfavorables. 
EL FLUJO DE ENERGÍA 
EN EL ORGANISMO VIVO. 
LA SÍNTESIS DEL ATP 
Se vio que una reacción química favorable des­
de el punto de vista termodinámico libera energía. 
Ahora bien, ¿cuál es la manera concreta en la que 
se libera esa energía? Una manera de liberarla es 
en forma de calor. El ejemplo típico es la combus­
tión de un pedazo de madera. Otra manera es me­
diante el movimiento de moléculas en solución, 
como el caso de la disipación de un gradiente (fig. 
1-3). Otra, es por medio de la hidrólisis del ATP,
que es una molécula qtJe posee enlaces químicos
con gran cantidad de energía. Esa hidrólisis, por
tratarse de una reacción muy favorable en condi­
ciones fisiológicas, libera energía aprovechada
para la realización de trabajo, de la misma mane­
ra que un resorte contraído es capaz de generar
trabajo si se lo destraba (fig. 1-4). La energía libe­
rada por la hidrólisis del ATP se utiliza en tres
grandes funciones: la formación de los gradientes
electroquímicos que permiten, por ejemplo, la
existencia del potencial de acción nervioso o mus­
cular, o el potencial de membrana en reposo; la
síntesis de macromoléculas; y la actividad de los
"motores moleculares", como los que hacen fun­
cionar al sarcómero. ¿Pero quién aporta la energfa
para contraer el resorte? ¿De dónde sale el "po­
der" que permite formar los enlaces de alta ener­
gía del ATP, utilizados luego en las mencionadas
funciones? El objetivo de las próximas secciones
es comprender los mecanismos moleculares por
medio de los cuales la célula es capaz de sinteti­
zar ATP.
El ATP es la moneda corriente de 
intercambio de energía 
El ATP es una molécula formada por un azúcar 
(ribosa), un nucleótido (adenina) y tres radicales 
fosfato (fig. 1-5). Los dos últimos radicales fosfato 
se hallan conectados con el remanente a través de 
enlaces de alta energía, capaces de liberar en condi­
ciones fisiológicas 12.000 calorías tras su hidrólisis. 
Por ser característicamente una molécula lábil y con 
enlaces de alta energía, se la conoce como la mone­
da corriente de intercambio de energía en los proce­
sos biológicos. 
.. 
.. 
.. 
.. 
.. 
.. 
.. 
Fig. 1-3. Trabajo realizado gracias a la disipación de un 
gradiente químico. 
Concepto de oxidorreducción 
Un concepto importante que debemos conocer 
para comprender el flujo de la energía en las células 
es el de oxidorreducción. La reducción es una reac­
ción química por la que una sustancia gana electro­
nes, denominados de aquí en más e-. Al contrario, la 
-+ 
t t 7- / 
/ '
Fig. 1-4. Energía potencial. 
oxidación es una reacción en la que una sustancia 
pierde e·. Los e· ganados por una sustancia que se 
reduce sólo pueden salir de una sustancia que se 
oxida, ya que no son capaces de permanecer diso­
ciados de los átomos. Por esta razón, en forma ge­
nérica se habla de. reacciones de oxiclorreducci6n.
Por lo general, cuando se produce una reacción de 
oxidorreducción, el e· que pasa de una especie quí­
mica a la otra lo hace acompañado de un protón, de­
nominado de aquí en más H+. 
Fig. 1-5. Molécula del ATP. 
 
La oxidación de los nutrientes libera energía 
aprovechada para sintetizar ATP 
La oxidación de los nutrientes es un proceso es­
calonado y favorable. El hecho de que sea favora­
ble significa, como ya se indicó, que es capaz de 
liberar energía aprovechable para la realización de 
trabajo útil o energía libre. El hecho de que sea es­
calonado significa que la transferencia de energía 
no se produce en forma directa desde el nutriente 
hacia la síntesis de ATP, sino que en ese proceso 
intervienen diferentes intermediarios. La razón de 
este fenómeno se comprende con facilidad con el 
ejemplo de la oxidación de la glucosa. En esta 
reacción por cada mol de glucosa oxidado (180 g) 
se liberan alrededor de 686.000 calorías de ener­
gía libre. Si se toma en cuenta que un mol de ATP 
contiene en sus uniones químicas 12.000 calorías, 
el aprovechamiento completo de la energía de la 
glucosa implicaría generar 57 moles de ATP 
(686.000/12.000).Esa producción es difícil que se 
lleve a cabo en un sistema fisiológico, porque re­
quiere muchas reacciones simultáneas, que a su 
vez demandan las respectivas enzimas catalizado­
ras disponibles en "tiempo y forma". La imposibi­
lidad práctica de una producción directa de esa 
magnitud determinaría la pérdida de gran cantidad 
de energía en forma de calor. P ara evitar ese des­
pilfarro se produce una oxidación escalonada, en 
la que pequeñas cantidades de energía se extraen 
en cada paso, obteniendo un rendimiento energé­
tico muy superior al que se tendría con la oxida­
ción directa. Es importante aclarar que desde el 
punto de vista termodinámico, es posible oxidar la 
glucosa en forma tanto directa como esoalonada. 
Ocurre que de la manera escalonada, y con reac­
ciones intermedias asociadas con L'.\G más peque­
ños, es posible perder menor cantidad de energía 
en forma de calor. 
Los equivalentes de reducción son 
transportadores de energía 
La energía contenida en los nutrientes se "ex­
trae" por medio de la oxidación de los mismos 
mediante reacciones químicas favorables. ¿Cómo 
se produce la extracción de la energía? De tres 
maneras posibles: liberación de calor; síntesis 
directa de ATP que se produce en la glucólisis 
(véase sección siguiente) y transferencia de elec­
trones a los equivalentes de reducción. Esos equi-
valentes, conocidos como NAD y FAD, son molé­
culas derivadas de vitaminas capaces de aceptar y 
formar uniones de alta energía con e- y H+ . Me­
diante estas uniones conservan la energía y la 
transportan hacia la cadena respiratoria de la mi­
tocondria, donde se realiza La producción mito­
condrial de ATP. 
Glucólisis, formación no mitocondrial 
de ATP y formación del piruvato 
El clivaje de una molécula de glucosa para for­
mar ácido pirúvico se oonoce como glucólisis. Es­
te proceso está formado por diez pasos mediados 
por reacciones químicas favorables en el nivel 
global, catalizadas por enzimas citoplasmáticas. 
Como se aprecia en la figura 1-6, cada molécula 
de glucosa rinde durante la glucólisis 2 moléculas 
de ATP (se producen 4 y se consumen 2, por lo 
que el rendimiento neto es de 2). No debe confun­
dirse la formación de ATP durante la glucólisis 
con la efectuada en la fosforilación oxidativa, que 
se produce dentro de la mitocondria y rinde una 
cantidad de energía muy superior. Es imprescindi­
ble recordar la producción no mitocondrial de 
ATP, ya que permite comprender una de las estra­
tegias más importantes de tolerancia celular a la 
hipoxia. Se calcula que durante la glucólisis, la 
molécula de glucosa pierde 56.000 calorías (re­
cordemos que originalmente tenía 686.000). Si se 
toma en cuenta que la formación de ATP permite 
(también durante la glucólisis) aprovechar 24.000 
calorías -12.000 por mol de ATP-, se deduce que 
32.000 calorías se pierden en forma de calor. Así-
. mismo, es importante recalcar que más de 
600.000 calorías aún quedan contenidas en el pro­
ducto de la glucólisis, el ácido pirúvico o piruva­
to. Lo ideal es que la mayor parte de esta energía 
pueda aprovecharse para la producción mitocon­
drial de ATP. 
Formación del Acetil Coa 
El paso siguiente en la oxidación de la glucosa es 
la formaciqn de Acetil-Coa a partir del piruvato, 
reacción favorable en Ja que 2 CO
2 
y 4 hidrógenos 
(H) son despojados de la molécula original. Los H
se disocian con ulterioridad para formar H+ y e-. En
forma subsecuente los H+ se utilizarán para formar
el gradiente mitocondrial que en pocas líneas des­
cribiremos, mientras los e· serán aceptados por 
equivalentes de reducción para ser cedidos con ulte­
rioridad a la cadena respiratoria. El remanente de la 
molécula de piruvato se asocia con la coenzima A 
(una vitamina) para formar Acetil-Coa, que ingresa 
en el ciclo de Krebs, donde continúa el proceso de 
extracción de energía originalmente contenida en la 
glucosa. 
Es interesante observar un aspecto de importan­
cia fisiológica fundamental: durante la glucólisis, 
la energía liberada se aprovecha en parte para pro­
ducir ATP, mientras que durante la oxidación del 
piruvato y de los intermediarios del ciclo de Krebs, 
la energía liberada "viaja" con el e· transferido al 
equivalente de reducción (NAD o FAD), y se con­
serva en la molécula de NAD o FAD reducido. La 
razón de esta diferencia es doble. Por un lado, pa­
ra que el equivalente de reducción acepte electro­
nes, necesita estar libre u oxidado. Esa oxidación 
la logra al ceder los e· a la cadena respiratoria de 
la mitocondria, que a su vez los transfiere al oxi­
geno. En condiciones de hipoxia celular y ante la 
ausencia del aceptor final (0
2
), la cadena respira­
toria se bloquea tras no poder desembarazarse de 
los electrones que contiene. Este bloqueo determi­
na la imposibilidad de regenerar equivalentes de 
reducción libres u oxidados, capaces de aceptar 
electrones de la oxidación de los nutrientes. En esa 
situación, la formación no rnitocondrial de ATP, 
pese a ser menos eficiente que la mitocondrial, 
opera como vía de rescate, lo que permite aprove­
char parte de la energía para llevar a cabo las fun­
ciones fisiológicas que, como se mencionó, se "pa­
gan" con ATP. De no haber formación extrarnito­
condrial de ATP, la energía quedaría durante la si­
tuación de hipoxia "atrápada" en los nutrientes y 
en los equivalentes de reducción, de la misma ma­
nera que ocurriría con un millonario que posee to­
dos sus billetes en una cuenta bancaria atrapada 
por el "corralito". 
Por otro lado, es importante destacar que la can­
tidad de ATP producido mediante el mecanismo mi­
tocondrial es muy superior al del extramitocondrial. 
Por este motivo, la falta de función rnitocondrial 
provocaría una pérdida enorme para la economía 
del organismo. Ésta es la razón por la que los meca­
nismos de producción extrarnitocondrial de ATP 
sólo son útiles en forma transitoria y no pueden sos­
tener la vida del organismo en hipoxia por períodos 
prolongados. 
Glucosa 
ATP l ADP
Glucosa 6 fosfato 
t 
Fructosa 6 fosfato 
ATP l ADP
Fructosa 1 - 6 difosfato 
l 
Fosfato de dihidroxiacetona 
2ADP . l 2ATP 
1 - 3 Difosfoglicérico 
1 
3 AC Fosfoglicé(ico 
l 
2 AC Fosfoglicérico 
l 
2 AC Fosfoenolpirúvico 
2ADP l 2ATP
2 Piruvato 
Reacción neta por molécula de glucosa 
Glucosa + 2 ADP + 2 P04 ➔ 
2 Piruvato + 2 ATP + 4H 
Fig. 1-6. Vía de la glucólisis. 
El ciclo de Krebs es la vía final común de 
oxidación de los nutrientes, y representa un 
mecanismo fundamental en la producción 
de ,!anergía 
Como vemos en la figura 1-7, el ciclo de Krebs 
es un conjunto de reacciones de oxidación en serie, 
favorable en el nivel global, que liberan energía por 
medio de la transferencia de e· hacia equivalentes 
de reducción, como se describió para el piruvato. 
Ese ciclo se produce en la matriz mitocondrial, y 
representa la vía final común en la oxidación de los 
nutrientes (lípídos, hidratos de carbono y proteí­
nas). La energía contenida en los equivalentes de 
reducción asociados con los electrones, derivados a 
AcetilCoA 1 Fig. 1-7. Ciclo de Krebs.
'-
� �itrato 
�
,o,rato 
" 
lsocitrato 
Malato 
t Cicio do Krabs 
º'l_�íoíro 
a -Cetoglutarato 
su vez de la oxidación de los intermediarios del ci­
clo de Krebs, será utilizada por la cadena respirato­
ria para crear las condiciones para la formación de 
ATP mitocondrial. Recordemos que los e- no se 
despojan en forma directa de los intermediarios del 
ciclo de Krebs, sino que, al igual que en la oxida­
ción del piruvato, e- y H+ aparecen tras la disocia­
ción del hidrógeno liberado por la oxidación del in­
termediario. 
La cadena respiratoria utiliza la energía 
derivada de la oxidación de los nutrientes 
para crear un gradiente de protones 
Un aspecto importante que debemos comprender 
es que la energía derivada de la oxidación de los nu­
trientes se conserva en el equivalente de reducción 
que gana el e· que se "quitó" al nutriente con ante­
rioridad. Por estarazón, cuando se reducen el NAD 
o el FAD, éstos adquieren la energía que antes po­
seía el nutriente, ahora conservada en una especie
química nueva.
Los e- asociados con los equivalentes de reduc­
ción se transfieren a la cadena respiratoria. Ésta, 
también conocida como cadena de transporte de 
electrones, está formada por proteínas ubicadas en 
la membrana mitocondrial interna, y que poseen 
la cualidad de transferirse los e· de manera secuen­
cial, de acuerdo con el nivel de afinidad por ellos. 
De esta manera, la primera proteína, que recibe al 
electrón cedido por el equivalente de reducción su­
fre el "robo" del e· por parte de la segunda proteína 
de la cadena, que tiene mayor afinidad electrónica. 
Ese fenómeno se repite a lo largo de la cadena res­
piratoria hasta llegar al mayor aceptar de electrones 
de la economía: el oxígeno, que tras asociarse con 
dos e- cedidos y con dos H+ que se encuentran en el 
medio, forma una molécula de agua. 
A medida que se transfieren los electrones en la 
éadena respiratoria, la energía que conservan estas 
especies químicas desde el momento de la oxida­
ción de los nutrientes se utiliza para bombear H+ 
desde la matriz mitocondrial hacia el espacio inter­
membrana, como lo ilustra Ja figura 1-8. Ese bom­
beo, o fuerza protón motriz, genera un gradiente 
electroquímico resultante de la acumulación de pro­
tones en el compartimiento intermembrana, aprove­
chado luego para sintetizar ATP en un proceso de­
nominado fosforilación oxidativa.
Fig. 1-8. Gradiente de H+ .
Membrana 
externa 
Membrana 
interna 
La energía de transferencia, que es la energía 
despojada de los nutrientes y que se conserva en 
los equivalentes de reducción que ganan e- tras su 
oxidación, disminuye en forma gradual durante el 
pasaje de electrones en la cadena respiratoria. 
Cuando el oxígeno termina por aceptar los elec­
trones, la cantidad de energía conservada por la 
molécula de agua es mucho menor que la que con-
• 
NAOH
2 
Energía 
servaba con anterioridad la molécula del equiva­
lente de reducción asociada con el electrón, que le 
cedió a la cadena respiratoria (fig. 1-9). Esta caí­
da es proporcional a la energía que se acumula en 
forma de gradiente electroquímico o gradiente de 
protones. Por eso la cadena respiratoria es un 
transformador de energía que logra convertir la 
energía de transferencia de los equivalentes de re-
Fig. 1-9. Cadena respiratoria . 
ducción reducidos en la energía potencial del gra­
diente electroquímico mitocondrial. 
Para entender gráficamente este último concep­
to, imaginemos el siguiente ejemplo. En un moli­
no de viento (fig. 1-1 O) la fuerza del viento al cho­
car contra las palas del molino lo hace girar. El 
viento queda con menos velocidad porque transfi­
rió energía para crear movimiento y calor. El giro 
Fig. 1-10. Modelo análogo 
de los mecanismos de aco­
ple de energía para la resín­
tesis de ATP. 
del molino genera presión negativa para lograr 
que el agua de pozo suba al tanque. Es decir, aco­
plamos un proceso energético favorable con uno 
desfavorable. El agua en el tanque presenta ener­
gía potencial en forma de altura sobre el suelo. 
La fosforilación oxidativa es la disipación 
del gradiente mitocondrial, y el 
aprovechamiento de su energía potencial 
para la síntesis de ATP 
Durante la fosforilación oxidativa, el gradiente 
mitocondrial de protones creado por la cadena res­
piratoria se aprovecha para la síntesis de ATP. De 
esta manera, la energía potencial expresada por la 
acumulación asimétrica de H+ se transforma en 
energía química, representada por las uniones de 
alta energía del ATP. El mecanismo de transforma­
ción está dado por la existencia de una proteína 
con actividad sintetizadora de ATP: la ATP sinte­
tasa. Esta proteína está formada por dos regiones 
principales: una es la partícula F 
0
, que opera co­
mo canal para el pasaje de los protones, y la otra 
es la partícula F
1
•cuya función es la formación de 
ATP a partir de ADP mediante la utilización de la 
energía derivada del flujo de protones. Un ejemplo 
práctico es el del tanque lleno de agua de la figura 
1-1 O. El agua concentrada arriba constituye un
"gradiente de agua". Si permitimos que fluya si­
guiendo ese gradiente de altura, lo transformará en
mov�miento. Si acoplamos a ese movimiento una
turbina cuyas palas giren con el agua, transferire­
mos parte de la energía al movimiento de la turbi­
na y ésta generará electricidad (es el principio de
la energía hidroeléctrica), que podemos almacenar
en un acumulador o batería. Trate de hacer una
analogía entre el ejempló y la producción de ATP.
(Véase fig. 1-10.)
La ATP sintetasa es un sistema transformador a 
tal punto que su falla produce la disipación de la 
energía del gradiente de protones en forma de calor. 
Así, oxidación y fosforilación son fenómenos ener­
géticos articulados mediante el bombeo de protones 
de la cadena respiratoria. 
Cualquier bloqueo del sistema mitocondrial 
de obtención de ATP genera acidosis láctica 
Vimos cómo el piruvato se transforma en Ace­
til-Coa, que entra en el ciclo de Krebs, donde se 
produce una serie de reacciones de oxidación en 
cadena. Éstas aportan electrones transportados 
por los equivalentes de reducción hacia la cadena 
respiratoria, donde, tras una serie de transferen­
cias ya descritas, se libera energía utilizada para 
bombear protones al espacio intermembrana. Este 
fenómeno crea un gradiente aprovechado para la 
producción de ATP. A su vez, los electrones trans­
feridos en la cadena respiratoria por último son 
cedidos al oxígeno, con lo que se forma una mo­
lécula de agua. ¿ Qué ocurre si el oxígeno no pue­
de aceptar los electrones? En esta situación, la ca­
dena respiratoria no puede "descargar" sus elec­
tr.ones y se torna incapaz de aceptar los mismos 
derivados del ciclo de Krebs. Ese fenómeno, que 
impide la transferencia liberadora de energía, de­
termina en primer término la disminución crítica 
de la disponibilidad de energía utilizable,- por in­
capacidad de sintetizar ATP. Además, el piruvato 
no se transforma en Acetil-Coa sino que, median­
te una vía alternativa, se convierte en lactato. Es­
ta reacción permite reoxidar a los equivalentes de 
reducción (véase fig. 1-9), lo que asegura la pro­
gresión de la glucólisis que como vimos es capaz 
de aportar una cantidad menor (aunque importan­
te) de ATP. Aquí podemos apreciar el valor de la 
producción no mitocondrial de ATP, ya que permi­
te que ante la falta de oxígeno, aún sea posible 
disponer de cierta cantidad de energía utilizable. 
La producción de ATP por medio de la oxidación 
de la glucosa en ausencia de oxígeno se conoce 
como glucólisis anaerobia. Ésta implica la forma­
ción de ácido láctico, por lo que se halla estrecha­
mente vinculada con el fenómeno de acidosts lác­
tica, que es el descenso del pH-del medio extrace­
lular como consecuencia de la producción de áci­
do láctico. 
Al igual que la falta de oxígeno, cualquier situa­
ción que impida su utilización generará acidosis 
lácti"a y glucólisis anaerobia. Ejemplos de esta si­
tuación son la falta de tiarnina (una vitamina), que 
determina la inhibición de la enzima piruvato des­
hidrogenasa, catalizadora de la transformación de 
piruvato a Acetil-Coa. La intoxicación por aspirina 
produce disociación o desacople entre la cadena 
respiratoria y la fosforilación oxidativa, lo que de­
termina que la energía del gradiente de protones se 
libere en forma de calor, y que la producción de 
ATP se produzca por medio de la vía anaerobia 
(fig. 1-11). 
A 
A) 
DH
+P
B 
�!/--',
ADP � 
+P '
e 
�(�'" ADP � 
'\ 
�e,
/ 
NADH .. 
+P ---
Fig. 1-11. Situaciones que comprometen la producción de ATP aerobia. A. Ejercicio muscular. B. Hipox.ia. C. Desacople 
de la cadena respiratoria de la fosforilación oxidativa. 
Así como un automóvil puede acelerar de O a 
100 km/h pero requiere cierto tiempo para lo­
grarlo, las células pueden aumentar la velocidad 
de resíntesisde ATP para consumirlo en proce­
sos metabólicos como la contracción muscular. 
Durante el ejercicio las demandas de ATP suben 
en gran medida, pero los procesos aeróbicos no 
pueden aumentar la producción de inmediato, si­
no que, como el automóvil, requieren cierto 
tiempo para adaptarse. Es decir, si el ejercicio es 
rápido o violento, la síntesis aerobia de ATP no 
podrá cumplir con la demanda y se establecerá 
un descubierto de ATP, aun con una cantidad 
adecuada de oxígeno mitocondrial y con todos 
los procesos trabajando a pleno. Este descubier­
to o deuda debe compensarse con ATP obtenido 
en forma anaeróbica y esto se logra por dos pro­
cesos. El primero es la degradación del ATP y la 
fosfocreatina (una molécula que encierra mucho 
más energía que el ATP y que permite liberar 
gran cantidad de energía para resintetizar ATP), 
pero lamentablemente su escasa cantidad la hace 
útil sólo durante unos segundos. El segundo pro­
ceso implica derivar el piruvato que se acumula 
a la. entrada del Krebs con su ciclo saturado ha­
cia lactato produciendo una pequeña cantidad de 
ATP que permite compensar las necesidades du­
rante unos minutos hasta que el metabolismo ae­
robio alcance su nuevo nivel. El ácido láctico 
producido se acumula en el músculo y es respon­
sable del "cansancio" muscular inicial. Es decir 
la fosfocreatina alcanza para una carrera corta 
(correr el colectivo); la glucólisis anaeróbica, pa­
ra una carrera de 400 m (minutos) y la aeróbica 
para una maratón. Los fisiólogos del deporte ha­
blan de un "continuum" energético, en el que los 
distintos procesos de resíntesis de ATP se imbri­
can según el esfuerzo y el tiempo que éste signi­
fique. Es importante darse cuenta de que el me­
tabolismo anaeróbico está en funcionamiento to­
do el tiempo para cubrir el tiempo que demore el 
aeróbico en hacer frente a las demandas, y esto 
sucede en ejercicios muy rápidos y violentos, o 
en cambios de velocidad de un ejercicio sosteni­
do. La deuda contraída ( deuda de oxígeno) será 
pagada luego por el metabolismo aeróbico. En 
este caso tendremos una lactacidemia verdadera 
sin hipoxia, que no es patológica. 
CONCLUSIÓN 
La relación que se establece entre la energía del 
universo con las reacciones químicas mediante las 
leyes de la termodinámica; el vínculo imprescin­
dible entre esas reacciones, las funciones fisioló­
gicas y la vida en sí; los mecanismos de transfe­
rencia energética desde los nutrientes hacia la sín­
tesis del ATP; así como las diferentes funciones 
que esta molécula cumple y que permiten sustan­
ciar reacciones desfavorables son sólo una intro­
ducción a un campo fascinante repleto de incógnitas, 
aunque fundamental a la hora de desarrollar la 
comprensión global de la fisiología. Veremos en 
diferentes capítulos la importancia dramática que 
tiene la transferencia de energía entre diferentes 
sistemas sobre las funciones fisiologicas, y com­
prenderemos en su dimensión real nuestra propia 
condición de seres vivos. 
Juan D. Sastre, uno de nuestros héroes en es­
ta saga, tiene 45 años, es casado, tiene dos ni­
ños y un abdomen en crecimiento. Para evitar 
las burlas de sus amigos decide salir a trotar 
por el parque. Al principio todo va bien, alenta­
do por la belleza de la mañana, del parque y de 
algunas vecinas que practican aerobismo allí 
Juan se mueve como un atleta. Sus músculos 
responden recordan'llo viejas épocas de gloria y 
avanza a velocidad razonable; llegado el primer 
minuto, los nobles aliados de ayer comienzan a 
dar alarmantes señales de fatiga, de hecho has­
ta empiezan a doler, y debido a los calambres y 
la sensación de que los pulmones se le salen del 
pecho, Juan debe hacer duelo por su juventud, 
reconocer su falta de entrenamiento y bajar el 
ritmo. Sorprendentemente, al mantener un ritmo 
regular, a los 5 minutos puede respirar mejor, 
los músculos ya no duelen. Juan logró un equi­
librio y está feliz. Justo ahí una banda de corre­
dores Lo pasa a una velocidad supersónica como 
si nada. El orgullo de Juan dispara un aumento 
LECTURAS RECOMENDADAS 
Alberts B, Bray D. Molecular Biology ofThe Cell. Garland 
Publishing, Inc., 1994. 
Boyer PO. A perspective of the binding change mechanism 
for ATP syntesis. FASEB J 1989; 3:2164. 
Cech TR. RNA as an Enzyme. Biochem Int 1989; 18:7-14. 
Colman RF. Chemical Arrows for Enzymatics targets. FASEB 
J 11:217, 1997. 
Edsall JT, and Gutfreund H. Biotheimodynamics: The study 
of Biochemical Processes at Equilibrium. Wiley. 1983. 
Glover LA, Lindsay JG. Targeting proteins to the mitocon­
dria: a cunent overview. Biochyem J 1993;284:609:620. 
Marks D, Marks A, Smith C. Basic Medica! Biochemistry. 
Williams & Wilk:ins. 1996. 
McArdle W D, Katch F, Katch V. Essentials of Exercise 
Physiology. Lea & Febiger, l 994. 
Mezey E. Metabolic Effects of Alcohol. Fed Proc. 1985;44: 
134-138.
Patel MS, Roche TE. Molecular Biology and Biochemistry 
of pyruvate dehydrogenase completes. FASES J 1990; 
4:3223. 
Stryer I. Biochemistry. Freeman and Co. New York. 1995. 
de velocidad que le cuesta unos tres minutos de 
adaptación adicional, pero que le permiten, una 
vez adquirido, quedar tan sólo a 500 m de los 
atletas jóvenes. Por último Juan decide detener­
se y se sorprende jadeando un buen tiempo an­
tes de volver a su ritmo basal. 
Respóndanos por favor: 
a. ¿Qué tipo de mecanismo de resíntesis de
ATP utilizan los músculos de Juan en la co­
rrida inicial?
b. ¿Cuál utiliza pasado el primer minuto y qué
trastornos ocasiona?
c. ¿Qué mecanismo predomina pasada la acli­
matación?
d. ¿Qué beneficio le otorgaría a Juan un entre­
namiento regular?
e. ¿Por qué continúa jadeando una vez finali­
zado el ejercicio?
f. ¿Podríamos decir que Juan estuvo hipóxico
durante la prueba?
Ahora Juan retorna a su hogar con menos 
culpa por las medialunas que se comerá con 
su merecido desayuno cuando por distracción 
un automovilista dominguero ( que es probable 
que mire a las mismas vecinas que Juan) lo 
atropella con el auto y lo despide por el aire. 
El desdichado Juan D. cae en la calle y se gol­
pea duramente su cabeza. La ambulancia de 
emergencias que llega al lugar pocos minutos 
después lo posiciona en una tabla rígida, le 
coloca un collar de Filadelfia y comprueba 
que no respira (paro respiratorio). Juan es in­
tubado ( se le coloca un tubo de plástico en la 
tráquea) y ventilado con oxígeno mientras se 
lo traslada al hospital. 
Sobre la base de sus conocimientos de meta­
bolismo celular, responda: 
g. ¿Cómo resintetizan ATP las células de
Juan durante el paro respiratorio?
h. ¿Qué diferencias tiene esto con el esfuer­
zo deportivo?
i. ¿Qué tejido piensa Ud. que será afectado
con mayor gravedad y en qué tiempos?
J. ¿Qué hubiera hecho Ud. si se hubiera en­
contrado en ese momento con el herido y
la ambulancia no hubiera llegado aún?
k. ¿ Qué revelaría la sangre de Juan si se
le saca una muestra en el momento del
paro?