Biología, la vida en la tierra con fisiología Tomo 01-páginas-28

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1 0 0 PlTíT»?*Tl I a vida de la cóluU
d en tro d e l S o l e n fo rm a de ca lor. D e hecho , se ca lcu la q ue la tem ­
peratura e n e l cen tro d e l S o l es d e u n o s 16 m illo n e s d e *C.
I.os seres v iv o s usan u n flu jo co n tin u o de energ ía s o la r para 
s intetizar m o lécu las com p le jas y m an tener estructuras ordenadas, 
para 'lu c h a r contra el desorden '. Los sistem as organizados y de 
baja entrop ía de la v id a n o v io lan la segunda le y d e la te rm o d i­
n ám ica p o rq u e so n p rod ucto d e u n f lu jo constante d e energ ía so ­
lar lum inosa . Las reacciones so lares q ue sum in istran energ ía a la 
T ierra causan un a pérd ida m u ch o m ás g rande d e la energ ía útil 
en el Sol, e l cual, fina lm ente , se co n sum irá (p o r suerte fa ltan m i­
les d e m illo nes de años para que e s to suceda ). C o m o la energ ía 
s o la r que im pu lsa la v id a e n la T ierra deja un eno rm e au m en to 
neto d e en tro p ía so lar, la v id a n o in fringe la segunda le y d e la 
te rm od inám ica .
6.2 ¿C Ó M O F LU Y E LA E N E R G ÍA 
EN LA S R E A C C IO N E S Q U ÍM IC A S ?
l in a re a c c ió n q u ím ic a es u n p roceso q u e fo rm a o ro m p e los 
enlaces q u ím ico s q u e m an tien en un ido s a los á to m o s . Las reac- 
rio nes q u ím icas co n v ie rten unas sustancias qu ím icas, lo s re a c ­
ta n te s , en otras, lo s p ro d u c to s . Todas las reacciones q u ím icas 
desprenden energ ía o req u ie ren u n apo rte n e to d e energ ía. U n a 
reacción es e x e rg ó n ic a (d e l té rm in o griego q ue s ig n ifica 'e n e r ­
gía a fu e ra ’ ) s i lib era energ ía; es d ec ir, s i lo s reactantes in ic ia ­
les co n tie n en m ás energ ía q ue los p rod uctos fina les . T o d as las 
reacciones exergónicas lib e ran parte d e su energ ía co m o ca lo r 
(F IG U R A 6-3).
e + o
re a c ta n te s
en e rg ía
c + c
p ro d u c to s
a F IG U R A 6-3 R e a c c ió n e x e rg ó n ica
U n a reacc ió n es e n d e rg ó n ic a ( 'e n e rg ía ad en tro ’ ) si 
requ iere u n a p o n e neto d e energ ía; e s d ec ir, s i los p rod uctos 
co n tien en m ás energ ía q u e lo s reactantes. Las reacciones ender- 
gán icas requ ieren u n a p o n e d e energ ía d e u n a fu en te externa 
(F IG U R A 6-4).
+
productos
reactantes 
a F IG U R A 6-4 R e a c c ió n e n d e rg ó n ica
E n las siguientes secd ones exam inarem os e l proceso exer- 
g ó n ico d e la resp iración ce lu la r y el endergón ico d e la fotosíntesis.
Las reacciones exergónicas Bberan energía
E n u n a reacción exergónica, los reactantes con tienen m ás energ ía 
q ue los productos. F.I azúcar p uede quem arse, co m o sabe cu a l­
q u ie r coc inero . A l quem arse, e l azúcar (p o r e jem p lo , la g luco ­
sa ) su fre la m ism a reacción general q ue la g lucosa e n el cuerpo 
del co rredor ( o e n casi cualqu ier o tra fo rm a d e v id a ), la glucosa 
(C * H , jO t ) s e co m b in a con ox ígeno ( O , ) para p rod uc ir d ió x id o 
de ca rbono (C O ? ) y agua ( H , Q ) y lib erar energ ía (F IG U R A 6-S).
C f y p , + 6 0 ,
(oxigeno)
<
en e rg ía
6 C O , + 6 H ,0 
(d ióx ido d e (agua) 
carbono)
* F IG U R A 6-5 R e a c ta n te s y p ro d u c to s fin a le s d e l co n su m o 
d e la g lu co sa
C o m o las m oléculas d e glucosa con tienen m ás energ ía que 
las m o lécu las del d ió x id o d e ca rb o n o y d e l agua, la reacción pro­
d uce energ ía. U n a vez encend ida, la g lucosa segu irá quem ándose. 
Q u izá s irva pensar q ue las reacciones exergónicas son co m o co ­
rrer — co lin a abajo— , d e a lia a baja energ ía, co m o se m uestra en 
la F IG U R A 6-6.
Los seres hum anos y otros an im ales de 's an g re c a lie n te ' 
usan e l ca lo r, generado co m o su bp ro du cto d e toda transfo rm a­
c ió n b io qu ím ica , para m antener un a tem peratura corporal e leva­
da, pues ta l tem pera tu ra acelera las reacciones b io qu ím icas; los
progreso do la reacción
* F IG U R A 6-6 E n e rg ía d e a c tiv a c ió n e n la s re a c c io n e s 
e x e rg ó n ic a s Una reacción exergónica ("colina abajo"), como al 
quemar azúcar, se produce d e los reactantes energéticos (que aqui 
son la glucosa y c l O ,) a productos de poca energía (C O , y H ,0 ). La 
diferencia de energía entre los enlaces quím icos d e los reactantes 
y los productos se Bbera como calor. Sin embargo, para Iniciar 
la reacción se requiere un aporte Inicial de energía (energía de 
activación).
P R E G U N T A Además de calor y luz, ¿qué otras posibles fuentes 
de energía de activación hay?
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E s tu d io de caso c o n t i n u a c i ó n 
Energía liberada
Los m araion istas dependen del g lucógeno alm acenado en 
sus m úscu los e hígado para ob tener la energía que im pu lsa 
su carrera. El g lucógeno consta d e cadenas d e m oléculas 
de g lucosa q ue primero se separan d e la cadena y luego se 
m ctabollzan en d ióxido d e carbono y agua. Esta reacción 
exergónica genera ca lo r y e l A T P necesario para la contracción 
de los m úsculos. Los corredores exhalan d ióxido d e carbono 
al respirar aceleradam ente para abastecer a sus m úsculos con 
suficiente oxígeno.
an im ales se desp lazan con m ás rap idez y responden antes a los 
estím ulos que s i su tem peratura fuera m enor.
La s reaedones qu ím icas requ ieren energ ía 
d e activac ión p a ra in ia a r
A u n q u e la quem a d e g lucosa libera energ ía, la g lucosa n o se p re n ­
de e n llam as co m o ta l. Esta observación lleva a un concepto im ­
portante: todas las reaedones qu ím icas, inc luso las q ue co n tinúan 
de form a espontánea, requ ieren u n ap o rte in id a l d e energ ía para 
realizarse. P iensa e n u n a roca puesta a l borde d e u n p re d p id o . Se 
quedarla a l l í ind e fin idam en te hasta q ue a lg o la em p u ja ra cuesta 
abajo . En las reaedones qu ím icas, el 'e m p u jó n ' d e la energ ía se 
lla m a e n e rg ía d e a c t iv a c ió n (u tase la figura 6-6). Las reaedones 
q u ím icas requieren energ ía d e a c t iv a a ó n para in ic ia r porque ca ­
pas de e lectrones con carga negativa rodean todos los á to m o s y 
m oléculas. Para que dos m o lécu las reaed onen u n a con o tra hay 
q ue forzar la u n ió n d e sus capas electrónicas, pese a la repulsión 
e léctrica m utua, fo rz a r la u n ió n d e Lis capas e lectrón icas requiere 
energía de a c t ivaaó n .
l a energía d e activac ión puede p ro ven ir de la energ ía c in é ­
tica d e m o lécu las e n m o v im ien to . A cualqu ier tem peratura s u ­
p erio r al ce ro abso lu to (- 2 7 3 °C ) , á to m o s y m oléculas están en 
constan te m o v im ie n to . Las m o lécu las e n reacción q u e se m ueven 
co n su fid e n te ve loc idad ch o can con ta l fuerza, q ue ob ligan a sus 
capas de e lectrones a juntarse y reaedonar. C o m o las m oléculas 
se m ueven m ás deprisa a m ed id a q ue au m enta la tem peratura, la 
m ayo r parte d e las reacciones quím icas ocurre co n m ayor fac ili­
d ad a tem peraturas elevadas. P o r e jem p lo , e l ca lo r d e u n cerillo 
puede quem ar e l azúcar. L a co m b in a d ó n d e la g lucosa co n el 
ox igeno libera su fid en te ca lo r para sostener la reacción, q ue c o n ­
tinúa espontáneam ente. ¿C ó m o genera el cuerpo la energ ía de 
activación necesaria para 'q u e m a r ' la g lucosa? T en presente esta 
pregunta; m ás adelante encontrarás la respuesta.
Las reacciones endergónicas requieren 
un aporte neto de energía
A d iferencia d e lo que ocu rre cu an d o se q uem a la glucosa, m u ­
chas reaedones d e los sistem as v ivo s dan p o r resu ltado productos 
q ue con tienen m ás energ íaque los readantes. La glucosa, p ro­
d ucida por organism os fo tos in téticos co m o las p lantas, con tiene 
m ucha m ás energ ía q ue e l d ió x id o d e ca rb o n o y e l agua de la 
que se form a. l a p rote ína de u n a cé lu la m uscu la r co n tien e m ás
energ ía q ue los am in o á d d o s in d iv id u a le s q ue se u n ie ro n para 
s in tetizarla . E n o tras palabras, la síntesis d e m oléculas b io lóg icas 
co m p le jas requ iere un aporte d e energía: estas reaedones so n e n ­
dergónicas. C o m o se verá e n el cap ítu lo 7, la fotosíntesis de las 
p lantas verdes cap ia energ ía so lar para p ro d u c ir glucosa a partir 
d e agua y d ió x id o de ca rbono (F IG U R A 6-7). E l oxígeno produd- 
d o p o r esta reaedón se usa cu an d o las célu las degradan la glucosa 
para liberar su energ ía alm acenada.
Flujo d e energía en U wda d e la célula 1 0 1
C 6H u0 4 + 6 0 , 
( g lu c o s a ) ( o x íg e n o )
a F IG U R A 6-7 F o to s ín te s is
Las reaedones endergón icas n o so n espontáneas. Se les 
puede lla m a r reaedones 'cu esta a rr ib a ' porque los reactantes 
con tienen m enos energ ía q u e los productos. Pasar de p oca a alta 
energ ía es co m o em pu ja r un a roca hasta lo a lto del p red p id o . 
¿ D e d ó n d e sacam os, nosotros y los dem ás an im a les, la energ ía 
para im pu lsar reaedones endergón icas co m o la s ín tesis d e una 
p rote ína m uscu la r y o tras m o lécu las b io lóg icas com p le jas?
6.3 ¿C Ó M O S E T R A N S P O R T A LA E N E R G ÍA 
E N LA S C ÉLU LA S?
C as i todos los organism os se m ueven p o r la degradación de la 
g lucosa. A l co m b in ar glucosa co n ox ígeno y lib e ra r d ió x id o de 
ca rb o n o y agua, las cé lu las adqu ieren la energ ía q u ím ica d e la 
m o lécu la d e glucosa. Esta energ ía se usa p a ra rea liza r traba jo celu­
lar, co m o la fo rm ac ió n d e m o lécu las b io lóg icas com plejas y co n ­
traer lo s m úsculos. Pero la glucosa n o puede usarse d irectam ente 
para im p u lsa r estos procesos endergón icos, s in o q ue la energ ía 
lib e rad a p o r la d egradación d e la g lucosa se transfiere p rim ero a 
un a m o lécu la portadora de energ ía. Las m o lé cu la s p o rta d o ra s 
d e e n e rg ía so n m oléculas energéticas e inestab les q ue se s in te ­
tizan e n e l s it io de la reaedón exergónica y captan parte d e la 
energ ía liberada. Estas m oléculas portadoras fu n a o n a n d e m a­
nera p ared d a a las p ilas recargables: to m an un a carga d e energ ía 
e n un a reaedón exergónica, se m ueven a o tra parte de la cé lu la y 
liberan la energ ía para im p u ls a r la reaedón endergón ica. C o m o 
los m o lécu las portadoras d e energía son inestab les, se usan só lo 
para captar y transferir energía d en tro de las célu las. N o pueden 
llevar energ ía d e un a a o tra célu la n i se usan para a lm acenam ien ­
to d e largo p lazo .
E l A T P es c l principal portador de energía 
en las células
M uchas reaedones exergónicas de las célu las p roducen a d e n o s ín 
tr ifo s fa to (A T P ), la m o lécu la portadora d e energía m ás co m ú n 
d e l cuerpo . C o m o p rop o rrio n a energ ía para im pu lsar d iversas re­
aedones endergónicas, se dice q ue el A T P es el 'd in e r o ' d e las
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1 0 2 U d a de I* céluU
A D P
P ^ P + p 
fosfato
p ^ p p
A TP
(a) S ín te s is doi A T P : la onorg ia so guarda on « I A T P
°v~ <
A IP
° v
A D P
P-*" P + P
fosfato
t>) Rom pim ien to d e l A T P : s e Bb cra energ ía
a F IG U R A 6-8 C o n v e rs ió n re c ip ro c a d e A D P y A T P (a ) Se
capta energía cuando un grupo fosfato (P ) se agrega al adenosln 
difosfato (ADP) para sintetizar adenosln trifosfato (ATP). (b ) l a 
energía para realizar e l trabajo d e la célula se libera cuando el ATP 
se rompe en ADP y P.
célu las. C o m o se v io e n e l cap itu lo 3, e l A T P es u n n u d e ó tid o 
com puesto d e la base n itrogenada aden ina , el azúcar ribosa y tres 
grupos fosfatos (ufase la figura 3-23). La energ ia lib e rad a e n las 
célu las duran te la degradación d e la glucosa u otras reacciones 
exergónicas se u sa para co m b in ar las m oléculas de energ ía baja 
a d e n o s in d ifo s fa to (A D P ) y fo sfa to ( H P 0 4í _ , tam b ién s im b o ­
liz ad o co m o P ) e n un a m o lécu la de A T P energética y m u ch o m e ­
nos estable (F IG U R A 6-8a). L a fo rm ad ó n d e l A T P es endergón ica, 
requ iere u n aporte d e energ ía q ue es captado e n esta n u eva m o ­
lécu la energética.
F J A T P guarda energ ía e n los enlaces q u ím ico s y la trans­
porta a lugares d e la cé lu la donde se e fectúan las reacciones que 
requieren energía. Ésta es liberada a m e d id a q ue se degrada el 
A T P y se regeneran e l A D P y P (F IG U R A 6-8b). t i tiem p o d e v id a 
d e un a m o lécu la d e A T P e n u n a cé lu la v iv a es m u y breve. S i p u ­
d ieran acum ularse (e n lugar d e re n d a rs e ) las m o lécu las d e A T P 
q ue usas nada m ás para sen ta rte e n tu escrito rio to d o el d ía , pesa­
rían a lrededo r d e 4 0 k ilogram os. U n m ara ton ista puede reciclar 
el equ iva len te a m ed io k ilog ram o d e A T P cada m inu to , a s í que 
s i las conversiones n o fueran rápidas, la carrera seria m u y corta. 
C o m o puedes ver, e l A T P no es un a m o lécu la de a lm acenam ien to 
de energía a co rto p lazo . M o lécu las re lativam ente estab les, com o
g lucógeno y líp idos, pueden a lm acenar energ ía d u ran te horas, 
d ías o , e n e l caso d e los líp id o s , duran te años.
Los portadores de electrones tam bién 
transportan energfa en las células
FJ A T P n o es la ún ica m olécula portadora d e energía e n las células. 
En algunas reacciones exergónicas, inc luyendo la degradación d e la 
glucosa y la etapa d e captación de la lu z d e la fo losín tess, se trans­
fiere alguna energía a electrones. Estos electrones energéticos, junto 
con ion es h id rógeno ( F l ’ , presente en el citoso l) son captados por 
m oléculas portadoras d e energía especiales llam adas tran sp o rta ­
d o re s d e e lec tro n es . Los transportadores d e e lectrones com unes 
son la n icotinam ida ad en ina d in u d e ó tid o (N A D H ) y su molécula 
emparentada, la flavina adenina d in ud eó tido (F A D H j) . lo s trans­
portadores d e e lectrones cargados d o n an sus electrones energéticos 
a otras m oléculas que se encuentran e n las vías q ue generan ATP. 
En los capítulos 7 y 8 se estudiará m ás sobre los transportadores de 
electrones y su fu nd ón e n d m etabo lism o d e las células.
Las reacciones acopladas enlazan las reacciones 
exergónicas con las endergónicas
En un a re a c c ió n a c o p la d a , un a reacdó n exergónica p ro p o rc io ­
n a la energ ía necesaria p a ra im p u lsa r u n a reacdó n endergónica 
(F IG U R A 6-9). P o r e jem p lo , e n la fotos ín tes is las p lantas ap ro ve ­
ch an la energía s o la r (d e la s reacciones exergónicas e n e l centro 
d e l S o l) para im pu lsar la síntesis endergón ica d e m oléculas e n e r­
géticas d e glucosa a p a rtir d e reactantes d e baja energía (d ió x id o 
d e ca rbono y agua). C as i to d o s los organism os usan la energía 
lib e rad a p o r reaedones exergónicas (co m o la degradación d e la 
g lucosa e n d ió x id o d e ca rbono y agua) para im p u lsa r reaedones 
endergón icas (co m o la s ín tesis d e proteínas a partir d e los a m i­
n o á d d o s ). C o m o se p ierde energ ía co m o ca lo r cada vez q ue se 
transform a, e n las reacciones acopladas la energ ía liberada por 
la s reacciones exergónicas debe superar la energía necesaria para 
im p u lsa r las reaedonesendergónicas.
Las partes exergónica y endergón ica d e las reaedones aco­
p ladas ocurren e n partes d iferentes d e la célu la, a s í q u e debe 
hab e r a lguna m anera de transferir la energ ia d e las reaedones 
exergónicas q ue liberan energ ia a las endergón icas q ue la nece­
sitan. E n las reaed on es acopladas, la energ ía se traslada por me­
d io d e m oléculas transportadoras d e energ ía, co m o e l A T P . E n su 
fu n c ió n d e in te rm ed ia rio d e las reaed on es acopladas, e l A T P se 
s intetiza d e m anera constante para captar la energ ia liberada en 
reaedones exergónicas y luego se degrada para im p u lsa r las reac­
ciones endergónicas, co m o se ind ica e n la figura 6-9.
a F IG U R A 6-9 R e a e d o n e s a c o p la d a s e n la s c é lu la s 
v iv a s la s reacciones exergónicas (como la degradación de 
la glucosa) impulsan la reacción enderg ín lca que sintetiza 
ATP d e ADP y P. l a molécula de ATP lleva su reacción 
química a una parte de la célula en que se necesita la 
energía para impulsar una reacción endergónica (como la 
síntesis de proteínas). El ADP y P se vuelven a unir para 
formar ATP mediante reacciones endergónicas.
ex e rg ó n ica 
(d eg ra d ac ió n d e 
g lu co sa )
p ro d u c to s d e 
p o c a energ fa 
(C O ?. H jO )
x r xA D P + P
p ro d u c to s 
en e rg é tico s 
(p ro to lnas )
e n d e rg ó n ica 
(s ín te s is d e p ro te ín a s )
re a c ta n te s d e 
p o c a onorg ía 
(am in o ác id o s )
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