Termodinámica Metabólica y Mitocondria

Todo organismo vivo requiere de un continuo suministro y consumo de energía para llevar a cabo todos los procesos biomecánicos, el transporte activo y la biosíntesis. Mediante procesos metabólicos que transforman unas moléculas en otras, un organismo obtiene energía del entorno y de los alimentos, siendo los procesos metabólicos complejas redes de reacciones químicas que continuamente degradan energía libre manteniendo el organismo en constante estado de no-equilibrio.

Energía 

Es la capacidad de realizar un trabajo. A pesar que existen varias formas de energía: química, luminosa, mecánica, etc. , solo hay dos tipos básicos:

	Potencial: es la capacidad de realizar trabajo como resultado de su estado o posición. Puede estar en los enlace químicos, en un gradiente de concentración, en un potencial eléctrico, etc.
	Cinética: es la energía del movimiento, puede existir en forma de calor, luz, etc.

En términos bioquímicos, representa la capacidad de cambio, ya que la vida depende de de que la energía pueda ser transformada de una forma a otra, cuyo estudio es la base de la termodinámica. Sus leyes son aplicables a los sistemas cerrados o aislados, es decir aquellos que no intercambian energía con el medio que los rodea; las células son sistemas abiertos, o sea pequeñas partes de un sistema cerrado mayor. Las leyes de la termodinámica expresan:

1º Ley: en un sistema aislado la energía no se crea ni se destruye, puede ser transformada de una forma en otra.

2º Ley: no toda la energía puede ser usada y el desorden tiende a aumentar, lo que se conoce como entropía. Metabolismo Cada célula desarrolla miles de reacciones químicas que pueden ser exergónicas (con liberación de energía) o endergónicas (con consumo de energía), que en su conjunto constituyen el METABOLISMO CELULAR. Si las reacciones químicas dentro de una célula están regidas por las mismas leyes  termodinámicas ... entonces cómo se desarrollan las vías metabólicas? 1. Las células asocian las reacciones: las reacciones endergónicas se llevan a cabo con la energía liberada por las reacciones exergónicas. 2.  Las células sintetizan moléculas portadoras de energía que son capaces de capturar la energía de las reacciones exergónicas y las llevan a las reacciones endergónicas. 3. Las células regulan las reacciones químicas por medio de catalizadores biológicos:ENZIMAS. ATP: Reacciones acopladas y transferencia de energía Las células acostumbran a guardar la energía necesaria para sus reacciones en ciertas moléculas, la principal es el: ATP, trifosfato de adenosina. Las células lo usan para capturar, transferir y almacenar energía libre necesaria para realizar el trabajo químico. Funciona como una MONEDA ENERGÉTICA. La función del ATP es suministrar energía hidrolizándose a ADP y Pi. Esta energía puede usarse para: obtener energía química: por ejemplo para la síntesis de macromoléculas; transporte a través de las membranas trabajo mecánico: por ejemplo la contracción muscular, movimiento de cilios y flagelos, movimiento de los cromosomas, etc. Estructura del ATP: es un nucleótido compuesto por la adenina (base nitrogenada), un azúcar (ribosa) y tres grupos fosfato. Imagen modificada de http://www.people.virginia.edu/~rjh9u/atpstruc.html Note que las cargas altamente ionizables de los grupos fosfatos hacen que se repelan unos de otros; por lo tanto resulta fácil separar uno o dos Pi (fosfatos inorgánicos, forma corta del HPO42-) del resto de la molécula. La hidrólisis del ATP da:  ATP + H2O ---> ADP + Pi El cambio de Energía libre.G o' = -7,3 Kcal/mol --> muy exergónica (elG de una célula viva está en - 12 Kcal/mol) 2. La hidrólisis del adenosín difosfato da: ADP + H2O ---> AMP + Pi G o' = -7,2 Kcal/mol --> muy exergónica Para sintetizar ATP (adenosín-trifosfato) a partir de ADP (adenosín-difosfato) se debe suministrar por lo menos una energía superior a 7,3 Kcal. Las reacciones que, típicamente suministran dicha energía son la reacciones de oxidación. ADP  +  Pi  + energía libre -->  ATP  + H2O  Síntesis del ATP Las células requieren energía para múltiples trabajos: Sintetizar y degradar compuestos Transporte a través de las membranas (activo, contra el gradiente de concentración). Endocitocis y exocitosis. Movimientos celulares. División celular Transporte de señales entre el exterior e interior celular Esta energía se encuentra en las moléculas de ATP, en las uniones químicas de alta energía  de los fosfatos. Las moléculas de ATP se ensamblan en las mitocondrias a partir del ADP y los Pi con la energía tomada de la ruptura de moléculas complejas como la glucosa, que a su vez deriva de los alimentos ingeridos.

Artículos

• Termodinámica de los procesos irreversibles de un metabolismo http://www.accefyn.org.co/revista/Vol_30/116/419%20a%20434.PDF
• Introducción al metabolismo y la energética bioquímica  http://www.uncp.edu.pe/botonpages/facultades/Industrias/descargas/BIOENERGETICA.pdf

Bibliografía

(1) Berg, J.M., Tymoczcko, J. L., Stryer, L., 2002. Biochemistry, Fifth Edition, W. H. Freeman and  Company, New York

(2) Albers, E., Bakker, B. M., Gustafsson, L., 2002. Modeling response of glycolysis in S. Cerevisiae cells harvested at diauxic shift., Molecular Biology Reports, 29, 119-123. 

(3) Winfree, A. T., The Geometry of Biological Time, Springer- Verlag, NY, 1980.

Importancia de estos artículos.

Estos trabajo muestran como se aplica la teoría termodinámica de los procesos irreversibles al estudio de sistemas dinámicos de reacción-difusión, siendo de especial interés el estudio del modelo matemático de Selkov el cual es ampliamente aceptado para la descripción del metabolismo de la glucosa.