PRINCIPIOS DE BIOENERGÉTICA
El Concepto de Energía
Es muy importante comenzar definiendo del concepto de energía. Tradicionalmente, energía ha sido definido como la capacidad para realizar trabajo. La energía presente en el universo, particularmente en el planeta tierra, puede adoptar múltiples formas. Tenemos, entonces, que la energía puede ser de tipo química, mecánica, térmica (o calorífica), luminosa (radiante, solar o electromagnética), electrica y nuclear. Estos estados de la energía pueden intercambiarse entre si.
La energía puede encontrarse en otras formas o estados, a saber, la enegía potencial y cinética. La energia potencial es aquella almacenada dentro de un sistema que posee la capacidad para realizar trabajo. Por ejemplo, la energía química (aquella almacenada químicamente en ciertas moléculas) que contiene la glucosa posee el potencial de generar trabajo si se cataboliza a través de la vía glucolítica. La activación de dicha energía química potencial se le llama energía cinética, i.e., energía en proceso/acción de realización de trabajo.
Origen de la Energía - El Ciclo Energético Biológico
La energía que requieren las actividades biológicos del organismo humano provienen en última instancia del sol (energía luminosa, radiante o solar). La energía luminosa, a su vez, se origina de la energía nuclear. Esta energía que se deriva del sol la capturan las plantas verdes en forma de energía química a través de la fotosíntesis. Esto se debe a que las células de las plantas son transductoras de energía luminosa, la cual es absorbida por sus pigmentos clorofílicos y transformada en energía química (reacción sintética de fotosíntesis). Por consiguiente, junto con la energía radiante, la clorofila de las plantas, el agua y bióxido de carbono, las células vegetales producen moléculas de alimentos (hidratos de carbono, grasas y proteínas) que poseen energía potencial química. Esta energía se almacena en un estado molecular fosforilado de alta energía, conocido como adenosina de trifosfato o adenosina trifosfatada (ATP). Dicho compuesto se encuentra en todas las células de origen animal y en las plantas. El ATP posee la función importante de reservorio de energía. Cada uno de los enlaces energetógenos de sus fosfatos es capaz de liberar gran cantidad de energía (aproximadamente 8,000 por molecula-gramo en condiciones normales). Al desdoblarse una molécula de trifosfato de adenosina, se libera suficiente energía para los procesos bioquímicos del cuerpo. A nivel vegetal, la energía derivada de la hidrólisis (degradamiento o desdoblamiento) del ATP se utilizará eventualmente para reducir el bióxido de carbono a glucosa, la cual se almacena en la forma de almidon (un hidrato de carbono complejo o polisacárido) y celulosa (o fibra).
Los animales (y seres humanos) dependen de las plantas y otros animales para poder producir su propia energía, la cual se forma mediante la degradación de los nutrimentos (hidratos de carbono, proteínas y grasas) en la célula con la presencia de oxígeno; dicho proceso se conoce como respiración celular (o metabolismo), y tiene el objetivo de proveer energía para el crecimiento, contracción del músculo, transporte de compuestos y líquidos y para otras funciones del organismo.
A diferencia de las células vegetales, las células del cuerpo humano dependerá del consumo de los alimentos de origen vegetal o animal para poder sintetizar el ATP. En otras palabras, el ser humano necesita ingerir alimentos que posean nutrimentos energéticos (e.g., hidratos de carbono, grasas y proteínas) para la producción de energía química (potencial) en la forma de ATP. Este proceso se lleva a cabo mediante reacciones oxidativas-enzimáticas de dichos combustibles metabólicos. Al desdoblarse una molécula de trisfosfato de adenosina, se libera energía util canalizada hacia la generación de las reacciones químicas a nivel celular. No obstante, el combustible energético preferido del organismo es el hidrato de carbono (particularmente la glucosa). Los hidratos de carbono son también muy importantes para los deportistas o personas activas físicamente.
Como resultado de estas reacciones, el ATP se halla disponible para las células del cuerpo, de manera que se pueda sumisnistrar la energía que se necesita para el trabajo biológico del individuo. En el proceso, el ATP es hidrolizado a difosfato de adenosina (ADP). La refosforilación del ADP (síntesis del ATP a partir de una molécula de fosfato, ADP y energía) se puede efectuar a través de la energía liberada por la oxidación de las sustancias nutricias dispuestas en los alimentos que se ingieren. Durante dicha reacción, el ADP se convierte en un aceptor de fosfato y el ATP en un donador que, junto a una fuente de energía, se sintetiza la molécula de ATP.
Transformaciones Biológicas de la Energía
El constante flujo de energía que ocurre dentro de las células de los seres vivos se conoce como transformaciones biolgicas de la energía. Los cambios entre las diferentes formas de energía se fundamentan en los principios (o leyes) de termodinamica. La primera ley de termodinamica (ley de la conservación de energia) postula que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra. Esto quiere decir que la enregía no se pierde, pero si se puede transformar de una estado a otro. La segunda ley de termodinámica nos indica que como resultado de las transformaciones/conversiones de energía, el universo y sus componente (i.e., los sistemas vivientes) se encuentran en un alto estado de alteración/disturbio (llamado entropía). Esto implica que los cambios energéticos en los sistemas vivientes tienden a ir desde un estado alto de energía a un estado bajo de energía.
Reacciones Químicas Celulares
La función o propósito de estos procesos bioquímicos que se llevan acabo en cada célula animal es la de transformar la energía de las sustancias nutricias a una forma biologicamente utilizable. Como fue mencionado previamente, durante los procesos metabólicos se libera energía para el trabajo biológico de las células corporales. En adición, en estas reaciones, se untiliza o absorbe energía para finalidades plásticas (de construcción). Podemos, entonces, clasificar las reacciones bioquímicas en dos tipos, a saber, endergónicas y exergónicas. Las reacciones endergónicas se manifiestan durante los procesos anabólicos; de manera que, requieren que se le añada energía a los reactivos (sustratos o combustibles metabólicos), i.e., se le suma energía (contiene más energía libre que los reactivos). Por otro lado, durante las recciones exergónicas se libera energía como resultado de los procesos químicos (e.g., el catabolismo de macromoléculas). La energía libre se encuentra en un estado organizado, disponible para trabajo biológico útil. También se encuentra disponible para encausar las reacciones endergónicas. Esto quiere decir que ambos tipos de reacciones (endergónica y exergónicas) trabajan en forma acoplada, i.e., una libera energía, mientras que la otra utiliza esa energía para otros tipos de reacciones (de tipo anabólica). Los productos finales de las reacciones exergónicas sirven de precursores para resintetizar los reactivos (junto con la energía libre) mediante las reacciones endergónicas.
A base de lo previamente discutido, decimos que ocurren reacciones acopladas cuando la energía libre de una reacción (exergónica) es utilizada para conducir/dirigir una segunda reacción (endergónica). Fraseado de otra forma, las reacciones acopladas representan reacciones liberadoras de energía acopladas a reacciones que requieren energía..
Principios de reacciones acopladas. La energía emitida durante la descomposición de los alimentos y la fosfocreatina (PC), o creatina de fosfato (CP), se unen funcionalmente o se acoplan con las necesidades energéticas de la reacción que resintetiza el ATP de ADP y Pi. Se ha comprobado que ese acoplamiento es el principio fundamental en la producción metabólica del ATP.
