Comes un sándwich, tus músculos se contraen y tus neuronas se activan. La energía no pasó directamente de los alimentos al movimiento. Recorrió numerosas etapas químicas; cada una de ellas ocurre en un lugar específico de la célula y solo avanza si el balance energético resulta favorable. Este balance es menos intuitivo de lo que parece, ya que algunas reacciones necesarias para las células requieren un aporte de energía (son reacciones endergónicas), aun cuando el objetivo general sea liberar energía a partir de los nutrientes. Aquí relacionamos las estructuras celulares con el concepto de energía libre y utilizamos esta relación para predecir cuándo el acoplamiento con ATP puede permitir que avance un proceso que, de otro modo, sería desfavorable.
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en una célula para transformar materia y transferir energía. El aspecto estructural es fundamental, ya que las reacciones no ocurren flotando en una mezcla informe; se producen en compartimentos que controlan qué moléculas interactúan, cuáles son las concentraciones locales y qué enzimas están presentes.
Observemos los principales espacios celulares donde se organizan las conversiones de energía.
Algunos puntos de referencia estructurales clave, utilizando ejemplos familiares de células animales (humanas) y vegetales.
El metabolismo no consiste simplemente en descomponer los alimentos. Se trata de canalizar la energía hacia formas utilizables —principalmente ATP y transportadores de electrones reducidos como el NADH—, conservando al mismo tiempo la materia. A escala molecular, los electrones se desplazan entre moléculas. A escala celular, dichas transferencias de electrones contribuyen a establecer gradientes iónicos a través de las membranas. A escala del organismo, las máquinas moleculares impulsadas por ATP —como los motores de miosina en los músculos— utilizan esa energía para realizar trabajo mecánico.
La energía libre () es una medida de la energía disponible para realizar trabajo a temperatura y presión constantes. El parámetro clave para una reacción es delta G (), es decir, el cambio de energía libre al pasar de reactivos a productos.
Antes de analizarlo, formula una predicción.
Predicción. Si , ¿qué indica esto sobre la reacción tal como está escrita?
Elige una opción y luego verifica tu razonamiento.
Si , la reacción es exergónica y termodinámicamente favorable en esa dirección, lo que significa que los productos tienen menor energía libre que los reactivos. Si , la reacción es endergónica y termodinámicamente desfavorable en esa dirección, lo que significa que requiere un aporte de energía o acoplamiento para proceder. Si , el sistema está en equilibrio, sin tendencia neta a desplazarse en ninguna dirección.
Una trampa común en los exámenes es confundir la dirección con la velocidad. El valor de indica hacia dónde tiende a avanzar la reacción, no qué tan rápido lo hace. La velocidad depende de la barrera de energía de activación y de las enzimas, que son estructuras físicas que se unen a los sustratos y estabilizan los estados de transición.
El acoplamiento energético ocurre cuando una reacción exergónica impulsa una reacción endergónica al vincularlas mediante un intermediario común, de modo que el proceso combinado resultante tenga un neto negativo.
Predicción. Supongamos que la reacción 1 tiene un y la reacción 2 tiene un . Si la célula las acopla estrechamente, ¿cuál es el combinado?
Elige una opción y luego revela la respuesta.