Tiza Paso a paso
Practicar →

Biología (08) · Unidad 3 — Metabolismo y membrana

Metabolismo y energía: ATP, anabolismo y catabolismo

Una célula vive porque transforma energía: rompe moléculas grandes para sacarles energía (catabolismo) y la gasta en armar las suyas (anabolismo). El intermediario entre las dos cosas es el ATP, y buena parte de esa energía viaja en forma de electrones, de una molécula que se oxida a otra que se reduce.

Practicar este tema →7 ejercicios que te corrigen paso a paso · gratis, sin cuenta

La explicación

El problema: una célula no se queda quieta

Una bacteria en un frasco de caldo se divide cada veinte minutos. Un músculo que corre se contrae cientos de veces. Una neurona mantiene sus iones en orden todo el día, también mientras dormís. Todo eso cuesta energía, y la célula no la fabrica de la nada: la saca de afuera.

La energía es la capacidad de hacer un trabajo: mover algo, armar una molécula, llevar una sustancia en contra de su tendencia. Se presenta de muchas formas —la luz, el calor, el movimiento, la que queda guardada en los enlaces de una molécula (energía química)— y pasa de una forma a otra.

Los seres vivos son sistemas abiertos

Un termo cerrado no intercambia nada con el exterior. Una célula sí: entran nutrientes y oxígeno, salen dióxido de carbono, agua y calor. Por eso se dice que los seres vivos son sistemas abiertos: intercambian materia y energía con el entorno todo el tiempo. Si ese intercambio se corta, la célula se muere.

Dos reglas de la física, las leyes de la termodinámica, valen también adentro de una célula:

Primera ley: la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. La planta no «crea» energía: convierte la de la luz en energía química.
Segunda ley: en cada transformación una parte se pierde como calor, que ya no sirve para hacer trabajo, y el desorden total (la entropía) del universo aumenta. Por eso ninguna conversión es perfecta, y por eso un organismo tiene que alimentarse sin parar.

¿Y cómo hace una célula, tan ordenada, para no contradecir la segunda ley? Ordena lo de adentro a costa de desordenar lo de afuera: toma moléculas ordenadas (la glucosa) y devuelve moléculas chicas y calor (CO₂, agua). El desorden total sube igual.

Cómo reconocerlo
1. Si un caso dice que algo «produce energía», traducilo: la transforma desde otra forma (primera ley).
2. Si pregunta por qué el cuerpo está tibio, la respuesta es el calor que se pierde en cada conversión (segunda ley).
3. Si pregunta qué entra y qué sale de una célula, es la idea de sistema abierto.

Reacciones que liberan y reacciones que piden energía

Quemar azúcar libera energía. Armar una proteína con aminoácidos sueltos, en cambio, la pide. Las reacciones se clasifican así:

Exergónica: libera energía; los productos tienen menos energía libre que los reactivos. Su variación de energía libre, ΔG, es negativa. Puede ocurrir sola (aunque a veces muy despacio).
Endergónica: pide energía; los productos tienen más energía que los reactivos. Su ΔG es positivo. No ocurre sola: hay que pagarla con otra reacción.

Que una reacción sea exergónica no dice nada de su velocidad: un terrón de azúcar en la azucarera no se quema nunca. Lo que la hace rápida en la célula es una enzima (tema 2.6), que baja la energía de activación pero no cambia el ΔG.

Metabolismo: catabolismo y anabolismo

El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas de una célula. Se ordena en vías metabólicas: cadenas de pasos, cada uno con su enzima, donde el producto de uno es el reactivo del siguiente. Tiene dos caras:

Catabolismo: rompe moléculas grandes en moléculas chicas (glucosa → CO₂ y agua; proteína → aminoácidos). Es exergónico: libera energía. Suele ser oxidativo: las moléculas pierden electrones. Ejemplos: la digestión, la glucólisis, la respiración celular.
Anabolismo: arma moléculas grandes a partir de chicas (aminoácidos → proteína; glucosas → glucógeno). Es endergónico: consume energía. Suele ser reductivo: las moléculas ganan electrones. Ejemplos: la síntesis de proteínas, la fotosíntesis, la síntesis de grasas.

Un chico que crece tiene más anabolismo que catabolismo; una persona en ayunas largo, al revés: rompe sus reservas.

Cómo reconocerlo
1. ¿De grande a chico? Catabolismo, libera energía, ΔG negativo.
2. ¿De chico a grande? Anabolismo, consume energía, ΔG positivo.
3. Ojo con «degradación», «hidrólisis» o «digestión»: son catabolismo. «Síntesis», «polimerización»: anabolismo.

El ATP: la moneda de la célula

El catabolismo libera energía en un lugar y el anabolismo la necesita en otro. Hace falta algo que la lleve de un lado al otro, como una moneda que se cobra en un negocio y se gasta en otro. Ese algo es el ATP, adenosín trifosfato.

El ATP es un nucleótido: una base (adenina), un azúcar (ribosa) y tres fosfatos en fila. Los enlaces entre los fosfatos se rompen con agua (hidrólisis) y liberan mucha energía:

ATP + H₂O → ADP + Pi     ΔG ≈ −7,3 kcal/mol  (unos −30,5 kJ/mol)

ADP es adenosín difosfato (le queda uno menos) y Pi es fosfato inorgánico. El catabolismo usa su energía para volver a pegar el fosfato (ADP + Pi → ATP), y el anabolismo gasta ATP. Es un ciclo: la célula no acumula ATP, lo recicla sin parar.

Acoplar: pagar una reacción con otra

Una reacción endergónica ocurre si se la acopla a otra exergónica más grande, en general la hidrólisis del ATP. Las energías se suman: si el total da negativo, el conjunto avanza.

Cómo se resuelve
1. Escribí el ΔG de la reacción que se quiere hacer (positivo).
2. Sumale −7,3 kcal/mol por cada ATP que se hidroliza.
3. Si la suma da negativa, el acople funciona. Si da positiva, un ATP no alcanza.

Óxido-reducción: la energía que viaja en electrones

Mucha energía pasa de una molécula a otra con los electrones. Oxidarse es perder electrones; reducirse es ganarlos. Siempre van juntas: si una molécula pierde electrones, otra los recibe. Por eso se habla de reacciones redox.

En la célula los electrones viajan en transportadores. El principal es el NAD⁺: recibe dos electrones y un protón y queda como NADH (reducido); en el catabolismo se carga y después entrega esos electrones a la cadena respiratoria (tema 5.6). El NADPH hace lo mismo para el anabolismo, y el FAD se reduce a FADH₂.

Cómo reconocerlo
1. ¿Pierde electrones (o hidrógenos)? Se oxida. ¿Los gana? Se reduce.
2. NAD⁺ → NADH: se reduce. NADH → NAD⁺: se oxida.
3. La glucosa que se rompe hasta CO₂ se oxida; el O₂ que termina formando agua se reduce.
Un ejercicio resuelto, paso a paso

Una célula del hígado tiene que unir dos moléculas, A y B, para formar AB. La reacción A + B → AB tiene un ΔG de +4,2 kcal/mol. La célula la acopla a la hidrólisis de un ATP (ΔG ≈ −7,3 kcal/mol). ¿Ocurre? ¿Es catabolismo o anabolismo?

Primero, qué tipo de reacción es. Arma una molécula más grande a partir de dos chicas y su ΔG es positivo: es endergónica y es anabolismo. Sola, no ocurre.

1. El acople. Se suman los ΔG de las dos reacciones:
ΔG total = +4,2 + (−7,3) = −3,1 kcal/mol.
2. La conclusión. El total es negativo: el conjunto es exergónico y avanza. El ATP «pagó» la reacción y le sobró energía, que se pierde como calor.
3. Lo que queda. Del ATP salen ADP + Pi, que el catabolismo de la célula (por ejemplo, la respiración) vuelve a convertir en ATP.

Dónde se pierde el punto: en restar al revés (+7,3 − 4,2 = +3,1) y concluir que no ocurre. El ATP aporta un número negativo: siempre se suma −7,3.

Un control: si la reacción hubiera pedido +9 kcal/mol, un ATP no alcanzaba (+9 − 7,3 = +1,7, positivo). Hacían falta dos.

Y uno del nivel del parcial

Una compañera dice: «Los seres vivos van contra la segunda ley de la termodinámica, porque arman estructuras cada vez más ordenadas: de una semilla sale un árbol». ¿Tiene razón?

No, y el error está en mirar sólo una parte del sistema.

Lo que es cierto. El árbol está mucho más ordenado que el agua, el CO₂ y las sales con que se armó. Adentro del árbol, el orden aumenta.
Lo que falta. Un ser vivo es un sistema abierto. Para ordenarse usa energía de afuera (la luz del sol, en la planta) y devuelve calor y moléculas chicas. En cada transformación una parte de la energía se pierde como calor, y el desorden total, el del árbol más su entorno, aumenta.
La conclusión. La segunda ley habla del universo entero, no de un pedazo. El ser vivo cumple la ley: ordena adentro a costa de desordenar más afuera. Si se corta el ingreso de energía, el orden se pierde: el árbol muere y se descompone.

Dónde se pierde el punto: en contestar que «la vida es una excepción a la física». No lo es: la paga con energía que toma del entorno.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

Practicar Metabolismo y energía: ATP, anabolismo y catabolismo →

Dónde entra este tema en el parcial

Los otros temas de la unidad 3

Metabolismo y membrana

Ver todos los temas de Biología