¿ Cómo obtienen los sistemas vivos su energía ?
Aprendizajes
El alumno:
- identifica la diversidad de los sistemas vivos a partir de sus características metabólicas.
- comprende que la fermentación y la respiración son procesos de degradación de biomoléculas en los sistemas vivos.
- comprende que la fotosíntesis es un proceso que permite la síntesis de biomoléculas en los sistemas vivos.
Hasta donde sabemos, son las leyes de la termodinámica las que determinan la organización de la materia; tanto en los Sistemas Planetarios, como en las Galaxias y el Universo. En efecto, las leyes de la termodinámica indican que la materia, a través de sus posibles cambios físicos y químicos, tiende a ganar entropía (La entropía se define como la cantidad de energía en un sistema cerrado que no está disponible para realizar un trabajo; también se define como la medida de aleatoriedad o desorden en tal sistema.); es decir, tiende a estados más simples y de menor orden. No obstante, los sistemas vivos están en eterna contradicción con este principio: sin romper las leyes de la conservación de la materia y la energía y los principios físicos y químicos que aplican en cualquier situación, los sistemas vivientes se acoplan a reacciones que sí tienden a aumentar su entropía para, a su vez, aprovechar la energía liberada, perdiendo entropía y logrando de este modo una ganancia de energía y orden (ver figura 1). Todo ser vivo permanecerá en tal estado mientras no gane entropía de manera considerable; cuando esto ocurre, se pierde el estado viviente; es decir, sobreviene la muerte.
Así, la refinada organización de los sistemas vivos les permite asociarse a, y dirigir procesos de entropía. Esta asociación les permite absorber la energía desprendida durante dichos procesos para transformarla y aprovecharla. El ejemplo que tenemos más a la mano es nuestra propia alimentación: piensa en tu comida, que idealmente debe incluir glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. En el proceso de digestión, nuestro cuerpo rompe las macromoléculas mencionadas en sus unidades básicas y las transporta a la sangre, quien se encarga de llevarla a todas las células del organismo. Todo lo que no es aprovechable es eliminado del cuerpo por los procesos de excreción, mientras que lo absorbido puede servir para una de dos cosas: ser degradado; es decir, llevado a su estado de menor energía para utilizar la energía desprendida o puede ser utilizado para formar parte de tu propio cuerpo.
En el primer caso, mediante una degradación controlada por enzimas, se genera un desprendimiento de energía que nosotros aprovechamos para almacenarla en moléculas energéticas que podemos administrar a placer para realizar todas nuestras funciones: mantenernos vivos, caminar, jugar, estudiar, reproducirnos, etc. En el segundo caso, los glúcidos pueden ser almacenados como tales o transformados en grasa, la cual también puede ser almacenada; las unidades básicas producto del rompimiento de las proteínas y ácidos nucleicos pueden ser ensamblados de una manera especificada por nuestro organismo para formar parte de nuestro cuerpo o de nuestro propio ADN.
Ningún sistema viviente está exento de estos procesos, denominados de nutrición, que les permite obtener energía, crecer y reproducirse. Los biólogos han identificado entre los sistemas vivos diversas variantes de nutrición que pueden verse en el Cuadro 1.
La nutrición autótrofa es aquella en la cual el sistema viviente obtiene su energía de fuentes abióticas; es decir, del ambiente físico no vivo. En el caso de los fotosintéticos, utilizan la luz proveniente del sol para fabricar sus alimentos y sus propias moléculas constituyentes. Prácticamente todas las plantas que conocemos realizan esta función, aunque este proceso no es exclusivo del reino Plantae, ya que también se presenta en algunas especies de los reinos Protoctista y Monera.
La nutrición quimiosintética es realizada principalmente por especies del reino Monera (bacterias), las cuales pueden tomar materia inorgánica para, mediante reacciones redox, formar compuestos diversos obteniendo energía en el proceso.
La importancia en los ecosistemas de los organismos que realizan la nutrición autótrofa es primordial, ya que actúan como agentes que toman energía de fuentes inorgánicas, la transforman en materia orgánica que puede ser utilizada por ellas y por los organismos heterótrofos. De este modo, al estudiar el flujo de energía de cualquier ecosistema, este inicia siempre en los autótrofos.
La nutrición heterótrofa es como la que realizamos nosotros, aunque puede presentar diversas variantes, ya que la digestión puede ser intracelular, intracorporal (dentro del cuerpo) o extracorporal (fuera del cuerpo). Muchos organismos unicelulares del reino Protoctista realizan la digestión intracelular; por ejemplo, Didinium puede ingerir presas incluso más grandes que él, como Paramecium (ver figura 2); una vez ingerido, el equipo enzimático de Didinium se dedica a digerirlo para obtener su energía vital.
La digestión intracorporal la realizan muchos animales, incluidos nosotros. En este caso, se cuenta con todo un conjunto de tubos y glándulas (Aparato digestivo) que, una vez ingeridos los alimentos a través de la boca, permiten la estancia de los productos alimenticios en el interior del cuerpo, pero fuera de las células. Este conjunto de tubos está herméticamente sellado para evitar que los alimentos (bolo alimenticio) penetre en otras partes del cuerpo. Productos glandulares y enzimas se encargan de degradar los nutrientes en monómeros , los cuáles son tomados por células especializadas que recubren la parte interna del tubo digestivo y transportan estos monómeros a la sangre. Los materiales no digeridos continúan su tránsito por el tubo digestivo hasta llegar al ano, de donde son eliminados al exterior.
La digestión extracorporal la realizan principalmente los hongos (Reino Fungi), ya que ellos arrojan enzimas al medio externo. Una vez que las enzimas digestivas han realizado su función degradadora, el hongo absorbe los monómeros que requiere para su nutrición. Algunos organismos del reino Animalia como las arañas, son capaces de realizar la digestión extracorporal, ya que estos depredadores inoculan a sus presas enzimas digestivas; una vez realizado el proceso digestivo, la araña bebe el jugo resultante y deja solo la “momia” del organismo del que se alimentó (ver figura 3).
La Extracción de Energía
Hemos visto que existen tres maneras principales de nutrición: autótrofa fotosintética, autótrofa quimiosintética y heterótrofa. Los dos primeros son procesos bioquímicos muy complejos, mientras que en el caso de la nutrición heterótrofa, aunque implica importantes adaptaciones, el proceso general ya lo explicamos arriba. No obstante, en los tres casos, se presenta el fenómeno universal de la respiración, que es el proceso último que permite a los sistemas vivos generar la energía necesaria para realizar sus funciones.
En efecto, la respiración como proceso de obtención de energía se presenta no solo en animales, sino con algunas variantes, en prácticamente todos los sistemas vivos. Piensa en una planta común: si bien en las hojas se realiza la fotosíntesis y la llamada savia elaborada es repartida por toda la planta, a la raíz lo que llega es este jugo rico en nutrientes que las células deben absorber para, a través del proceso respiratorio, utilizar la glucosa para liberar energía, obteniendo como desecho el bióxido de carbono y agua. De hecho, la fotosíntesis consiste en transformar la energía luminosa en energía química que es guardada en la molécula de glucosa, por lo que todas la células vegetales, fotosintéticas o no, deben realizar también el proceso respiratorio. Por ello, a continuación estudiaremos a grandes rasgos los procesos de fotosíntesis, quimiosíntesis y respiración.
La Fotosíntesis.
Como sabemos, la fotosíntesis es un proceso mediado por la clorofila, así como toda una serie de rutas metabólicas catalizadas por enzimas. La clorofila es la sustancia verde que da su color típico a las plantas y que es capaz de convertir la energía luminosa en química. Aunque en ciertos procariontes existe clorofila dispersa en la célula, en los eucariontes esta molécula se almacena en organelos especializados llamados cloroplastos.
El fenómeno fotosintético implica un complicado proceso bioquímico que fue desentrañado en la segunda mitad del siglo XX. Para su estudio se divide en dos grupos de reacciones, cada uno con sus correspondientes rutas metabólicas que son:
a) Reacciones dependientes de la luz. En las cuales la energía luminosa (proveniente del sol), es captada para formar ATP. En este proceso se emplean moléculas de agua que se rompen y la coenzima dinucleótido de nicotina adenina fosforilada o NADP atrapa a los iones de hidrógeno (H+) y electrones liberados convirtiéndose en NADPH.
b) Reacciones independientes de la luz. En las cuales el ATP formado en las reacciones dependientes de la luz (que tiene almacenada la energía proveniente del sol), se rompe para aportar la energía necesaria para formar a las moléculas de glucosa utilizando el CO2 que aporta carbono y oxígeno, además de agua que aporta el hidrógeno que fue adicionado al NADP+ para formar NADPH. Por lo que la formula general de la fotosíntesis se puede expresar de la siguiente manera:
En esta ecuación la glucosa representa el producto final y el O2 es el producto de desecho. Sin embargo, la glucosa puede ser transformada más tarde en otros glucidos como la fructuosa o el almidón o incluso en otras moléculas como grasas, aminoácidos o nucleótidos si se agregan los elementos faltantes.
Los quimiosintéticos o quimioautótrofos
Estos autótrofos constituyen un grupo de organismos poco conocidos, con la capacidad de obtener energía extrayendo electrones e hidrógeno de diversas sustancias inorgánicas como hidrógeno gaseoso, nitrógeno y compuestos de azufre. Las bacterias quimioautótrofas pueden clasificarse por los compuestos que oxidan para obtener energía, presentándose como mínimo tres clases:
- las bacterias oxidadoras de compuestos nitrogenados como Nitrobacter y Nitrocystis .
- las bacterias oxidadoras de compuestos del azufre como Thiobacterium y Sulfolobus.
- las bacterias oxidadoras del metano como Methylomonas (ver figura 4) y Methylococcus.
Estas especies liberan en el suelo como producto de deshecho sulfatos o nitratos que son utilizados por las plantas como nutrientes, los que les sirven para formar muchos de sus compuestos orgánicos, incluidas proteínas y ácidos nucleicos. Su papel en la circulación de elementos en los ciclos biogeoquímicos del nitrógeno, carbono y azufre son de vital importancia, y sin ellas la vida en la Tierra sería muy diferente.
Recientemente se han descubierto nuevas especies de organismos quimioautótrofos en lo que se conoce como ventilas hidrotermales. En 1977 unos investigadores que estudiaban el suelo oceánico cerca de las islas Galápagos descubrieron fisuras producto de la actividad volcánica en el lecho marino a cerca de 2,500 metros de profundidad entre dos placas tectónicas, en las cuales encontraron comunidades de organismos que vivían muy cerca de ellas. El agua fría del océano se filtraba en las fisuras y alcanzaba altas temperaturas. Al calentarse el agua (hasta 350° C) esta era empujada hacia arriba por efecto del tremendo calor y los minerales de las rocas del lugar se mezclaban con el agua enriqueciéndola con zinc, hierro, cobre y sulfatos de magnesio y azufre, formando depósitos ricos en estos minerales. Aquí el azufre sirve como fuente de energía para las bacterias quimioautótrofas (se debe tomar en cuenta que en estas profundidades prácticamente no existe la luz solar como fuente de energía), las bacterias en este ecosistema son los productores primarios en la cadena trófica, que incluye en eslabones más altos a gusanos, crustáceos y peces. Se han descubierto gusanos tubícolas de 3 metros de largo que obtienen sus glucidos directamente de las bacterias quimioautótrofas que viven en el interior de sus cuerpos.
Posteriormente se han localizado más ventilas hidrotermales, en el Golfo de México, de California, en el Atlántico, e incluso en el lago Baikal en Rusia que es el más profundo del mundo.
La fotosíntesis y quimiosíntesis son muy similares, ya que en ambas se requiere de fuentes donadoras de electrones, hidrógeno, carbono en forma de bióxido de carbono (CO2) y energía. En la fotosíntesis los electrones y el hidrógeno se obtienen de la fotólisis de agua. En la quimiosíntesis el donador de electrones es una sustancia inorgánica como el hidrógeno o nitrógeno, en ella los electrones son desplazados de las sustancias inorgánicas y las sustancias reducidas proveen la energía necesaria para producir ATP y NADPH. Algunas de las bacterias de las ventilas hidrotermales oxidan el hidrógeno en sulfuro de hidrógeno para obtener energía para producir carbohidratos.
Mediante este proceso metabólico, las bacterias del azufre descomponen al ácido sulfhídrico (H2S), y obtienen 247 kilojoules de energía, la cuál utilizan para sintetizar compuestos orgánicos. La formula general de la quimiosíntesis de estas bacterias que viven en la cercanía de las ventilas hidrotermales es la siguiente:
Aunque son pocas las especies de bacterias quimioautótrofas, su actividad junto con la de los organismos fotosintéticos proveen la energía y nutrientes para todos los demás seres vivos de la Tierra.
La respiración
La respiración se puede definir en general como la transformación metabólica de los alimentos para obtener la energía requerida, aunque en el caso de la respiración aerobia, Lehninger la define como “la oxidación de los combustibles orgánicos por el oxígeno molecular, donde el oxígeno actúa, por tanto, como el aceptor electrónico final”.
Dadas las condiciones de la Tierra primitiva, carente de oxígeno molecular, el tipo de respiración que surgió originalmente fue la respiración anaerobia; es decir, en ausencia de oxígeno. La casi universalidad de este tipo de respiración (por lo menos al inicio del proceso en el caso de la respiración aerobia), indica lo temprano de su origen cuando aparecieron las primeras formas vitales en nuestro planeta, así como su importancia en la consecución de energía como estrategia para la conservación de una baja entropía.
La respiración en presencia de oxígeno se realiza después de un proceso en ausencia de oxígeno (llamado glicólisis anaerobia) que da como resultado el rompimiento de la glucosa en dos moléculas de piruvato. Este último puede seguir por dos vías distintas: respiración anaerobia y respiración aerobia. En la actualidad, conocemos varios tipos de respiración anaerobia o fermentación, que en realidad son ligeras variantes en la composición química del producto final de la glicólisis anaerobia, siendo los más conocidos:
Glicólisis anaerobia: productos y balance energético
La serie de reacciones de la glicólisis se dividen en dos grupos: Fase I, de fosforilación y rompimiento; y Fase II, de síntesis de ATP y producto final.
La fase I. Durante una serie de reacciones, el sustrato (la glucosa), es fosforilado en ambos extremos y roto por mitad (ver figura 5), después de lo cual es nuevamente fosforilado en el punto de ruptura. De este modo, se obtienen dos moléculas con 2 fosfatos en sus extremos cada una; de este modo, ambas moléculas obtenidas tienen un alto nivel de energía libre.
La fase II. El 1,3 fosfoglicerato transfiere sus fosfatos directamente a cuatro ADPs para transformarlos en ATPs. De este modo, durante la glicólisis anaerobia, la célula invierte dos moléculas de ATP y obtiene 4, por lo que se obtiene una ganancia neta de 2 ATP por molécula de glucosa metabolizada. Asimismo, se obtienen dos moléculas de NADH y dos de piruvato. En los organismos que realizan la respiración aerobia, el piruvato es llevado a la mitocondria, donde se continúa con el ciclo de Krebs. Sin embargo bajo ciertas condiciones, las células musculares de vertebrados e invertebrados, pueden seguir la vía de la respiración láctica, lo cual ocurre en condiciones de ejercicio extremo y fatiga.
Las células musculares tienen dos sistemas de emergencia que les permite echar mano de energía en caso de que los sistemas respiratorio y circulatorio no provean del oxígeno necesario para llevar a término la respiración aerobia. El primero consiste en utilizar un almacén de creatina fosforilada (la creatina es un compuesto nitrogenado cuya fórmula condensada es C4 H9 N3), la cual debido a su tamaño es fácilmente almacenable en los músculos, además de que la creatina puede transferir su fósforo al ADP con gran facilidad para convertirlo en ATP (ver reacción abajo). Una vez terminada la emergencia, la creatina es fosforilada y almacenada nuevamente en las fibras musculares.
La segunda vía energética de emergencia en caso de falta de O2 por ejercicio extremo, consiste en seguir la vía de la fermentación láctica, que permite generar ATP y a la vez reciclar el NAD+ utilizado en la reacción 5 de la glicólisis anaerobia. Puesto que el lactato (o ácido láctico según algunos autores), al aumentar rápidamente en los músculos genera una mayor fatiga, es removido por el sistema circulatorio y llevado al hígado, donde es convertido en piruvato y, posteriormente por un proceso conocido como gluconeogénesis, por cada dos lactatos se regenera una molécula de glucosa.
Ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa. Productos y balance energético. Cuando después de la glicólisis anaerobia la célula continúa con la respiración aerobia en el interior de la mitocondria, la serie de reacciones que se desencadenan entonces se dividen en dos grupos: el primero es el ciclo de Krebs o del ácido cítrico y el segundo es el de fosforilación oxidativa (también conocido como cadena respiratoria o de los citocromos). Por estos medios, se obtiene finalmente agua, bióxido de carbono y energía almacenada en moléculas de ATP.
Así, antes de iniciar el ciclo de Krebs, ocurre una doble reacción del piruvato que consisten en una descarboxilación y la adición de Coenzima A al producto, obteniéndose acetil coenzima A, sustancia que está lista para iniciar el ciclo del ácido cítrico.
A grandes rasgos, el ciclo de Krebs consiste de una serie de 9 reacciones que inician con el acetil coenzima A uniéndose al oxaloacetato y terminan desintegrándolo en componentes fundamentales como Hidrógeno y bióxido de carbono, regenerando al final el oxaloacetato, lo cual significa que el piruvato, producto de la glicólisis anaerobia termina desintegrándose.
El gran tesoro obtenido del ciclo de Krebs, además de ATP es el hidrógeno capturado por el NAD y el FAD, para transformarse en NADH y FADH2. Está por demás mencionar que el CO2 se desecha.
Es importante mencionar que los hidrógenos capturados por el NADH y el FADH2 son quienes almacenan una alta cantidad de energía, y que al ser transportados en la cadena de los citocromos, permitirán la síntesis de moléculas energéticas.
Pero ¿qué ocurre con los transportadores de electrones? Estos inician el proceso que se conoce como fosforilación oxidativa, en el cual participan una variedad de compuestos entre los que se encuentran el FMN (flavin mononucleótido), la coenzima Q, y los citocromos b, c, a y a3 (ver figura 6); estos últimos son compuestos que incluyen un grupo hemo semejante al que se encuentra en la sangre y que contiene un núcleo de Fe.
Todos los componentes de la cadena de los citocromos son transportadores de electrones y funcionan asociados íntimamente con la enzima ATP sintetasa. Por el hecho de ser transportadores de electrones y de formar parte de una misma ruta metabólica, los citocromos se pasan unos a otros los electrones obtenidos de la desintegración de la glucosa. Debido a reacciones de oxido – reducción, en ciertos pasos se libera la energía suficiente para la síntesis de moléculas de ATP. Finalmente, los electrones son transferidos al más electronegativo de los componentes del sistema: el oxígeno, lo cual permite la formación de agua (ver cuadro 2).
Así, tenemos que de la oxidación de la glucosa a través del proceso respiratorio aerobio, los organismos generamos 36 moléculas de ATP y desechamos seis moléculas de bióxido de carbono y seis de agua.
Bibliografía
Campbell, Neil A. et al. Biología. Conceptos y relaciones, Prentice Hall, México, 2001.
Curtis, Helena. et al. Biología, Editorial Médica Panamericana, España, 2000.
Mertz, E. T. Bioquímica. Publicaciones Cultural, S. A. México, 2001
Solomon, Eldra P. et al. Vida. La Ciencia de la Biología, Ed. Médica Panamericana, México, 2002
Vázquez B. L. A. y Héctor Rivera V. Biología III. CCH – Sur, 2005
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