Cada uno de nuestros movimientos o pensamientos requiere energía del cuerpo. Esta fuerza es almacenada por cada célula del cuerpo y la acumula en biomoléculas con la ayuda de enlaces macroérgicos. Son estas moléculas de batería las que proporcionan todos los procesos vitales. El constante intercambio de energía dentro de las células determina la vida misma. ¿Qué son estas biomoléculas con enlaces macroérgicos, de dónde vienen y qué sucede con su energía en cada célula de nuestro cuerpo? Esto se analiza en el artículo.
Mediadores biológicos
En cualquier organismo, la energía de un agente generador de energía a un consumidor de energía biológica no pasa directamente. Cuando se rompen los enlaces intramoleculares de los productos alimenticios, se libera la energía potencial de los compuestos químicos, que supera con creces la capacidad de uso de los sistemas enzimáticos intracelulares. Es por ello que en los sistemas biológicos la liberación de sustancias químicas potenciales se produce de forma escalonada con su transformación gradual en energía y su acumulación en compuestos y enlaces macroérgicos. Y son las biomoléculas que son capaces de tal acumulación de energía las que se denominan de alta energía.
¿Qué enlaces se llaman macroérgicos?
El nivel de energía libre de 12,5 kJ/mol, que se forma durante la formación o descomposición de un enlace químico, se considera normal. Cuando, durante la hidrólisis de ciertas sustancias, se forma energía libre más de 21 kJ / mol, esto se denomina enlaces macroérgicos. Se denotan con el símbolo de tilde - ~. A diferencia de la química física, donde un enlace macroérgico significa un enlace covalente de átomos, en biología significan la diferencia entre la energía de los agentes iniciales y sus productos de descomposición. Es decir, la energía no se localiza en un enlace químico específico de los átomos, sino que caracteriza toda la reacción. En bioquímica se habla de conjugación química y de la formación de un compuesto macroérgico.
Fuente universal de bioenergía
Todos los organismos vivos de nuestro planeta tienen un elemento universal de almacenamiento de energía: este es el enlace macroérgico ATP - ADP - AMP (adenosina tri, di, ácido monofosfórico). Estas son biomoléculas que consisten en una base de adenina que contiene nitrógeno unida a un carbohidrato de ribosa y residuos de ácido fosfórico unidos. Bajo la acción del agua y una enzima de restricción, una molécula de trifosfato de adenosina (C10H16N5 O 13P3) puede descomponerse en una molécula de ácido adenosina difosfórico y ácido ortofosfato. Esta reacción va acompañada de la liberación de energía libre del orden de 30,5 kJ/mol. Todos los procesos vitales en cada célula de nuestro cuerpo ocurren cuando la energía se acumula en ATP y se usa cuando se descompone.enlaces entre residuos de ácido ortofosfórico.
Donante y aceptor
Los compuestos de alta energía también incluyen sustancias con nombres largos que pueden formar moléculas de ATP en reacciones de hidrólisis (por ejemplo, ácidos pirofosfórico y pirúvico, succinil coenzimas, aminoacil derivados de ácidos ribonucleicos). Todos estos compuestos contienen átomos de fósforo (P) y azufre (S), entre los cuales existen enlaces de alta energía. Es la energía que se libera cuando se rompe el enlace de alta energía en el ATP (donante) la que es absorbida por la célula durante la síntesis de sus propios compuestos orgánicos. Y al mismo tiempo, las reservas de estos enlaces se reponen constantemente con la acumulación de energía (aceptor) liberada durante la hidrólisis de macromoléculas. En cada célula del cuerpo humano, estos procesos ocurren en las mitocondrias, mientras que la duración de la existencia de ATP es inferior a 1 minuto. Durante el día, nuestro cuerpo sintetiza alrededor de 40 kilogramos de ATP, los cuales pasan por hasta 3 mil ciclos de descomposición cada uno. Y en un momento dado, alrededor de 250 gramos de ATP están presentes en nuestro cuerpo.
Funciones de las biomoléculas de alta energía
Además de la función de donante y aceptor de energía en los procesos de descomposición y síntesis de compuestos macromoleculares, las moléculas de ATP desempeñan otras funciones muy importantes en las células. La energía de ruptura de enlaces macroérgicos se utiliza en los procesos de generación de calor, trabajo mecánico, acumulación de electricidad y luminiscencia. Al mismo tiempo, la transformaciónla energía de los enlaces químicos en térmica, eléctrica, mecánica al mismo tiempo sirve como etapa de intercambio de energía con el posterior almacenamiento de ATP en los mismos enlaces de macroenergía. Todos estos procesos en la celda se denominan intercambios plásticos y de energía (diagrama en la figura). Las moléculas de ATP también actúan como coenzimas, regulando la actividad de ciertas enzimas. Además, el ATP también puede ser un mediador, un agente de señalización en las sinapsis de las células nerviosas.
El flujo de energía y materia en la célula
Así, el ATP en la célula ocupa un lugar central y principal en el intercambio de materia. Hay bastantes reacciones por medio de las cuales surge y se descompone el ATP (fosforilación oxidativa y del sustrato, hidrólisis). Las reacciones bioquímicas de la síntesis de estas moléculas son reversibles; bajo ciertas condiciones, se desplazan en las células en la dirección de síntesis o descomposición. Los caminos de estas reacciones difieren en el número de transformaciones de sustancias, el tipo de procesos oxidativos y en las formas de conjugación de las reacciones de suministro y consumo de energía. Cada proceso tiene claras adaptaciones al procesamiento de un tipo particular de "combustible" y sus límites de eficiencia.
Evaluación de desempeño
Los indicadores de la eficiencia de la conversión de energía en los biosistemas son pequeños y se estiman en valores estándar del factor de eficiencia (la relación entre el trabajo útil gastado en el trabajo y la energía total gastada). Pero aquí, para garantizar el desempeño de las funciones biológicas, los costos son muy altos. Por ejemplo, un corredor, en términos de unidad de masa, gasta tantoenergía, cuánto y un gran transatlántico. Incluso en reposo, mantener la vida de un organismo es un trabajo arduo, y se gastan alrededor de 8 mil kJ / mol. Al mismo tiempo, se gastan alrededor de 1,8 mil kJ/mol en la síntesis de proteínas, 1,1 mil kJ/mol en el trabajo del corazón, pero hasta 3,8 mil kJ/mol en la síntesis de ATP.
Sistema celular de adenilato
Este es un sistema que incluye la suma de todos los ATP, ADP y AMP en una celda en un período de tiempo específico. Este valor y la proporción de componentes determina el estado energético de la celda. El sistema se evalúa en términos de la carga de energía del sistema (la proporción de grupos fosfato al residuo de adenosina). Si solo ATP está presente en los compuestos macroérgicos de la célula, tiene el estado de energía más alto (índice -1), si solo AMP, el estado mínimo (índice - 0). En las células vivas, se suelen mantener indicadores de 0,7 a 0,9. La estabilidad del estado energético de la célula determina la velocidad de las reacciones enzimáticas y el mantenimiento de un nivel óptimo de actividad vital.
Y un poco sobre las centrales eléctricas
Como ya se mencionó, la síntesis de ATP ocurre en orgánulos celulares especializados: las mitocondrias. Y hoy entre los biólogos hay disputas sobre el origen de estas asombrosas estructuras. Las mitocondrias son las centrales eléctricas de la célula, cuyo "combustible" son las proteínas, las grasas, el glucógeno y la electricidad: moléculas de ATP, cuya síntesis se lleva a cabo con la participación del oxígeno. Podemos decir que respiramos para que las mitocondrias funcionen. Cuanto más trabajo por hacercélulas, más energía necesitan. Leer - ATP, lo que significa - mitocondrias.
Por ejemplo, un atleta profesional tiene aproximadamente un 12 % de mitocondrias en los músculos esqueléticos, mientras que un profano no atlético tiene la mitad. Pero en el músculo cardíaco, su tasa es del 25%. Los métodos modernos de entrenamiento para atletas, especialmente corredores de maratón, se basan en MOC (consumo máximo de oxígeno), que depende directamente de la cantidad de mitocondrias y la capacidad de los músculos para realizar cargas prolongadas. Los principales programas de entrenamiento para deportes profesionales tienen como objetivo estimular la síntesis de mitocondrias en las células musculares.
