Bioquímica/Metabolismo y Energía

El metabolismo es, en términos generales, la conversión de alimentos en energía, componentes celulares y productos de desecho.
Figura 1: Metabolismo

El diagrama anterior muestra las diferentes partes del metabolismo:

• fuente de energía , que es, después de todo, el sol, cuya energía se recolecta a través de la fotosíntesis.
• catabolismo , la descomposición de los alimentos en energía química, que se necesita en
• anabolismo , la construcción de moléculas celulares complejas a partir de pequeñas moléculas ambientales, utilizando energía química.

Las reacciones catabólicas liberan energía y, por lo tanto, son exergónicas , mientras que las reacciones anabólicas consumen energía y, por lo tanto, son endergónicas .

Fosfatos de alta energía

Debido a la gran variedad de compuestos alimentarios y al gran número de reacciones bioquímicas que necesitan energía en el anabolismo, sería bastante ineficaz acoplar una reacción anabólica específica a una fuente de energía específica en el catabolismo. En cambio, la célula utiliza un compuesto intermedio, una especie de moneda energética universal. Este intermedio se llama fosfato de alta energía.

Pero, ¿cuándo se llama un grupo fosfato de "alta energía" y en qué se diferencia de un fosfato de "baja energía"? Un regalo es el ΔG0 'de la hidrólisis. La hidrólisis separa un fosfato de un compuesto agregando agua:

   O                      O
R-OP-OH + H2O ⇌ R-OH + HO-P-OH
   O                      O

ΔG^0' de baja energia ( "inorgánica") grupo fosfato ( P_i) es 9-20 kJ mol^-1, mientras que ΔG^0' de fosfato de alta energia ( Ⓟ) es ~30 kJ mol^-1.

Enlaces no covalentes

La destrucción de enlaces covalentes consume grandes cantidades de energía. La descomposición de una molécula de O2 en dos átomos de oxígeno necesita ~ 460 kJ mol-1. Por tanto, en ninguna parte de la bioquímica "viva" se destruyen realmente los enlaces covalentes; si uno está roto, se crea otro. Aquí es donde entran los enlaces no covalentes, son lo suficientemente débiles como para romperse fácilmente y formar "enlaces" de nuevo. Por esta razón, muchas funciones bioquímicas utilizan los llamados enlaces débiles / secundarios / no covalentes.

Los enlaces débiles se crean y destruyen mucho más fácilmente que los covalentes. El rango típico de energía necesaria para destruir un enlace tan débil es 4-30 kJ mol-1. Por lo tanto, la formación de enlaces débiles es energéticamente favorable, pero estos enlaces también se rompen fácilmente por la energía cinética (térmica) (el movimiento normal de las moléculas). Las interacciones bioquímicas son a menudo temporales (por ejemplo, un sustrato tiene que dejar una enzima rápidamente después de ser procesado), para lo cual la debilidad de estos enlaces es esencial. Además, la especificidad bioquímica (por ejemplo, reconocimiento enzima-sustrato) se logra a través de enlaces débiles, utilizando dos de sus propiedades principales:

Dado que los enlaces débiles individuales son, bueno, débiles, varios de ellos tienen que ocurrir en un patrón específico al mismo tiempo y aproximadamente en el mismo lugar.

Ionicos

Los enlaces iónicos son atracciones electrostáticas entre grupos cargados permanentemente. Los enlaces iónicos no están dirigidos. Ejemplo:

X-CO₂^{- .....} H₃⁺N-Y

~ 20 kJ mol^-1

Puentes de Hidrogeno

Los enlaces de hidrógeno también se establecen por atracción electrostática. Estas atracciones no ocurren entre grupos cargados permanentemente, sino más bien entre átomos cargados temporalmente por un "momento dipolar", resultante de la diferente electronegatividad de los átomos dentro de un grupo. Los enlaces de hidrógeno son incluso más débiles que los enlaces iónicos y son muy direccionales, generalmente a lo largo de una línea recta. Además de ser más débiles que los enlaces iónicos, los enlaces de hidrógeno también son más débiles y más largos que los enlaces covalentes similares.

Los enlaces de hidrógeno son únicos porque solo existen cuando el hidrógeno está unido a un oxígeno (O), nitrógeno (N) o flúor (F), pero los enlaces de hidrógeno más comunes en bioquímica son:

X-OH ^..... O-Y

X-OH ^..... N-Y

X-NH ^..... O-Y

X-NH ^..... N-Y

Los enlaces de hidrógeno equivalen a una energía entre 12-29 kJ mol, mientras que los enlaces covalentes son mucho más altos. Por ejemplo, el enlace covalente entre oxígeno e hidrógeno es de aproximadamente 492 KJ mol^-1.

Referencias

• Cooke, Rosa-lee. Properties of Water. Lecture 10. Mountain Empire Community College. n.d. Web. http://water.me.vccs.edu/courses/env211/lesson10_print.htm
• Kimball, John W.. Hydrogen Bonds. Kimball’s Biology Pages. Feb. 12, 2011. Web. http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/H/Hbonds_water.gif
• Lower, Stephen. States of matter: Water and hydrogen bonding. General Chemistry Virtual Textbooks. 2009. Aug. 26, 2010. Web.

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• W. W. Norton & Company. Hydrogen Bonding in Water. Web. 2012. http://www.wwnorton.com/college/chemistry/gilbert2/tutorials/chapter_10/water_h_bond/
• WyzAnt Tutoring. WyzAnt Tutoring. Bonds. 2012. Web. http://www.wyzant.com/Help/Science/Chemistry/Bonds/