Bioenergética celular: energía libre de Gibbs, termodinámica y reacciones acopladas

Bioenergética: concepto

Bioenergética: estudio cuantitativo de la forma en que los organismos adquieren y utilizan la energía.

Leyes de la termodinámica aplicadas a la célula

Las transformaciones de la energía en las células obedecen las leyes de la termodinámica:

• Primera ley — Conservación de la energía: en cualquier cambio físico o químico, la cantidad total de energía en el universo permanece constante; la energía puede cambiar de forma, pero no puede ser creada ni destruida.
• Segunda ley — Entropía: en el universo siempre tiende a incrementarse el desorden. En todo proceso natural la entropía tiende a aumentar.

Espontaneidad de una reacción

La energía que las células pueden y deben utilizar es la energía libre (descrita mediante la energía libre de Gibbs, ΔG). Se utiliza como criterio de espontaneidad.

Energía libre de Gibbs (ΔG)

ΔG expresa la cantidad de energía disponible para realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constantes. Se define como:

ΔG = G_productos − G_sustratos

• ΔG negativo: reacciones que ocurren espontáneamente; liberan energía (exergónicas).
• ΔG positivo: reacciones que no ocurren espontáneamente; requieren aporte de energía (endergónicas).

Ecuación de Gibbs–Helmholtz

La relación entre energía libre y las funciones termodinámicas está dada por la ecuación de Gibbs–Helmholtz:

ΔG = ΔH − T·ΔS

a) Entalpía (ΔH)

Entalpía (H): expresa el calor absorbido o liberado en una reacción química.

ΔH = H_productos − H_sustratos

• ΔH negativo → reacción exotérmica (libera calor).
• ΔH positivo → reacción endotérmica (absorbe calor).

b) Entropía (ΔS)

Entropía (S): expresa el grado de desorden o dispersión de energía en una reacción química.

ΔS = S_productos − S_sustratos

• ΔS positivo → contribuye a la espontaneidad.
• ΔS negativo → disminuye la espontaneidad.

Energía libre estándar (ΔG°) y estándar bioquímica (ΔG'°)

ΔG° (energía libre estándar): parámetro que permite comparar reacciones bajo condiciones estándar (25 °C, 1 atm para gases, 1 M para solutos).

ΔG'° (energía libre estándar transformada): indica la energía libre estándar en condiciones bioquímicas, tomando el estado estándar a pH 7.

Determinación de la energía libre

a) Energía libre y energía estándar de formación: la energía libre de reacción es el cambio de energía a condiciones estándar. La energía libre estándar de formación para cualquier elemento en su forma estable (1 atm y 25 °C) es cero.

ΔG'° = Σ a·ΔG'°_productos − Σ b·ΔG'°_reactantes

b) Energía libre estándar y constante de equilibrio:

ΔG'° = −R·T·ln K'_eq

Donde:

• R = constante de los gases (8,315 J·mol⁻¹·K⁻¹ o 1,987 cal·mol⁻¹·K⁻¹).
• T = temperatura absoluta (K).
• K'_eq = constante de equilibrio en condiciones biológicas (pH = 7.0).

Existe la relación entre ΔG y ΔG'°:

ΔG = ΔG'° + R·T·ln Q

c) Energía libre estándar y potenciales estándar de reducción

Reacción redox: transferencia de electrones desde un dador electrónico a un aceptor electrónico. Los electrones pueden transferirse de diferentes formas:

1. Directamente como electrones.
2. En forma de átomos de hidrógeno (H·).
3. En forma de hidruro (H⁻), que incluye dos electrones.
4. Por transferencia directa de un reductor orgánico al oxígeno.

La relación entre energía libre estándar y diferencia de potencial de reducción es:

ΔG'° = −n·F·ΔE'°

y, cuando las concentraciones no son 1 M,

ΔG = −n·F·ΔE

Donde:

• n = número de electrones transferidos.
• F = constante de Faraday (96.485 kJ·mol⁻¹·V⁻¹).
• ΔE'° = diferencia de potencial de reducción estándar.

El potencial de reducción bajo condiciones no estándar viene dado por la ecuación de Nernst:

E = E° − (R·T / n·F)·ln Q

Propiedades de ΔG en reacciones secuenciales

Los valores de ΔG'° de reacciones químicas secuenciales son aditivos. Esto implica que una reacción termodinámicamente desfavorable puede ser impulsada en el sentido directo acoplándola a una reacción muy exergónica a través de un intermediario común.

Reacciones acopladas

Reacciones acopladas: una reacción que libera energía (exergónica) puede impulsar otra que requiere energía (endergónica) mediante un intermediario común.

Compuestos de alta energía

Ejemplos de compuestos que almacenan y transfieren energía en la célula:

• Fosfoenolpiruvato (PEP)
• 1,3-bisfosfoglicerato
• Creatina fosfato (CP)
• Adenosín trifosfato (ATP)
• Adenosín difosfato (ADP)
• Acetil-CoA
• Pirofosfato (PPi)
• Adenosín monofosfato (AMP)
• Glicerol-1-fosfato (G1P)

Estos compuestos participan en el acoplamiento de reacciones y en la transferencia de energía dentro del metabolismo celular.