Qué es el catabolismo？
El catabolismo es la vía de los organismos que consiste en descomponer moléculas complejas o estructuras subcelulares en moléculas más simples. Por ejemplo, algunos orgánulos envejecidos o dañados, células y proteínas mal ensambladas son descompuestos por hidrolasas lisosomales. Alternativamente, algunas sustancias que almacenan energía son descompuestas por enzimas en unidades más pequeñas. Por ejemplo, los hidratos de carbono como el almidón o el glucógeno se descomponen en glucosa, las proteínas en aminoácidos y los triglicéridos en glicerol y ácidos grasos.
El catabolismo no sólo es responsable del reciclaje y la eliminación de residuos; su función más importante es la producción de energía. Los enlaces químicos originales se rompen y se transforman en formas más disponibles para proporcionar energía a diversas funciones celulares, como la principal moneda energética de la célula, el trifosfato de adenosina (ATP). La respiración aeróbica celular es la principal vía de obtención de energía de la mayoría de los organismos. Otras vías son la respiración celular anaeróbica, la glucólisis y la fermentación.
La respiración celular
La respiración celular está estrechamente relacionada con el intercambio gaseoso. En los organismos unicelulares, la principal vía de obtención de oxígeno es la difusión libre a través de la membrana celular. En los organismos pluricelulares, el intercambio gaseoso se produce en los pulmones, las branquias o la piel. Después, el oxígeno entra en cada célula a través del sistema circulatorio. Algunos invertebrados primitivos, como las esponjas y las medusas, ni siquiera tienen un verdadero sistema circulatorio y siguen dependiendo de la difusión libre del oxígeno. La glucosa y los ácidos grasos son fuentes comunes de energía para la respiración celular que se oxidan en agua y dióxido de carbono para producir ATP en las mitocondrias o células procariotas. A continuación, el dióxido de carbono se expulsa a través del sistema circulatorio o por difusión libre simple.
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP
C₁₇H₃₅COOH + 26O₂ → 18CO₂ + 18H₂O + ATP.
La energía de los ácidos grasos es aproximadamente el doble de la de la glucosa. Hay aproximadamente 167 kJ en 10 g de glucosa. Un adulto que realice ejercicio intenso durante unos 15 minutos consumirá esta cantidad de energía. Cada molécula de ATP contiene aproximadamente un 1% de energía en una molécula de glucosa. Entonces, ¿cada glucosa oxidada libera 100 moléculas de ATP? ¿Significa esto que la eficiencia de la producción de energía es del 100%? No, la respiración celular sólo puede utilizar alrededor del 40% de la energía almacenada en la glucosa. Además, las moléculas que se desplazan a través de las membranas biológicas consumen algo de ATP y, en realidad, sólo alrededor del 30% de la energía se almacena en ATP. En comparación con los motores térmicos, se trata de una eficiencia elevada. Por ejemplo, la eficiencia térmica de una máquina de vapor es sólo de alrededor del 8%; los motores de combustión interna y los sistemas de transmisión sólo pueden convertir alrededor del 25% de la energía de la gasolina en energía cinética para los coches. Incluso comparada con la fermentación y la respiración anaeróbica, la respiración aeróbica es altamente eficiente. Por ejemplo, incluso la respiración de nitratos más eficiente sólo alcanza la mitad o menos de eficiencia; la fermentación de la levadura en un entorno anóxico sólo aprovecha alrededor del 2% de energía en glucosa.
En general, el mantenimiento del metabolismo basal consume un 70% de energía procedente de la dieta. Por ejemplo, los latidos del corazón, la respiración de los pulmones, el mantenimiento de la temperatura corporal y la digestión de los alimentos en el cuerpo humano, mientras que el pensamiento y la actividad física sólo consumen una pequeña parte. Por lo tanto, las células humanas están constantemente sintetizando ATP, ya sea durante el sueño o el ejercicio intenso. Se calcula que un adulto necesita entre 2.000 y 2.500 kcal al día en condiciones normales de actividad.
Las células obtienen energía de la materia orgánica mediante reacciones redox
La energía de la materia orgánica se almacena en los enlaces químicos (energía potencial de los electrones), especialmente en los enlaces carbono-hidrógeno. Como el carbono y el hidrógeno tienen una electronegatividad similar, los electrones no están demasiado cerca del núcleo atómico cargado positivamente. Los electrones son como satélites que orbitan alrededor de la Tierra: cuanto más lejos están, mayor es su energía potencial. La respiración aeróbica provoca la recombinación de los enlaces químicos: el carbono y el hidrógeno se oxidan en dióxido de carbono y agua, respectivamente. El oxígeno, muy electronegativo, atrae los electrones del hidrógeno o del carbono hacia su núcleo, como un satélite, y cuanto más cerca está, menos energía potencial tiene. Por lo tanto, parte de la energía potencial reducida se almacena en ATP y parte se disipa en forma de calor. En general, los compuestos orgánicos con muchos enlaces carbono-hidrógeno contienen más energía química, por eso las grasas tienen más calorías que los azúcares.
Estos compuestos orgánicos existen de forma estable a temperatura ambiente. Los electrones no liberan energía espontáneamente precipitándose a un estado de menor energía, porque deben superar una barrera de energía de activación. Disminuir la energía de activación o proporcionar una energía muy elevada son dos formas de atravesar esta barrera. El azúcar y la grasa pueden inflamarse con fuego, y los productos finales son agua y dióxido de carbono. De hecho, la ecuación química general de la combustión y la respiración celular es la misma; la combustión es tan rápida que emite calor y luz. En cambio, las enzimas disminuyen la energía de activación para permitir que la materia orgánica se descomponga lentamente en una serie de pasos. La respiración celular es una reacción bioquímica suave que se lleva a cabo a temperatura ambiente en un medio acuoso.