Consideraciones termodinámicas básicas y la relación entre rutas

Funciones de estado: Entalpía (H), Entropía (S) y Energía Libre de Gibbs (G).

• Entalpía (H/ΔH): Es una medida del intercambio energético en todo proceso químico (por ejemplo, calor que se absorbe o desprende en una reacción que tiene lugar a presión constante).  Exotérmico/Endotérmico.
• Entropía (S/ΔS): Es una medida del desorden/orden molecular que se genera en todo proceso químico. Segunda ley de la termodinámica indica que en todo sistema cerrado, la entropía (y por tanto, el desorden) aumenta.
• Energía libre de Gibbs (G/ΔG): Es una medida del trabajo útil que puede generar cualquier proceso químico. Indica la direccionalidad del proceso. Exergónico/Endergónico. Sistema en equilibrio.
• AG<0 à es espontánea de izda a dcha. Exergónico
• AG>0 à no es espontánea de izda a dcha. Endergónico
• AG=0 à equilibrio

Diferencias entre ΔG y ΔGº.

AGº es en condiciones estándar fisiológicas (P=1atm; T=25º; Concentración reactivos y productos = 1M; pH=7). Esto no se da siempre, por ejemplo, las concentraciones no son siempre 1M ni el pH7 (el torrente venoso es pH 7, 34 por el CO2 mientras que el torrente arterial es de 7,44).

Acoplamientos de procesos

¿Cómo lograr llevar a cabo un proceso endergónico?

El acoplamiento entre reacciones puede llevarse a cabo gracias a la aditividad de la energía libre de Gibbs.

Existen numerosas reacciones individuales en rutas catabólicas y anabólicas que, en principio, son endergónicas en el sentido en el que la célula requiere que se lleve a cabo.

Para que dos reacciones se puedan acoplar deben de estar asociadas de tal manera que entre ellas se forme un producto intermedio común.

*Fosforilar la glucosa se hace para activarla o para no dejarla salir.

La primera reacción es endergónica y por tanto no es termodinámicamente favorable. Por ello se la acopla a otra reacción, la degradación de ATP y da así la tercera reacción que es exergónica (16,7Kj/mol)

Relación entre rutas metabólicas

Relación entre rutas catabólicas y anabólicas:

1)      Una ruta anabólica no puede ser la mera inversión de la ruta catabólica correspondiente.

2)      Cada ruta debe ser globalmente exergónica (ΔG0´<<0) para que ésta vaya de manera espontánea en un sentido determinado irreversible. La ruta no debe de alcanzar el equilibrio.

Lo que no se puede pretender es que de una posición de equilibrio vaya en un sentido y luego cambie a otro. Cuando va en un sentido lo sigue.

3)      Si la ruta en globalmente exergónica, la inversión de la misma es endergónica en igual medida en condiciones idénticas.

4)      Es necesario controlar el consumo y flujo de los metabolitos en relación al estado bioenergético de la célula. Así, las condiciones que activan la ruta en un sentido, deben de inhibirla en el sentido contrario.

5)      Si se produjera la mera inversión, se llegaría a lo que se denomina ciclo inútil, en el que el único resultado es el consumo de ATP sin más. Además hay que tener en cuenta el uso de una enzima. Es la manera de no relacionar las rutas catabólicas con las anabólicas.

6)       No obstante a todo lo anterior, una ruta catabólica puede compartir una serie de reacciones, de metabolitos intermediarios y de enzimas con su ruta anabólica correspondiente. 

7)      El anterior punto implica que no todas las reacciones catalizadas por una enzima específica de la ruta serán irreversibles o exergónicas (ΔG0´<<0). Varias de estas enzimas podrán actuar próximas al equilibrio (AGº=0).

Vamos a poner de ejemplo la glucólisis:

A àBßàCàD

Cuando se activa una ruta metabólica suele ser porque hay mucho de algo de un lado del equilibrio (A) y poco de algo en el otro extremo del equilibrio (B). Todos estos pasos son enzimas que catalizan los pasos que se comparten con la gluconeogénesis, que es la inversa de la glucólisis (DàA).

8)      La clave para lograr la irreversibilidad de cada ruta es emplear una o varias enzimas que actúen lejos del equilibrio y que aporten un AGº global exergónico (<<0) en varios pasos clave de la ruta.

9)      Es por ello que aunque la ruta catabólica y su anabólica correspondiente pueden emplear varias enzimas comunes (aquellas que actúan próximas al equilibrio) es necesario que cada una de ellas posea también una serie de enzimas propias (aquellas que actúan lejos del equilibrio y le aportan direccionalidad global a la ruta).

10)   Además el uso de enzimas distintas en una serie de pasos clave permite que éstas puedan regularse de manera precisa. La enzima que activa una ruta, inhibe a la contraria y vicersa.

11)   El anterior proceso es lo que se denomina un “ciclo de sustrato” y a diferencia del ciclo inútil logra que cada ruta sea eficaz en la dirección en la que se requiere para que cumpla su función.

Todo esto se hace para el ahorro de enzimas. Si cada paso necesitase una enzima diferente y doblaría el número de enzimas y así alargaría el ADN y entonces éste estaría más expuesto a mutaciones.