IV. EN QU� SE GASTA LA ENERG�A
TENEMOS ya claros los mecanismos de las transformaciones de la
energ�a, de lo que podr�amos llamar sus formas generales, como la energ�a luminosa
o la de los enlaces qu�micos de las mol�culas, en formas propias de los seres
vivos: la del poder reductor o la de los enlaces del ATP entre sus dos fosfatos
�ltimos, o las diferencias de concentraci�n de sustancias neutras o cargas a
ambos lados de algunas membranas. Otro de los grandes cap�tulos de la bioenerg�tica
consiste en el an�lisis de una gran variedad de cambios en los que estas formas
de energ�a "participan" en ciertos procesos, para permitir su curso y constituir
as� la vida misma.
Ha quedado tambi�n ya claro que las formas de la energ�a de los seres vivos no son diferentes de otras, y que se les puede analizar y cuantificar mediante los conceptos m�s generales de la f�sica o la fisicoqu�mica. Aunque en esta �poca es del dominio com�n que no hay una "fuerza vital" especial presente en los fen�menos relacionados o que constituyen la base de la vida, es interesante conocer con cierto detalle los componentes que los seres vivos tienen en particular para realizar las transformaciones de la energ�a.
En los cap�tulos anteriores revisamos los mecanismos mediante los cuales los seres vivos transforman la energ�a del exterior, la luminosa o la de los alimentos, en otras formas directamente aprovechables o utilizables por nuestros propios sistemas biol�gicos. Resta, sin embargo, describir ahora los mecanismos o lo que podr�amos llamar el "destino", la finalidad de esas formas de energ�a, o m�s correctamente, el cambio de la energ�a en otras formas que, en conjunto, representan la vida misma de los organismos.
LA S�NTESIS Y LA RENOVACI�N DE LAS MOL�CULAS
Aunque es real, no todos tenemos claro que la totalidad de nuestros componentes est� en continua renovaci�n. �ste es un concepto relativamente nuevo, que si bien era claro en el caso de algunos de los tejidos que nos componen, era dif�cil de imaginar para otros.
Hacia finales del siglo pasado, el cient�fico franc�s Claude Bernard estableci� que en los organismos vivos hab�a sustancias que se pod�an, por as� decirlo, "gastar" o desaparecer. Con base en experimentos realizados en animales a los que se les privaba del alimento, encontr� que algunos de los componentes desaparec�an antes de que se produjera la muerte; otros, por el contrario, parec�an persistir, y si �stos desaparec�an, se produc�a la muerte. Ante estos datos experimentales se propuso, y se acept�, que hab�a en los organismos vivos un "elemento variable" y uno "constante". Por lo dem�s, parec�a l�gico pensar que algunos componentes eran perennes; esto era m�s f�cil en el caso del sistema nervioso, por ejemplo.
Sin embargo, con el descubrimiento de los is�topos de los �tomos, que son elementos con un n�cleo m�s pesado, y algunos de ellos radiactivos, el primero de los cuales fue el deuterio, se encontr�, por principio de cuentas, que era posible introducirlo pr�cticamente en cualquier mol�cula del organismo que contuviera hidr�geno en forma natural. Pero, adem�s, se descubri� que una vez marcadas las mol�culas, esta marca desaparec�a con una velocidad que no era la misma para todos los componentes, como grasas, az�cares o prote�nas, y que tambi�n era variable para componentes iguales o semejantes. Si el estudio se hac�a en diferentes �rganos marcando una prote�na, la alb�mina por ejemplo, �sta aparec�a y desaparec�a con mayor rapidez en el plasma sangu�neo que en el h�gado de los animales.
Lo m�s interesante de los descubrimientos realizados era tal vez que ninguna sustancia qu�mica estudiada escapaba a esta renovaci�n o recambio constante; parec�a (y puede parecer a�n) que esto es un gran desperdicio de energ�a dise�ado por la naturaleza. De cualquier manera, no hubo m�s remedio que aceptar la realidad: los seres vivos invierten gran cantidad de materiales obtenidos del exterior y de la energ�a derivada de su degradaci�n en mantener este continuo recambio de sus componentes.
No hay estudios detallados, y ser�an dif�ciles de realizar, sobre la velocidad con que se renuevan todos los distintos componentes de cada �rgano o tejido de los organismos que existen en el planeta. Esto es explicable; todav�a no describimos siquiera la totalidad de los componentes de uno solo de los organismos vivos, menos a�n podr�amos saber la velocidad con que individualmente se renueva cada uno de ellos. No obstante s� es posible saber en t�rminos generales en qu� se gasta la energ�a al renovarlos.
Cuando se sintetizan las mol�culas grandes, es decir, cuando se forman a partir
de otras m�s peque�as, requieren de la formaci�n de enlaces nuevos entre estas
�ltimas. Una prote�na se forma de amino�cidos que se unen unos con otros; una
grasa implica la uni�n de �cidos grasos con glicerol y otros componentes; un
polisac�rido como la celulosa, el almid�n o el gluc�geno se forma por la uni�n
de muchas, much�simas mol�culas individuales de glucosa (Figura IV.I). Cada
uno de los nuevos enlaces que se forma implica, por as� decirlo, la inyecci�n
o la administraci�n de una cierta cantidad de energ�a, que resulta o proviene
de la de otros enlaces. Si ya mencionamos que los enlaces qu�micos del ATP y
el poder reductor son los modos principales en que se transforma la energ�a
que existe en otros compuestos qu�micos, es f�cil ver que para todos estos procesos
de s�ntesis hay presentes complicados mecanismos que implican, a final de cuentas,
la transformaci�n de la energ�a qu�mica de los enlaces del ATP en la propia
de los enlaces de esas grandes mol�culas de las cuales hay miles diferentes
en nuestro organismo o en el de cualquier otro animal.
Figura IV.1 Las mol�culas m�s simples se unen unas a otras para formar las
m�s grandes, en un proceso que requiere energ�a que, directa o indirectamente
proviene del ATP. Cuando las mol�culas grandes se rompen (hiabolizan) para dar
sus componentes, la energ�a de sus enlaces se transforma en calor.
La figura IV.2 muestra el proceso que tiene lugar ahora para la degradaci�n de estas mismas mol�culas. La ruptura en sus componentes ocurre por la simple introducci�n de una mol�cula de agua en los enlaces intermedios. Pero la energ�a que hab�a en ellos no es utilizable; al romperse las uniones, esa energ�a qu�mica se transforma en calor.
Figura IV.2 Cuando se rompen las mol�culas m�s grandes para dar las unidades
que las componen, la energ�a utilizada en sintetizarlas se transforma en calor.
Es as� que para sintetizar o formar las mol�culas grandes, sus enlaces se forman a expensas de la energ�a contenida en los del ATP. Las c�lulas deben entonces "gastar" energ�a, que a su vez proviene de otras formas, la luz en un principio, o los alimentos y sus componentes. Al degradarse esas mol�culas, la energ�a se transforma o se "disipa" en forma de calor. El balance es a final de cuentas que una gran parte de la energ�a que se requiere para llevar a cabo esta constante renovaci�n de sus componentes est� contenida en los alimentos de los seres vivos o de otras formas externas aprovechables por ellos.
Los organismos que estamos acostumbrados a ver en la vida diaria, incluso nosotros mismos, tienen la necesidad de tomar del exterior sustancias para vivir. Los animales necesitan alimentos muy diversos que contienen a su vez una gran variedad de sustancias, y agua. Las plantas necesitan agua y algunas sustancias que, o bien pueden generarse en el mismo suelo, o debemos proporcionarles, como los fertilizantes, que no son otra cosa que diferentes tipos de sales de amonio y otros minerales. Los organismos unicelulares, como las bacterias o los hongos unicelulares, tambi�n deben tomar del medio en que viven materiales que les son indispensables para subsistir. Pero todos los seres vivos est�n rodeados de cubiertas protectoras que los aislan del medio e impiden la p�rdida de los materiales de que est�n compuestos. Estas cubiertas protectoras van desde la piel de los animales y la corteza de los �rboles, hasta la membrana de las c�lulas individuales, y los materiales que requerimos del exterior deben cruzar esa membrana o capa protectora para llegar al interior. Igualmente, los animales, los vegetales y las c�lulas deben eliminar a trav�s de esas cubiertas aquellos materiales que les son innecesarios o hasta da�inos. (Para una exposici�n m�s detallada sobre el tema de las membranas, puede consultarse Las membranas de las c�lulas, n�mero 18 de esta misma colecci�n.)
Pero hay otra circunstancia; muchas de las sustancias que existen dentro de
los seres vivos se encuentran en concentraciones mayores en su interior que
en el medio en que viven. Por ejemplo, el potasio (K+) est� casi
siempre en todas las c�lulas a una concentraci�n mucho mayor que las del medio
que las rodea (Figura IV.3), y no es �ste el �nico caso. Es un hecho conocido
de todos que cualquier sustancia colocada en un l�quido, por ejemplo, tiende
a distribuirse en �ste por igual. Una gota de tinta colocada en un vaso con
agua termina con el paso del tiempo por distribuirse uniformemente en todo el
l�quido. Esto se debe a que las mol�culas del colorante tienen un movimiento
constante que se debe a una forma de energ�a, la energ�a cin�tica, que resulta
del simple hecho de encontrarse a una temperatura superior al cero absoluto;
ese constante movimiento es el responsable de la distribuci�n uniforme, y su
origen es una forma de energ�a que las mol�culas contienen. Como resultado de
ello, cualquier sustancia tiende a desplazarse de los sitios de mayor a los
de menor concentraci�n.
Figura IV.3 Para que los iones de potasio (K+) entren a una c�lula
en la que se encuentran a mayor concentraci�n que en el exterior, se necesita
energ�a que suele provenir, directa o indirectamente, del ATP. Si el potasio
sale a un medio de menor concentraci�n, se disipa energ�a en forma de calor.
Es as� que cada mol�cula o part�cula de una soluci�n tiene una cantidad de energ�a; la cantidad total de �sta depende de la cantidad de esa sustancia en un espacio dado. El caso es el mismo que para el aire comprimido: la energ�a contenida en un tanque depende de la cantidad que se haya logrado introducir, y la energ�a se manifiesta como la presi�n. Para comprimir el aire se requiere energ�a; la salida del aire, a su vez, se puede utilizar para realizar trabajo moviendo una compresora, una turbina, etc�tera.
Esta comparaci�n es v�lida para el movimiento de las sustancias a trav�s de las membranas. Para introducir una sustancia a una c�lula o a un organismo, en contra de su tendencia natural de movimiento, se necesita energ�a. En ocasiones inclusive hay sustancias que se mueven a favor de esa tendencia natural, pero aun as� utilizan energ�a, simplemente para asegurar que, una vez en un lado de la membrana, ya no van a regresar al otro.
Aunque todos los d�as comemos materiales s�lidos e ingerimos l�quidos (agua), pocos estamos conscientes de las complicaciones que supone este proceso. Dado que no es el tema que estamos tratando, s�lo se�alaremos aqu� que en el aparato digestivo, est�mago e intestinos, tiene lugar primero un proceso de digesti�n, en el cual las mol�culas grandes deben ser separadas en sus componentes m�s peque�os (digeridas). As�, el almid�n del pan, pastas, papas, etc., se transforma en glucosa; las prote�nas de la carne, huevos, leche y otros alimentos se convierten en los amino�cidos que las componen; las grasas, a su vez, se rompen en su mayor�a para dar tambi�n ciertos componentes, entre los cuales destacan los �cidos grasos. Hay adem�s sales minerales cuyos componentes deben tambi�n cruzar la pared intestinal para ser aprovechadas por el organismo.
Las sustancias que resultan de la digesti�n no pueden cruzar libremente la pared intestinal; s�lo una parte de los �cidos grasos y otras sustancias puede ser absorbida en forma directa. Ni siquiera puede pensarse en que todas son absorbidas por el intestino con la misma velocidad para pasar al interior del organismo. Tiene lugar un complicado mecanismo que requiere de un gran n�mero de mol�culas (prote�nas) que est�n en las membranas de las c�lulas intestinales y son las que primero reconocen a las sustancias que deben ser absorbidas; es decir, no cualquier sustancia entra a las c�lulas por cada uno de estos sistemas, ni tampoco lo hace con la misma velocidad. S�lo una vez reconocidas y aceptadas se les permite el paso a trav�s de la pared intestinal.
Volviendo al tema de la energ�a, es bueno preguntarse cu�l es el componente
energ�tico de este proceso. Hay que tomar en cuenta que muchas de esas sustancias
se absorben, y al absorberse deben transformarse en otras que no puedan regresar
por el mismo sistema que permiti� su entrada. �ste es, por ejemplo, el caso
de la glucosa y otros az�cares: al entrar se les transforma, uni�ndoles un fosfato
(Figura IV.4) que garantiza que el mismo sistema que los trajo al interior de
la c�lula ya no los reconozca, impidiendo as� su salida. El fosfato que se les
une, por otra parte, proviene del ATP, y por tanto su uni�n representa el gasto
de energ�a. Pero el proceso no termina ah�, la c�lula de la pared del intestino
debe, luego, en el lado que ve hacia el interior del organismo, quitar de nuevo
el fosfato al az�car y pasar �ste hacia el interior propiamente dicho. De esta
forma, para tomar una mol�cula de glucosa del intestino (absorberla), se gasta
al menos un fosfato de alta energ�a del ATP.
Figura IV.4 Algunos aspectos sobre la energ�a y el transporte de los az�cares
y los amino�cidos en el intestino.
Hay otras sustancias que deben capturarse mediante procedimientos diferentes. Los amino�cidos, por ejemplo, no siempre est�n en el intestino en concentraciones altas; por tanto debe haber un mecanismo que asegure que se puedan utilizar, aun si sus cantidades son peque�as. Para ello las c�lulas del intestino invierten energ�a, no directamente en la tarea de meterlos a la c�lula, sino en expulsar iones de sodio (Na+) al exterior. Dado que entonces habr� mayor concentraci�n de �stos en el exterior, su tendencia natural es regresar al interior de la c�lula, y hay un sistema capaz de aprovecharla para introducir, y basta concentrar dentro de las c�lulas, grandes cantidades de amino�cidos (Figura IV.4). Veamos pues que, para este caso, si bien el gasto de energ�a es indirecto, en cierto modo tiene lugar en dos pasos.
Tambi�n las plantas deben tomar, aunque en menor diversidad, sustancias que hay en el suelo para nutrirse. Para ellas el proceso no es mucho m�s simple; los vegetales requieren en cantidades grandes algunos minerales m�s o menos abundantes y amonio, pero tambi�n una gran cantidad de otros minerales que se encuentran en muy peque�a cantidad en el suelo, y que por tanto deben ser absorbidos mediante sistemas de alt�sima eficiencia y gran selectividad. As� como para las c�lulas intestinales hemos dicho que hay un sistema que se encarga de bombear el sodio al exterior, en los vegetales hay sistemas semejantes, a�n no conocidos todos ellos, que tambi�n son capaces de tomar directamente del exterior algunas sustancias y concentrarlas en el interior, utilizando directamente la energ�a de los enlaces del ATP.
El transporte a trav�s de las membranas celulares
Una vez que las sustancias del exterior son capturadas por los �rganos especializados:
las ra�ces de las plantas o el intestino de los animales, y tambi�n por las
numerosas transformaciones internas de los organismos, resulta una enorme variedad
de sustancias, tanto dentro como fuera de las c�lulas. Todas est�n sujetas a
un tr�fico de gran intensidad; deben ir y venir sin cesar de un lado a otro,
y muchas son producidas por unas c�lulas y utilizadas por otras, para lo cual
deben cruzar, de salida, la membrana de aquella que las produce, y de entrada,
la membrana de la que las recibe. As� pues, sucede que no s�lo en las membranas
de las c�lulas intestinales o las de las ra�ces tiene que haber numerosos sistemas
de transporte; esto se requiere por fuerza tambi�n en todas las c�lulas del
interior. Nuevamente, en todos esos casos se debe invertir primero una gran
cantidad de energ�a en producir los sistemas de transporte, que generalmente
son prote�nas membranales, y adem�s, las c�lulas tienen sistemas que en su mismo
proceso de funcionamiento necesitan energ�a. Uno de los sistemas m�s universales
en los animales es la llamada bomba o ATPasa de sodio y potasio, que se encarga
de una funci�n important�sima: mantener alta la concentraci�n celular interna
de potasio y baja la de sodio, en contra de lo que sucede en el exterior, donde
la concentraci�n de potasio es baja y alta la de sodio. El funcionamiento de
la ATPasa se ilustra en la figura IV.5. Para cada dos iones de potasio que entran
y tres de sodio que salen, se necesita gastar una mol�cula de ATP. Este sistema
funciona en todas las c�lulas animales y su funcionamiento implica un gasto
constante de energ�a. Las c�lulas vegetales tambi�n tienen sistemas para mantener
un contenido elevado de potasio en su interior, y sistemas semejantes para mantener
la composici�n ideal de iones del medio interno y del que las rodea.
Figura IV.5 La llamada "bomba" de sodio, que utliza la energ�a del ATP para
mantener una elevada concentraci�n interna de potasio (K+) y baja concentraci�n
de sodio (Na+) en las c�lulas de los animales.
Aunque hemos descrito la existencia de sistemas para mantener las concentraciones de potasio y sodio dentro y fuera de las c�lulas, hay muchos otros que conservan las concentraciones de diferentes iones, como el fosfato, el cloruro, el magnesio, el calcio, e inclusive algunos que deben existir en concentraciones extremadamente bajas pero que son necesarios para el funcionamiento celular.
Adem�s del enorme tr�fico de sustancias que hay en todas las c�lulas de un organismo, es importante considerar la cantidad de sales que ingerimos diariamente, por ejemplo, de cloruro de sodio que es la sal com�n, y que son absorbidas por el intestino y deben ser eliminadas por el ri��n. �ste es otro ejemplo de una complicad�sima combinaci�n de estructuras que est�n dise�adas no s�lo para filtrar constantemente nuestra sangre, sino adem�s para mantener una composici�n invariable de nuestro l�quido interno y finalmente de todo nuestro organismo.
Pero la complicaci�n no termina ah�; as� como los organismos est�n constituidos por �rganos, tejidos y c�lulas que deben mantener un constante intercambio de sustancias, dentro de las c�lulas tambi�n hay una estructura y compartimentos separados por membranas. Tambi�n aqu� se deben establecer intercambios constantes, y las membranas deben contar con sistemas de transporte con caracter�sticas semejantes a las que hemos mencionado para otros sistemas. Las mitocondrias, el n�cleo, los lisosomas, etc., deben mantener un activo intercambio de materiales, y ello implica que deben pasar por sistemas especiales a trav�s de las membranas de los diferentes compartimentos.
Tambi�n en el enorme mundo de los microorganismos, las bacterias, los protozoarios, las levaduras, etc., existen los mismos problemas. Una c�lula cerebral vive en un ambiente m�s o menos constante que le permite realizar una serie de actividades de gran especializaci�n, pero que no requiere de una adaptaci�n a condiciones diferentes ni variables de la soluci�n que la ba�a. Sin embargo, una bacteria en el curso de su vida puede enfrentar condiciones de gran variabilidad. Lo mismo puede encontrarse en un medio nutritivo rico, que en otro en el cual apenas si habr� huellas de los materiales nutritivos y sales que necesita para vivir. Es por esta raz�n que los microbios necesitan de una gran variedad de sistemas de transporte para vivir. Por ejemplo, no es raro encontrar que una bacteria posea un sistema capaz de tomar sustancias del medio con una gran velocidad, pero con una afinidad relativamente baja, y que al encontrarse en un medio en el que ciertos materiales nutritivos disminuyen, desarrolle la capacidad de capturarlos con una gran eficiencia, aun si est�n en concentraciones sumamente bajas. Es claro, nuevamente, que para ello se requiere de energ�a.
Asimismo existen c�lulas en las cuales el transporte es tal vez el elemento esencial de su gasto de energ�a, pues su funconamiento est� directamente relacionado con �l. Tal es el caso de las c�lulas nerviosas, que transmiten los impulsos nerviosos mediante movimientos de iones de sodio y de potasio a trav�s de sus membranas.
Esta forma de gasto de energ�a es tal vez la m�s simple de comprender; desde la escuela elemental se nos explica el papel de los alimentos como elementos necesarios para la realizaci�n del ejercicio f�sico. Tambi�n es bien sabido que al hacer ejercicio f�sico se acelera la respiraci�n; la ecuaci�n que se�ala los materiales que intervienen en la degradaci�n de los az�cares, como un ejemplo, puede explicar la relaci�n entre el ejercicio f�sico, la respiraci�n y el consumo o gasto de los alimentos:
CO2 + H2O + ENERG�A.
Por otra parte, en el cap�tulo III se se�alaron los mecanismos de control de la respiraci�n y del metabolismo que permiten obtener energ�a en forma de ATP, y c�mo �ste se utiliza para realizar diferentes tipos de trabajo. Ah� se mostr� de nuevo el mecanismo de control del metabolismo por el ADP, y la manera en que se relaciona el trabajo y el gasto propiamente dicho de energ�a.
El mecanismo de enlace entre el ATP y el trabajo mec�nico es, por otra parte, sumamente simple. El ATP es utilizado directamente por las fibras musculares para contraerse; la energ�a del �timo enlace de fosfato es la que sirve en forma directa para este fin. Visto as�, �ste es tal vez el mecanismo m�s simple de conversi�n de una forma de energ�a, la qu�mica del ATP, en otra, la mec�nica de la contracci�n muscular.
Ya hemos visto que hay un gasto muy grande de energ�a cuando se lleva a cabo una serie de funciones que pueden ser m�s o menos obvias dentro de los organismos. Sin embargo, es necesario considerar que para que �stas se lleven a cabo, se requieren much�simas mol�culas que las ejecuten. As�, hay enzimas para mover todo el metabolismo, hay prote�nas que funcionan en las diferentes membranas celulares y que se encargan de mover a las diferentes sustancias de un lado al otro; obviamente hay mol�culas que son las responsables del movimiento de las c�lulas o de los organismos; aun las c�lulas vegetales, que pertenecen a organismos que no se mueven, tienen una gran movilidad que se manifiesta durante muchas de sus funciones. El elemento com�n de estas mol�culas ejecutoras de las diferentes funciones celulares es que son prote�nas, es decir, mol�culas muy complicadas formadas por la uni�n de 20 amino�cidos diferentes en n�mero y orden, que son perfectamente constantes y definidos, pero caracter�sticos para cada una de ellas y diferentes de las otras prote�nas, que as� dan la posibilidad de realizar tantas y tan variadas funciones con precisi�n verdaderamente impresionante en todos los casos.
Todos los organismos deben tener, de alg�n modo, no s�lo la informaci�n necesaria para sintetizar todas estas mol�culas, sino tambi�n la capacidad de transmitirla pr�cticamente sin equivocaci�n de unas c�lulas a otras; y lo que m�s llama la atenci�n es que esta transmisi�n permite conservar las caracter�sticas de todas y cada una de las c�lulas y da lugar a la generaci�n ininterrumpida de individuos esencialmente iguales a trav�s del tiempo.
Esta informaci�n, por otra parte, y especialmente desde el punto de vista de nuestro tema de an�lisis de los seres vivos, requiere de energ�a para mantenerse y para interpretarse. La base de esto es la existencia de mol�culas que la contienen, y que deben poderse duplicar durante la duplicaci�n de una c�lula; pero este complicado sistema de s�ntesis implica un gasto de energ�a. Luego, para que esa informaci�n se pueda convertir en realidad, hay tambi�n un complejo sistema de ejecuci�n o interpretaci�n, que requiere igualmente de un gasto grande de energ�a.
Todos sabemos que la mol�cula en la que se mantiene la informaci�n para la s�ntesis de todos los componentes de una c�lula es el DNA (abreviatura del nombre en ingl�s del �cido desoxirribonucleico), al cual algunos llaman tambi�n ADN. De manera fundamental, podemos considerar el gasto de energ�a que se requiere para duplicar y mantener en cada c�lula en forma constante, la informaci�n gen�tica y transmitirla; luego, hay otro gasto necesario para que esta mol�cula exprese esa informaci�n de manera �til para las c�lulas, es decir, mediante la s�ntesis de mol�culas de prote�na.
La s�ntesis del DNA implica, primero, la s�ntesis de las mol�culas llamadas
nucle�tidos, a partir de las cuales se va a formar. La figura IV.6 muestra esquem�ticamente
los nucle�tidos (que en este caso se llaman desoxinucle�tidos, porque el az�car
que en ellos interviene es la desoxirribosa y no la ribosa); �stos se parecen
al ATP, pero pueden tener, en lugar de la adenina, otras bases org�nicas: la
guanina, la citosina y la timina. Sin embargo, todos se llegan a sintetizar
como los trifosfatos, semejantes al ATP, porque para sintetizar al DNA la enzima
encargada de ello, utilizando como molde a otra mol�cula ya existente de DNA,
va formando la nueva a partir de los trifosfatos, pero eliminando al formar
cada enlace a dos de los fosfatos, los cuales son de "alta energ�a", igual que
en el caso del ATP. Esto da idea de la cantidad de energ�a que se requiere para
duplicar la mol�cula de DNA, que en primer lugar tiene dos hilos, y en segundo,
es muy larga, ya que cada amino�cido se codifica con tres nucle�tidos.
Figura IV.6 S�ntesis de una cadena de nucle�tidos en el DNA: Cada nucle�tido
que se une implica la ruptura de dos fosfatos.
La historia, adem�s, no termina ah�; el DNA no existe en las c�lulas en forma libre; se debe asociar a otros componentes, de los cuales los m�s abundantes son prote�nas llamadas histonas, que puede decirse que lo "visten" y le permiten convertirse en una estructura que tambi�n nos es conocida: los cromosomas de las c�lulas (las bacterias tienen su DNA desnudo de estas prote�nas). As� pues, el solo hecho de mantener la informaci�n en una c�lula implica un gasto muy alto de energ�a. Es necesario mencionar inclusive que el DNA est� sujeto a numerosos accidentes en su vida; la naturaleza no se permite el lujo de que su informaci�n se deteriore, y cuenta con mecanismos para reparar sus mol�culas cuando llegan a sufrir da�os.
La informaci�n contenida en el DNA debe luego contar con un sistema de utilizaci�n,
para que a partir de ella se sinteticen las prote�nas, que ser�n las verdaderas
ejecutoras de toda la informaci�n que hemos mencionado. Para ello, a partir
del DNA de cada c�lula, pero s�lo de una parte de �l, se producen "mensajes"
mediante un proceso que por analog�a con un mecanismo de informaci�n se llama
"transcripci�n", y en el cual se produce el �cido ribonucleico (RNA), que algunos
abrevian como ARN. En especial, el RNA que lleva estos mensajes, le�dos o transcritos
del DNA, recibe el nombre de RNA mensajero, y se le abrevia RNAm (Figura
IV.7).
Figura IV.7 Esquema de la transcripci�n de un mensaje del DNA al RNA. Cada
nucle�tido que se agrega implica el "gasto" de dos fosfatos de alta energ�a.
Este mismo mecanismo opera en la s�ntesis del RNA mensajero (RNAm),
el ribosomal (RNAr) y el de transferencia (RNAt).
La s�ntesis de las prote�nas no se realiza simplemente por la formaci�n del RNAm; en el proceso intervienen tambi�n los ribosomas, que a su vez est�n formados en gran parte por otro tipo de RNA, el llamado ribosomal (RNAr). Tambi�n interviene otro tipo de RNA, el llamado de transferencia (RNAt). Lo interesante en el proceso es que todos los tipos de RNA se sintetizan "leyendo" del DNA la informaci�n que se encuentra en �l contenida, en un proceso en el cual los nucle�tidos trifosforilados ATP, GTP, CTP y UTP se unen unos con otros mediante reglas sencillas, utilizando como "molde" al DNA, y eliminando o "gastando" en la uni�n de cada uno, dos de los fosfatos, como se hizo en el caso del DNA. As�, la lectura de esa informaci�n para obtener las mol�culas de RNA necesarias para la s�ntesis de las prote�nas cuesta a las c�lulas una elevada cantidad de energ�a.
Pero adem�s de todo esto, hay que considerar que los ribosomas, organelos en los cuales se realiza la s�ntesis misma, est�n compuestos no s�lo por el RNAr, sino por toda una serie de enzimas que catalizan las distintas reacciones, y tambi�n hay enzimas adicionales aparte de los ribosomas, que intervienen en el proceso. Visto as� el problema, se puede tener una idea vaga pero m�s o menos aproximada de la magnitud de gasto de energ�a que la conservaci�n y el procesamiento de la informaci�n contenida en las c�lulas puede costarles.
Ya se mencion� c�mo se puede medir la cantidad de energ�a que se "libera" en forma de calor al quemar una cierta cantidad de glucosa; la verdad es que lo que se mide es la energ�a que se transforma en calor durante el proceso de oxidaci�n del az�car.
Cualquier organismo vivo, por el solo hecho de existir, tiene que realizar numerosas transformaciones de energ�a para poder mantener todas las funciones que de alguna forma se han mencionado aunque sea parcialmente en este cap�tulo. Todos los d�as ingerimos alimentos que se degradan, y la energ�a de sus enlaces se transforma en la de los del ATP, y �sta a su vez es la que, en lo fundamental, es tambi�n aprovechada por muy diferentes sistemas para la realizaci�n de las funciones vitales de los organismos. De suerte que la energ�a del ATP puede ser aprovechada para el movimiento, la s�ntesis de ciertas mol�culas, el movimiento de otras a trav�s de las membranas, etc�tera.
Pero tal vez lo m�s importante de todo este proceso es que se trata de un ciclo, es decir, desde el punto de vista mec�nico iniciamos nuestras actividades diarias en la ma�ana, y las terminamos en la noche, o a la ma�ana siguiente esencialmente en el mismo sitio que el d�a anterior. Esto quiere decir que no llegamos a acumular ninguna forma de energ�a mec�nica en nuestra vida diaria, y cada d�a, la que desarrollamos termina por convertirse tambi�n en calor. De la misma forma, cada d�a que transcurre, salvo en el caso de los ni�os, sobre todo peque�os, el n�mero y cantidad de mol�culas de nuestro organismo se mantiene constante. Se "gasta" energ�a para sintetizar prote�nas, mol�culas grandes de az�cares y grasas, pero cuando �stas se degradan la misma cantidad de energ�a se transforma en calor.
Tambi�n cada d�a, no obstante que todas nuestras c�lulas realizan una gran actividad de transporte de mol�culas de diferentes tipos, el balance diario es cero. Otra vez, la energ�a que se gasta o utiliza para mover las mol�culas, cuando �stas regresan a su estado anterior es liberada o transformada en calor.
En conjunto, pues, cada d�a la energ�a de las mol�culas con que nos alimentamos se utiliza para la realizaci�n de todas nuestras funciones, pero al final, es transformada en calor. As�, el resultado diario es que, en t�rminos de energ�a, toda aqu�lla contenida en los alimentos es transformada en calor. Por otra parte, la cantidad de �ste es un excelente indicador de la energ�a que hemos utilizado para realizar nuestras funciones. A fin de cuentas, tal como lo predijo Lavoisier en el siglo XVIII, la energ�a calor�fica que produce un ser vivo alimentado con glucosa, por ejemplo, es la misma que la que se libera por la combusti�n de esa sustancia en un calor�metro. De aqu� resulta que es tambi�n posible introducir a un animal o a un ser humano en un espacio cerrado, semejante en todo a un calor�metro, y medir el calor que desprende como resultado de las transformaciones de energ�a que ocurren en su interior.
Si adem�s es posible saber la cantidad de calor que se desprende de los az�cares, las grasas y las prote�nas, es tambi�n posible, conociendo el desprendimiento de calor de una persona, saber la cantidad de alimentos que necesita para satisfacer los requerimientos de energ�a. Se sabe que un individuo adulto que realiza una actividad promedio diaria necesita alrededor de 30 kilocalor�as por cada kilogramo de peso corporal. Un individuo de 70 kilogramos, por ejemplo, requiere alrededor de 2 100 kilocalor�as diarias distribuidas entre sus diferentes alimentos.
