Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas

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APUNTES BIOQUÍMICA Y METABOLISMO Grado en Nutrición Humana y Dietética Universidad de Lleida AprenAI 2026-2027 Apuntes completos de bioenergética, hidrólisis de ATP, lípidos y asimetría de membrana, ultraestructura mitocondrial y transporte activo y pasivo.

APREN.AI Índice Bioenergética 1 Principios termodinámicos y espontaneidad metabólica Sistemas termodinámicos y primera ley: la conservación de la energía Segunda ley de la termodinámica y el concepto de entropía Energía libre de Gibbs: criterio estricto de espontaneidad metabólica Variación estándar frente a la energía libre celular real 2 El ATP y acoplamiento de reacciones Estructura del ATP y base molecular de su inestabilidad Termodinámica de la hidrólisis y acoplamiento metabólico Oxidaciones biológicas y valor calórico de los macronutrientes Membranas celulares 3 Estructura lipídica, asimetría y mitocondria Composición y proporción molecular de las membranas Familias lipídicas de la bicapa Asimetría de la bicapa y apoptosis celular Autoensamblaje anfipático y permeabilidad selectiva Ultraestructura mitocondrial y cardiolipina 4 Proteínas de membrana y transporte transmembrana Tipología de proteínas de membrana y especialización funcional Mecanismos de transporte pasivo: difusión simple y facilitada Transporte activo primario y secundario: acoplamiento termodinámico Integración del transporte epitelial: absorción en el enterocito y secreción gástrica 5 Resumen para repasar Bioenergética y termodinámica celular El ATP y acoplamiento metabólico Organización y lípidos de membrana Proteínas de membrana y transporte transmembrana Soluciones de las preguntas de repaso Estos apuntes pueden contener errores u omisiones.

Son un material de apoyo y no sustituyen al temario oficial ni al profesorado: contrasta la información importante. Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 1 1 Principios termodinámicos y espontaneidad metabólica AL ACABAR SABRÁS Diferenciar sistemas abiertos, cerrados y aislados en el contexto celular Calcular y deducir la espontaneidad metabólica mediante la ecuación de Gibbs Predecir la viabilidad termodinámica evaluando los signos de entalpía y entropía Distinguir el cambio de energía libre estándar del cambio celular real PIÉNSALO ANTES DE LEER 1 ¿Cómo consigue una célula generar estructuras altamente ordenadas sin violar el principio universal del desorden creciente?

El metabolismo es la red de transformaciones químicas celulares imprescindible para el crecimiento, el mantenimiento estructural y la supervivencia. Los seres vivos requieren flexibilidad ante las variaciones del entorno, por lo que han desarrollado vías metabólicas conectadas, alternativas y compartimentadas que operan bajo los principios de la termodinámica.

Bioenergética 1 Principios termodinámicos y espontaneidad metabólica 2 El ATP y acoplamiento de reacciones Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 2 ESQUEMA Bioenergética y Membranas Sistemas termodinámicos y primera ley: la conservación de la energía En física y química, definimos un sistema como la fracción concreta del universo elegida para su análisis, dejando el resto como entorno. Existen tres clases fundamentales de sistemas según el intercambio que establecen con su medio: Sistema abierto: intercambia materia y energía con el entorno. Todos los seres vivos pertenecen a este tipo.

Sistema cerrado: transfiere únicamente energía (mediante calor o radiación), pero conserva su masa invariable. Sistema aislado: no intercambia energía ni materia de ningún modo con el exterior. La primera ley de la termodinámica establece el principio de conservación energética: la energía global ni surge de la nada ni desaparece, únicamente se transmuta. La energía interna de cualquier sistema engloba la energía térmica debida a la vibración y traslación molecular, junto con el trabajo mecánico o químico asociado a la rotura y síntesis de enlaces.

Cuando los procesos suceden a presión constante, esta magnitud se cuantifica a través de la entalpía ( ), cuya variación ( ) refleja el balance térmico entre el estado inicial y el producto final: Reacción exotérmica ( ): el estado final posee menor contenido calórico y se desprende calor hacia el medio externo. Reacción endotérmica ( ): los productos finales retienen más entalpía, habiendo absorbido calor desde el exterior. COMPRUEBA 2 ¿Por qué un organismo pluricelular no puede ser analizado termodinámicamente como un sistema cerrado?

Bioenergética celular Leyes termodinámicas y transferencias de energía Principios termodinámicos Entalpía, entropía y criterio de Gibbs El ATP y acoplamiento Molécula de alta energía y reacciones redox Membranas biológicas Estructura lipídica y transporte transmembrana Bicapa y asimetría Fosfolípidos, colesterol y mitocondrias Transporte de membrana Proteínas transportadoras y bombas iónicas H ΔH ΔH < 0 ΔH > 0 Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 3 Segunda ley de la termodinámica y el concepto de entropía La segunda ley de la termodinámica postula que cualquier transformación espontánea global debe conllevar un aumento del desorden o dispersión molecular del conjunto, parámetro evaluado mediante la entropía ( ).

Diagrama de aumento de entropía por dispersión espontánea de solutos. Cuando agregamos volumen a una solución concentrada de solutos, se genera provisionalmente una distribución asimétrica y ordenada que evoluciona espontáneamente. Las partículas se dispersan por difusión ocupando el espacio disponible, maximizando la entropía del sistema en su estado de equilibrio final. Energía libre de Gibbs: criterio estricto de espontaneidad metabólica En el metabolismo celular no toda la entalpía liberada puede utilizarse para generar trabajo biológico útil.

La energía libre de Gibbs ( ) descuenta la energía degradada térmicamente en forma de desorden entrópico a presión y temperatura absolutas constantes: Esquema del criterio de espontaneidad según la ecuación de Gibbs. A partir del signo del cambio de energía libre ( ), catalogamos cualquier proceso celular en dos categorías energéticas: G < 0: reacción exergónica. Cede energía útil y es termodinámicamente espontánea. S G ΔG = ΔH TΔS ΔG Δ Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 4 Reacción endergónica ( ): precisa aporte externo de energía útil y es no espontánea.

Muchas biosíntesis estructurales son endergónicas y deben impulsarse mediante acoplamiento energético (véase «Bioenergética — El ATP y acoplamiento de reacciones»). Gráfica comparativa de tres casos de espontaneidad termodinámica. La espontaneidad global surge de la interacción coordinada entre la variación entálpica ( ) y la componente entrópica ponderada por la temperatura ( ). En la naturaleza metabólica y química destacan tres situaciones espontáneas habituales: Mecanismo conductor Signo de Signo de Comportamiento termodinámico Ejemplo representativo Favorecida por entalpía y entropía Libera calor al medio y aumenta el desorden molecular. Espontaneidad contundente.

Fermentación de glucosa a etanol y Impulsada por entalpía (muy negativo) Desprende gran cantidad de calor que supera con creces la pérdida entrópica local. Combustión líquida del etanol Impulsada por entropía (endotérmica) (muy positivo) Consume calor del medio, pero la enorme generación de gases dispersa la materia. Descomposición de pentóxido de nitrógeno sólido en gases COMPRUEBA 3 ¿Puede ocurrir de forma espontánea una reacción endotérmica ( )?

ΔG > 0 ΔH TΔS ΔH ΔS < 0 > 0 CO2 < 0 < 0 > 0 > 0 ΔH > 0 Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 5 Variación estándar frente a la energía libre celular real El valor de la variación de energía libre en condiciones estándar se determina bajo parámetros analíticos fijos (concentración 1 M para reactivos y productos). No obstante, en el citosol celular, los metabolitos se encuentran muy alejados de 1 M y operan lejos del equilibrio químico. El celular efectivo depende no solo de la estabilidad estructural intrínseca de los enlaces de las moléculas, sino fundamentalmente de la relación de concentraciones entre reactivos y productos.

Variando estas concentraciones relativas en las rutas celulares, el organismo consigue transformar reacciones que en condiciones estándar son desfavorables ( ) en procesos biológicamente viables y espontáneos en vivo. ERROR FRECUENTE Asumir que si el incremento de energía libre estándar de una reacción es positivo ( ), dicha reacción jamás podrá producirse en la célula. La espontaneidad en el medio fisiológico viene dictada de forma exclusiva por el real, el cual depende directamente de las concentraciones intracelulares reales y puede hacerse negativo modulando los reactivos y productos.

IDEAS CLAVE Los organismos biológicos son sistemas abiertos que intercambian continuamente materia y energía con el entorno exterior. La entalpía cuantifica el calor transferido a presión constante: para procesos exotérmicos y para endotérmicos. La segunda ley exige que los procesos espontáneos incrementen la entropía total del universo. Una reacción es termodinámicamente espontánea si su variación de energía libre de Gibbs es negativa ( , exergónica). El valor de en la célula depende directamente de las concentraciones efectivas de reactivos y productos, difiriendo del valor estándar a 1 M. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 4.

¿Cuál es la condición matemática obligatoria de la energía libre de Gibbs para que una reacción biológica suceda espontáneamente? 5. ¿De qué factores depende el valor real de en el interior de una célula viva? ΔG ΔG > 0 ΔG > 0 ΔG ΔH < 0 ΔH > 0 ΔG < 0 ΔG ΔG Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 6 BIOENERGÉTICA 2 El ATP y acoplamiento de reacciones AL ACABAR SABRÁS Identificar los elementos químicos estructurales del ATP y explicar los tres factores de su inestabilidad molecular. Calcular la variación neta de energía libre y el desplazamiento de la constante de equilibrio en reacciones acopladas.

Diferenciar de manera estricta la función termodinámica del ATP frente al rol meramente cinético de las enzimas. Relacionar el estado de oxidación y el valor calórico de los macronutrientes con la transferencia redox hacia el NADH. PIÉNSALO ANTES DE LEER 6 ¿Cómo logra una célula llevar a cabo reacciones químicas que violarían la espontaneidad termodinámica si ocurrieran por separado? Estructura del ATP y base molecular de su inestabilidad El adenosín trifosfato o ATP constituye la moneda de intercambio energético primaria de la célula viva.

A nivel estructural, la molécula comprende una base nitrogenada púrica (la adenina) unida mediante un enlace glucosídico al carbono 1 de una aldopentosa (la ribosa). Esta unión conforma el nucleósido denominado adenosina. Sobre el carbono 5' del azúcar se engarza una cadena de tres grupos fosfato designados correlativamente como , y a partir del anillo. α β γ Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 7 Esquema estructural del adenosín trifosfato (ATP) y sus enlaces fosfoéster y fosfoanhídrido El enlace que conecta la ribosa con el fosfato es un enlace fosfoéster convencional. En cambio, las uniones que enlazan al fosfato con el y a este con el son enlaces fosfoanhídrido.

Estas dos uniones fosfoanhídrido se caracterizan por una acusada inestabilidad termodinámica. Su ruptura hidrolítica presenta un alto potencial de transferencia de fosfato, sustentado en tres factores biofísicos concretos: Repulsión electrostática: a pH fisiológico neutro, la molécula de ATP porta cuatro cargas netas negativas ( ) repartidas en sus oxígenos. Dicha proximidad forzada entre cargas iguales crea una fuerte repulsión interna que desestabiliza la conformación. Al hidrolizarse, los fragmentos resultantes ( y fosfato inorgánico ) experimentan una separación de cargas que disminuye la tensión coulómbica.

Menor estabilización por resonancia: los electrones del oxígeno puente entre los fosfatos contiguos no pueden deslocalizarse con libertad entre ambos grupos a la vez. Cuando el grupo fosfato se libera como ortofosfato libre ( ), sus electrones se deslocalizan entre cuatro formas resonantes energéticamente equivalentes, logrando una estabilidad cuántica inalcanzable dentro de la cadena intacta de trifosfato. Impedimento estérico de hidratación: la densidad de cargas negativas en el ATP dificulta que las moléculas polares de agua formen una red de solvatación compacta a su alrededor.

Por contra, los iones productos generados tras la hidrólisis (ADP y ) logran una capa de solvatación significativamente más favorable y ordenada respecto al soluto. α α β γ ATP4 ADP3 HPO 4 2 P i P i Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 8 Esquema de hidrólisis secuencial de ATP a ADP y AMP con valores termodinámicos DEFINICIÓN El potencial de transferencia de fosfato es la tendencia cuantitativa que tiene un compuesto fosforilado a ceder su grupo fosforilo al agua o a otro aceptor termodinámicamente favorable, evaluada mediante su variación de energía libre de hidrólisis estándar.

COMPRUEBA 7 ¿Por qué la molécula aislada de ortofosfato (Pi) es más estable energéticamente que un grupo fosfato retenido dentro de la molécula de ATP? Termodinámica de la hidrólisis y acoplamiento metabólico La ruptura hidrolítica del enlace fosfoanhídrido terminal del ATP produce adenosín difosfato (ADP) y fosfato inorgánico ( ). En condiciones estándar bioquímicas ( y ), esta reacción libera energía útil con un valor de (aproximadamente ). Si la escisión rompe ambos enlaces para rendir AMP, el desprendimiento alcanza .

En el citosol real, debido al alejamiento del equilibrio y al aporte estabilizador del catión , la energía libre real de hidrólisis celular ( ) alcanza entre -30,5 y -50 kJ/mol. Las células mantienen un estado metabólico complejo y muy ordenado. Muchas de las síntesis macromoleculares y transportes en gradiente constituyen procesos termodinámicamente no espontáneos (reacciones endergónicas con ; véase «Bioenergética — Principios termodinámicos y espontaneidad metabólica»). Dado que la energía libre de Gibbs es una función de estado, las variaciones energéticas cumplen el principio de aditividad termodinámica: el sumatorio de los individuales define la variación total del sistema acoplado.

P i pH 7,0 298 K ΔG = 30,5 kJ/mol 7,3 kcal/mol 45,6 kJ/mol Mg2+ ΔG ΔG > 0 ΔG Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 9 Cálculo matemático de la constante de equilibrio a partir de la energía libre estándar EJEMPLO Consideremos una reacción endergónica elemental de conversión biosintética: Aplicando la relación fundamental con la constante de equilibrio : Sin intervención, por cada mol de producto B en equilibrio coexisten casi mil moles del reactivo de partida A.

Sin embargo, al acoplar mecánicamente el proceso a la rotura simultánea de ATP: La nueva variación estándar neta de energía libre es: La nueva constante modificada del sistema acoplado resulta ser: Dado que la célula mantiene por balance homeostático una relación fosforilada citosólica , el cociente efectivo de reactivo a producto se transforma en: El acoplamiento energético desplaza el cociente de equilibrio unas 10 veces, forzando la producción biológica masiva de B.

A B (ΔG = +16,7 kJ/mol) K = eq e ΔG /RT K = eq = [A] eq [B] eq e = 8,314 298 16,7 103 e 6,74 1,17 10 3 A + ATP + H O 2 B + ADP + P + i H+ ΔG = global +16,7 kJ/mol + ( 30,5 kJ/mol) = 13,8 kJ/mol K = acoplada = [A] [ATP] eq eq [B] [ADP] [P ] eq eq i eq 10 = 5,69 13,8 2,67 102 [ADP][P ] i [ATP] 500 M 1 = [A] eq [B] eq K acoplada = [ADP][P ] i [ATP] 2,67 10 2 500 = 1,3 105 Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 10 ERROR FRECUENTE Un error muy habitual de examen radica en afirmar que «las enzimas desplazan el equilibrio químico hacia los productos mediante ATP». Las enzimas son catalizadores cinéticos: aceleran la velocidad reduciendo la energía de activación, pero jamás alteran la ni el .

El desplazamiento del equilibrio celular lo causa única y exclusivamente la modificación termodinámica de la reacción global al acoplarse físicamente a la hidrólisis del ATP. COMPRUEBA 8 ¿En qué se distingue la función del ATP de la función de una enzima sobre una reacción termodinámicamente desfavorecida? Oxidaciones biológicas y valor calórico de los macronutrientes Para restituir las reservas de ATP consumidas en el anabolismo y el transporte, la célula recurre al catabolismo oxidativo. Este consiste en la extracción sistemática de energía libre almacenada en los enlaces químicos de los nutrientes de la dieta.

Cuando las biomoléculas se oxidan en presencia de oxígeno celular, liberan una cantidad característica de entalpía y energía en forma de calor y trabajo: Macronutriente Valor calórico medio Rendimiento redox relativo Lípidos (grasas) 9 kcal/g Carbonos más reducidos; rinden mayor volumen de equivalentes de reducción Glúcidos (carbohidratos) 4 kcal/g Carbonos parcialmente oxidados con enlaces oxígeno- hidrógeno preexistentes Aproximadamente la mitad de la energía teórica obtenida de la oxidación biológica total se disipa en forma de calor corporal, mientras que la fracción restante se conserva acoplada en la síntesis celular de ATP.

PROCESO Flujo de electrones y energía en el catabolismo 1 Macronu trientes reduci dos Grasas y carbohidra tos ricos en electrones 2 Oxidación metabólica Extracción escalo nada de equivalentes de reducción 3 Reducción de intermediarios El NAD+ captura elec trones formando NADH 4 Genera ción de ATP Transferencia de ener gía para impulsar reacciones endergónicas A escala molecular, la combustión de nutrientes no ocurre de manera explosiva ni directa. El catabolismo opera mediante transferencias sucesivas de electrones y protones acopladas a coenzimas transportadoras especializadas.

La glucosa, con fórmula , reacciona formalmente con oxígeno: K eq ΔG C H O 6 12 6 Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 11 En este proceso catabólico, el carbono cede electrones enriquecidos a aceptores intermediarios universales como la forma oxidada del dinucleótido de nicotinamida y adenina ( ). Al recibir dos electrones y un protón, se transforma en la forma reducida NADH. Este intermediario transfiere a continuación su carga electrónica hacia la cadena de transporte mitocondrial, suministrando la fuerza impulsora necesaria para regenerar el ATP celular a expensas de la degradación oxidativa.

COMPRUEBA 9 ¿A qué se debe que los lípidos liberen más del doble de kilocalorías por gramo que los carbohidratos? IDEAS CLAVE La molécula de ATP almacena energía en dos enlaces fosfoanhídrido sumamente inestables por repulsión electrostática, resonancia limitada y baja solvatación del reactivo. La hidrólisis celular citosólica de ATP libera entre -30,5 y , actuando como la moneda energética celular de transferencia. El principio de aditividad de la energía libre de Gibbs permite transformar reacciones celulares endergónicas en procesos globales exergónicos y espontáneos mediante hidrólisis acoplada.

El acoplamiento con ATP altera la constante de equilibrio de una vía biológica, mientras que los enzimas solo afectan a la velocidad cinética sin cambiar la constante de equilibrio. Las grasas aportan aproximadamente 9 kcal/g frente a 4 kcal/g de los carbohidratos por encontrarse en un estado de reducción electrónica mucho mayor. El catabolismo oxida biomoléculas ricas en electrones y utiliza intermediarios como el NADH para transportar los electrones hacia la síntesis de ATP. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 10. ¿Cuáles son las tres razones químicas que determinan el alto potencial de transferencia de grupo fosfato del ATP? 11.

¿Por qué el acoplamiento a ATP puede alterar la relación numérica de productos y reactivos en el equilibrio mientras que una enzima no puede hacerlo? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 12. ¿Qué define termodinámicamente a una célula viva? C H O + 6 12 6 6 O 2 6 CO + 2 6 H O 2 NAD+ 50 kJ/mol Es un sistema adiabático estricto a) Es un sistema abierto b) Es un sistema cerrado aislante c) Es un sistema completamente aislado d) Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 12 13. ¿Qué signo presenta la variación de entalpía (ΔH) en una reacción exotérmica? 14. ¿Bajo qué condición general un proceso químico es espontáneo a temperatura constante? 15.

¿Cómo puede una reacción biológica no espontánea en condiciones estándar ocurrir espontáneamente en la célula? 16. ¿Qué tipo de unión química une al fosfato α con el fosfato β en el ATP? 17. ¿Cuál es la carga neta del ATP a pH celular neutro antes de hidrolizarse? 18. ¿Cómo modifica un enzima la constante de equilibrio (Keq) de una reacción metabólica? 19. ¿Cuál es el valor calórico de referencia para lípidos y glúcidos respectivamente?

ΔH es siempre cero a) ΔH es siempre positivo b) ΔH es siempre negativo c) ΔH depende de la entropía d) Cuando ΔG es positivo a) Cuando ΔS es negativo b) Cuando ΔH es positivo c) Cuando ΔG es negativo d) Violando la primera ley termodinámica a) Aumentando artificialmente el valor estándar b) Eliminando por completo la entropía c) Modificando las concentraciones relativas celulares d) Enlace N-glucosídico a) Enlace tioéster b) Enlace fosfoanhídrido c) Enlace fosfoéster d) -2 a) 0 b) -4 c) -3 d) No la modifica en absoluto a) La incrementa acoplando energía libre b) La duplica acelerando el equilibrio c) La reduce reduciendo la activación d) 4 kcal/g y 9 kcal/g a) 9 kcal/g y 4 kcal/g b) 7 kcal/g y 2 kcal/g c) 12 kcal/g y 6 kcal/g d) Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 13 3 Estructura lipídica, asimetría y mitocondria AL ACABAR SABRÁS Diferenciar la proporción de lípidos y proteínas en distintas membranas según su función metabólica.

Explicar la asimetría lipídica de la bicapa y el papel de la fosfatidilserina en la señalización de apoptosis. Describir la organización molecular de la membrana mitocondrial interna destacando el papel de la cardiolipina. Predecir la capacidad de paso de una molécula a través de la bicapa en función de su carga y polaridad. PIÉNSALO ANTES DE LEER 20 ¿Por qué una célula sana invierte energía constante en mantener los distintos tipos de fosfolípidos confinados en su hemicapa correspondiente? La célula eucariota requiere aislar sus procesos metabólicos para evitar interferencias químicas.

La compartimentalización subcelular permite delimitar el espacio interno frente al exterior y organizar orgánulos especializados mediante envolturas biológicas. Estas barreras no constituyen armazones rígidos ni estáticos, sino ensamblajes fluidos tipo gel dotados de alta dinámica estructural, constituidos principalmente por lípidos y proteínas.

Membranas celulares 3 Estructura lipídica, asimetría y mitocondria 4 Proteínas de membrana y transporte transmembrana Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 14 ESQUEMA Organización y estructura de las membranas biológicas Composición y proporción molecular de las membranas Cada compartimento celular presenta una proporción adaptada a la función biofísica que desempeña. Las membranas destinadas al aislamiento eléctrico, como la vaina de mielina, requieren una elevada fracción lipídica y pocas proteínas. Por el contrario, aquellas con alta actividad metabólica presentan una densidad proteica predominante.

Compartimentalización Aislamiento de rutas y optimización celular Lípidos estructurales Moléculas anfipáticas formadoras de bicapa Fosfoglicéridos Glicerol con dos ácidos grasos y grupo polar Esfingolípidos Esfingosina, ceramidas y glicoesfingolípidos Colesterol Esterol regulador de viscosidad y fluidez Asimetría y dinámica Diferencias funcionales entre hemicapas Hemicapa interna Fosfatidilserina y fosfatidilinositol Hemicapa externa Fosfatidilcolina, esfingomielina y glicolípidos Especialización mitocondrial Membrana interna con cardiolipina y proteínas Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 15 Gráfica de proporción relativa entre lípidos y proteínas en membranas celulares.

Tipo de membrana Fracción lipídica (%) Fracción proteica (%) Especialización funcional Vaina de mielina Aproximadamente 80 % Aproximadamente 20 % Aislamiento eléctrico para la conducción nerviosa rápida Membrana plasmática general Aproximadamente 50 % Aproximadamente 50 % Permeabilidad, señalización y transporte transmembrana Membrana mitocondrial interna Aproximadamente 20-25 % Aproximadamente 75-80 % Fosforilación oxidativa, transporte de electrones y síntesis de ATP Como se observa, la membrana mitocondrial interna contiene una proporción excepcionalmente alta de proteínas en comparación con el resto de envolturas celulares.

Esto responde a la acumulación de complejos enzimáticos respiratorios y transportadores específicos (véase «Membranas celulares — Proteínas de membrana y transporte transmembrana»). COMPRUEBA 21 ¿Por qué la mielina posee una proporción de lípidos muy superior a la de la membrana mitocondrial interna? Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 16 Familias lipídicas de la bicapa Los lípidos estructurales son moléculas anfipáticas: poseen una región hidrófila afín al agua y colas hidrofóbicas que huyen de ella.

Se dividen en tres clases principales: Fosfoglicéridos (o glicerofosfolípidos): están constituidos por una molécula de glicerol esterificada con dos cadenas de ácidos grasos en las posiciones 1 y 2, y un grupo fosfato en la posición 3 enlazado a un alcohol polar (colina, serina, etanolamina, glicerol o inositol). Esfingolípidos: formados sobre una base de esfingosina unida a un ácido graso (estructura que constituye la ceramida). Si se añade un grupo fosfato y una colina, resulta la esfingomielina; si se unen azúcares neutros o cargados (glucosa, galactosa), dan lugar a glicoesfingolípidos (como cerebrósidos y gangliósidos).

Colesterol: esteroide constituido por un núcleo rígido de cuatro anillos hidrocarbonados con un diminuto grupo hidroxilo polar (-OH) orientado hacia las superficies acuosas. Su presencia modula la viscosidad y estabilidad mecánica de la bicapa. Esquema estructural de las familias lipídicas y su disposición bicapa. Asimetría de la bicapa y apoptosis celular Las dos hojas que forman la bicapa lipídica no presentan la misma composición.

Esta asimetría de membrana resulta fundamental para segregar actividades bioquímicas entre el citoplasma y el medio extracelular: Hemicapa externa: rica en fosfatidilcolina, esfingomielina y glicolípidos (cerebrósidos, gangliósidos), orientados siempre hacia el exterior celular para el reconocimiento y protección. Hemicapa citoplasmática interna: concentra preferentemente fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina y fosfatidilinositol. Este último resulta esencial en rutas de señalización intracelular. Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 17 La fosfatidilserina y el fosfatidilinositol se sitúan preferentemente en la hemicapa citoplasmática interna en condiciones fisiológicas normales.

En caso de entrada en muerte celular programada, la pérdida del funcionamiento coordinado de enzimas translocasas lipídicas permite que la fosfatidilserina bascule hacia la hemicapa externa. La exposición de fosfatidilserina en la hemicapa externa es una señal de reconocimiento para la fagocitosis de células en apoptosis por parte de los macrófagos tisulares. ERROR FRECUENTE Asumir que los glicolípidos pueden distribuirse indistintamente en ambas caras de la membrana plasmática. Recuerda que los restos glucídicos se localizan exclusivamente en la cara externa extracelular.

Del mismo modo, en células sanas la fosfatidilserina jamás se encuentra expuesta hacia el exterior celular; su presencia extracelular es un marcador patológico o apoptótico inequívoco. COMPRUEBA 22 ¿Qué consecuencia celular directa desencadena la exposición continuada de fosfatidilserina en la hemicapa externa? Autoensamblaje anfipático y permeabilidad selectiva Al dispersarse en disolventes acuosos, los lípidos anfipáticos reducen el contacto desfavorable de sus cadenas hidrofóbicas con el agua organizándose espontáneamente en dos agregados principales: Esquema de organización micelar y permeabilidad en agregados lipídicos.

Micelas: agregados esferoidales formados por lípidos de una sola cola hidrófoba o geometría cónica (como sales biliares o detergentes). Presentan un núcleo interno apolar seco y cabezas polares hacia el exterior en un diámetro habitualmente inferior a 20 nm. 1 Liposomas: vesículas esféricas limitadas por una bicapa lipídica cerrada sobre sí misma. Encierran un compartimento acuoso interior central y su tamaño puede alcanzar dimensiones microscópicas de hasta 1 mm. 2 Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 18 La bicapa actúa como una barrera con permeabilidad selectiva. Los gases apolares ( , , ) y moléculas hidrofóbicas la cruzan con rapidez por difusión simple.

Moléculas polares sin carga de pequeño tamaño ( , urea) atraviesan la bicapa de forma limitada. En cambio, las moléculas con carga neta y moléculas polares grandes no pueden atravesar la bicapa lipídica mediante difusión simple. Para iones como , , o y nutrientes polares como la glucosa, la matriz hidrófoba resulta impenetrable sin transportadores específicos. PARA RECORDARLO La regla de cruce es directa: cuanto menor tamaño y menor polaridad tenga la molécula, más fácil difunde a través del centro hidrófobo. Cualquier carga formal ( o ) impone una barrera energética insalvable para la difusión simple.

Ultraestructura mitocondrial y cardiolipina Las mitocondrias presentan una doble membrana que define dos compartimentos aislados: el espacio intermembranoso y la matriz mitocondrial interna. Su membrana externa es lisa y relativamente permeable a pequeños solutos, mientras que la membrana mitocondrial interna se invagina formando crestas mitocondriales. El propósito biofísico de las crestas es multiplicar la superficie de membrana interna en un volumen celular reducido. Esta disposición permite agrupar una densidad extrema de complejos respiratorios y subunidades de ATP sintasa, optimizando la tasa de respiración oxidativa.

Las células de órganos con alta demanda de ATP, como el músculo cardíaco, se caracterizan por una extraordinaria riqueza en mitocondrias y crestas estrechamente adyacentes a depósitos lipídicos intracelulares de reserva. Químicamente, la membrana mitocondrial interna presenta dos particularidades excepcionales: Prácticamente carece de colesterol, lo que la diferencia de casi todas las demás endomembranas animales. Posee una concentración elevada del fosfolípido doble cardiolipina (difosfatidilglicerol), que consta de dos esqueletos de glicerofosfato unidos covalentemente mediante un tercer puente central de glicerol, sumando un total de cuatro cadenas acilo hidrofóbicas.

DEFINICIÓN La cardiolipina es un fosfolípido atípico compuesto por dos unidades de ácido fosfatídico unidas a un residuo de glicerol central. Su estructura tetraacílica exclusiva confiere propiedades esenciales para la integridad y baja permeabilidad protónica de la membrana mitocondrial interna. COMPRUEBA 23 ¿Qué dos características lipídicas exclusivas diferencian a la membrana mitocondrial interna de la membrana plasmática? O 2 CO 2 N 2 H O 2 Na+ K+ Cl Ca2+ + Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 19 IDEAS CLAVE La compartimentalización subcelular aísla vías bioquímicas mediante bicapas lipídicas fluidas con composiciones proteica y lipídica especializadas.

La membrana mitocondrial interna posee la mayor densidad de proteínas del organismo (aproximadamente 75-80 %), frente al predominio lipídico de la vaina de mielina. La asimetría lipídica ubica la fosfatidilserina y el fosfatidilinositol en la hemicapa citoplasmática interna en condiciones fisiológicas normales. La traslocación y exposición de fosfatidilserina hacia la hemicapa externa actúa como señal que desencadena la fagocitosis de células en apoptosis. La bicapa impide de forma natural el paso de iones y moléculas polares grandes, exigiendo transportadores integrales.

La membrana interna mitocondrial carece prácticamente de colesterol y contiene el lípido dimérico característico cardiolipina. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 24. ¿Por qué los iones como el y el son incapaces de atravesar libremente la bicapa por difusión simple? 25. ¿Cuál es la función morfológica y metabólica de las crestas mitocondriales? MEMBRANAS CELULARES 4 Proteínas de membrana y transporte transmembrana AL ACABAR SABRÁS Clasificar las proteínas de membrana según su asociación estructural y su orientación topológica. Diferenciar la termodinámica y los mecanismos del transporte pasivo, activo primario y activo secundario.

Explicar el modelo vectorial de absorción de glucosa en el enterocito integrando transportadores apicales y basolaterales. PIÉNSALO ANTES DE LEER 26 ¿Por qué las células gastan gran parte de su energía en expulsar sodio si este reingresa continuamente por otros transportadores? Na+ Cl Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 20 Tipología de proteínas de membrana y especialización funcional La bicapa lipídica actúa como una barrera semipermeable. Las moléculas polares de gran tamaño y las partículas con carga eléctrica no pueden cruzarla espontáneamente por difusión simple (véase «Membranas celulares — Estructura lipídica, asimetría y mitocondria»).

La transferencia selectiva de materia depende de proteínas especializadas. Según su disposición física respecto a la doble capa de lípidos, las proteínas se clasifican en tres categorías topológicas: Proteínas integrales: cruzan por completo el espesor de la bicapa lipídica y exponen dominios en ambas caras acuosas. Todos los transportadores y canales encargados de transferir solutos de un lado a otro pertenecen a este grupo. Su orientación es asimétrica; el extremo amino terminal (N- terminal) puede ubicarse en el medio citosólico o en el extracelular según el tipo de proteína. Proteínas asociadas a lípidos: no penetran en el núcleo hidrófobo de la bicapa.

Se anclan mediante un enlace covalente o una interacción directa con una molécula lipídica de la monocapa. Proteínas periféricas: no tocan los lípidos de la bicapa. Se retienen en la superficie mediante interacciones no covalentes débiles o asociadas a proteínas integrales. Esquema de la clasificación topológica y orientación de proteínas de membrana.

Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 21 ESQUEMA Clasificación de proteínas según su asociación a la membrana La superficie externa de la membrana plasmática presenta elementos funcionales específicos ausentes en la membrana interna de orgánulos como la mitocondria: Glicocálix: conjunto de cadenas de oligosacáridos unidas a proteínas integrales (glicoproteínas) en la cara exterior. Interviene en la adhesión celular, retiene enzimas extracelulares y protege la integridad de la célula. Proteínas de unión: establecen uniones mecánicas intercelulares directas (como las uniones tipo gap) y conectan con el citoesqueleto interno.

Receptores de membrana: proteínas que reconocen ligandos específicos en el exterior para inducir cascadas de señalización química intracelular. COMPRUEBA 27 ¿Por qué todos los transportadores de membrana deben ser necesariamente proteínas integrales y no periféricas? Mecanismos de transporte pasivo: difusión simple y facilitada El paso de sustancias a través de la membrana biológica se divide según el requerimiento de proteínas y el balance termodinámico global (véase «Bioenergética — Principios termodinámicos y espontaneidad metabólica»). La difusión simple es el paso pasivo de solutos a través de la bicapa sin intervención proteica.

Solo las sustancias hidrófobas o moléculas gaseosas neutras y pequeñas (como o ) cruzan mediante este mecanismo espontáneo a favor de su gradiente electroquímico. El transporte mediado pasivo o difusión facilitada traslada solutos a favor de gradiente sin consumir energía metabólica.

Opera mediante dos familias de transportadores integrales: Proteínas integrales Cruzan toda la bicapa Transportadores Bombas, simportes y uniportes Canales iónicos Poros selectivos hidrofílicos Asociadas a lípidos Ancladas covalentemente a lípidos Proteínas periféricas Unidas débilmente a la superficie N 2 CO 2 Uniportadores (portadores no catalíticos): proteínas que sufren cambios de conformación para desplazar un único soluto en ambos sentidos de la membrana, siempre a favor de su gradiente de concentración.

1 Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 22 DEFINICIÓN La difusión facilitada es el transporte pasivo de moléculas a favor de gradiente impulsado por transportadores uniporte o canales iónicos que no hidrolizan ATP. Transporte activo primario y secundario: acoplamiento termodinámico El transporte activo traslada moléculas en contra de su gradiente de concentración, un proceso que disminuye la entropía y resulta endergónico. Para ocurrir, debe acoplarse obligatoriamente a una reacción termodinámicamente exergónica (véase «Bioenergética — El ATP y acoplamiento de reacciones»).

Característica Transporte activo primario Transporte activo secundario Fuente directa de energía Hidrólisis directa de ATP Gradiente electroquímico preexistente Proteína responsable Bombas iónicas ATPasas Simportadores y antiportadores Dirección del flujo Antiparalelo o vectorial acoplado Simporte (mismo sentido) o antiporte (sentidos contrarios) Ejemplo biológico Bomba ATPasa Simportador (SGLT) El transporte activo primario corre a cargo de bombas que hidrolizan ATP de forma directa. Un ejemplo canónico es la bomba Na+/K+ ATPasa, que expulsa hacia el exterior citosólico e introduce al interior en contra de sus respectivos gradientes químicos.

El transporte activo secundario aprovecha la energía almacenada en el gradiente de un ion generado previamente por una bomba primaria. Al retornar el a favor de gradiente de forma espontánea (proceso exergónico), arrastra consigo otra molécula (como glucosa o aminoácidos) en contra de gradiente (proceso endergónico). Canales iónicos: conductos hidrofílicos que permiten el flujo rápido de iones específicos (como o ) a favor de su gradiente electroquímico, modulando el potencial de membrana. 2 K+ Ca2+ Na /K + + Na /glucosa + 3 Na+ 2 K+ Na+ Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 23 Esquema del acoplamiento energético entre bomba Na+/K+ y simportador de glucosa.

ERROR FRECUENTE Creer que los simportadores y antiportadores no consumen ATP por ser transporte secundario. Aunque la proteína cotransportadora no cataliza la hidrólisis directa, depende energéticamente del ATP gastado por la bomba primaria para conservar el gradiente impulsor. COMPRUEBA 28 ¿Qué ocurriría inmediatamente con el simporte de glucosa y sodio si la célula agota por completo sus reservas de ATP?

Integración del transporte epitelial: absorción en el enterocito y secreción gástrica Las células epiteliales del duodeno intestinal (enterocitos) combinan diferentes modalidades de transporte en dominios polares diferenciados para absorber nutrientes desde el bolo digestivo hacia el torrente sanguíneo: Fase de entrada apical: en la cara orientada a la luz intestinal existe una concentración elevada de respecto al citosol. Un simportador acoplado introduce a favor de gradiente junto con glucosa en contra de gradiente, concentrando el monosacárido dentro del enterocito.

1 Na+ Na+ Fase de expulsión energética: la bomba ATPasa situada en la membrana basolateral expulsa continuamente el citosólico hacia la sangre mediante hidrólisis de ATP, preservando el gradiente apical. 2 Na /K + + Na+ Fase de salida basolateral: la glucosa acumulada abandona la célula hacia el torrente vascular mediante un transportador uniporte pasivo (difusión facilitada a favor de gradiente).

3 Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 24 PROCESO Tránsito transepitelial de glucosa en el enterocito 1 Entrada apical Simporte Na+/glucosa hacia el citosol 2 Acumula ción citosólica Aumento intracelular de glucosa 3 Bombeo basolateral Na+/K+ ATPasa extrae el Na+ con ATP 4 Salida a sangre Uniportador facilita paso de glucosa PARA RECORDARLO En el enterocito: el entra con la glucosa por el polo apical (simporte) y sale impulsado por ATP en el polo basolateral (bomba primaria), mientras la glucosa pasa a la sangre por uniporte. Este principio fisiológico sustenta la terapia de rehidratación oral.

La administración combinada de agua, sales de sodio y glucosa asegura la absorción intestinal coordinada de electrolitos y agua, restaurando la homeostasis en situaciones diarreicas. Si existen mutaciones en los transportadores de simporte, se generan cuadros clínicos de malabsorción grave de glucosa o sodio. Un acoplamiento semejante rige la acidificación gástrica en la mucosa estomacal: En el dominio basolateral, el y el agua difunden hacia el interior; los protones generados se separan del bicarbonato, que se intercambia por iones cloruro ( ) mediante un antiportador pasivo.

En la membrana apical (luz del estómago), una bomba dependiente de ATP secreta activamente protones mientras internaliza potasio. El acumulado sale hacia la luz gástrica a través de un transportador uniporte a favor de gradiente, combinándose con los protones para constituir el ácido clorhídrico. COMPRUEBA 29 ¿Cuál es la función del antiportador basolateral de bicarbonato y cloruro durante la producción de ácido en el estómago? Na+ CO 2 Cl H /K + + Cl Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 25 IDEAS CLAVE Las proteínas integrales cruzan toda la bicapa lipídica y realizan todas las funciones de transporte celular de solutos.

La difusión facilitada ocurre a favor de gradiente electroquímico mediante uniportadores o canales iónicos sin consumo de energía. El transporte activo primario consume directamente ATP para bombear solutos contra gradiente (como la bomba ATPasa). El transporte activo secundario utiliza simportadores o antiportadores accionados por el gradiente de sodio que previamente creó la bomba primaria. El enterocito absorbe glucosa en la membrana apical por simporte acoplado a y la transfiere a la sangre en el polo basolateral mediante uniporte pasivo. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 30. ¿En qué se diferencia el mecanismo energético de una bomba iónica ATPasa del de un simportador? 31.

¿Por qué la terapia de rehidratación oral requiere obligatoriamente suministrar tanto sodio como glucosa juntos? Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 32. ¿Cuál es la membrana celular con mayor porcentaje relativo de proteínas sobre lípidos? 33. ¿En qué hemicapa de la membrana plasmática se localiza mayoritariamente la fosfatidilserina en células vivas sanas? 34. ¿Qué tipo de molécula atraviesa con mayor facilidad la bicapa lipídica sin intervención de proteínas? 35. ¿Qué lípido característico destaca en la membrana mitocondrial interna junto a la carencia de colesterol?

Na /K + + Na+ Membrana mitocondrial interna a) Vaina de mielina b) Retículo endoplásmico rugoso c) Membrana plasmática eritrocitaria d) Exclusivamente en los liposomas a) Hemicapa citoplasmática interna b) Hemicapa extracelular externa c) Ambas caras simétricamente d) Tripéptidos hidrosolubles a) Glucosa polar neutra b) Gases apolares como oxígeno c) Iones de calcio y sodio d) Fosfatidilinositol a) Cerebrósido simple b) Cardiolipina c) Esfingomielina d) Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 26 36. ¿Qué clase de proteína de membrana atraviesa completamente la bicapa lipídica? 37. ¿Cómo se define el transporte mediado por un uniportador? 38.

¿Qué estequiometría de bombeo realiza la bomba Na+/K+ ATPasa por cada molécula de ATP? 39. ¿Qué mecanismo utiliza la glucosa para abandonar el enterocito hacia el torrente sanguíneo? 5 Resumen para repasar Bioenergética y termodinámica celular Concepto Definición clave Sistema abierto Sistema que intercambia continuamente materia y energía con su entorno, modelo que define a todos los seres vivos. Primera ley de la termodinámica Principio de conservación que establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Entalpía ( ) Contenido calórico global de un sistema a presión constante; su cambio es negativo en reacciones exotérmicas y positivo en endotérmicas.

Segunda ley y entropía ( ) Postulado que exige que cualquier proceso espontáneo incremente el desorden o dispersión energética total del universo. Energía libre de Gibbs ( ) Fracción de energía capaz de realizar trabajo útil a temperatura y presión constantes ( ). Reacción exergónica Proceso con que libera energía útil y ocurre de manera espontánea.

Proteína de cubierta a) Proteína periférica b) Proteína glicosilada periférica c) Proteína integral d) Activo primario dependiente de ATP a) Difusión libre sin cambio conformacional b) Pasivo facilitado a favor de gradiente c) Activo secundario con cotransporte d) Expulsa 1 Na+ e introduce 1 K+ a) Expulsa 3 Na+ e introduce 2 K+ b) Introduce 3 Na+ y expulsa 2 K+ c) Expulsa 2 Na+ e introduce 3 K+ d) Simporte acoplado a iones sodio a) Antiporte acoplado a iones potasio b) Transporte activo primario por ATPasa c) Difusión facilitada mediante uniportador d) H S ΔG ΔG = ΔH TΔS ΔG < 0 Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 27 Concepto Definición clave Reacción endergónica Proceso con que absorbe energía útil y requiere acoplamiento termodinámico para poder suceder.

real celular Variación de energía libre dependiente de las concentraciones reales citosólicas, que difiere del valor estándar ( a 1 M). El ATP y acoplamiento metabólico Concepto Definición clave ATP Moneda energética celular formada por adenina, ribosa y tres grupos fosfato unidos por dos enlaces fosfoanhídrido ricos en energía. Potencial de transferencia de fosfato Tendencia del ATP a ceder fosfato originada por repulsión de sus 4 cargas negativas, menor resonancia enlazada y menor solvatación. Energía libre de hidrólisis de ATP Libera en condiciones estándar bioquímicas y entre -30,5 y en condiciones fisiológicas reales.

Acoplamiento energético Adición termodinámica que suma variaciones de , desplazando la constante de equilibrio de reacciones desfavorables hasta veces. Enzima vs. ATP La enzima acelera la velocidad cinética sin modificar el equilibrio, mientras que el ATP desplaza termodinámicamente el equilibrio. Valor calórico de macronutrientes Rendimiento energético de oxidación completa: aproximadamente 9 kcal/g en grasas (más reducidas) y 4 kcal/g en glúcidos. NADH Coenzima reducida intermediaria que transporta electrones desde el catabolismo oxidativo hacia la cadena respiratoria.

Organización y lípidos de membrana Concepto Definición clave Compartimentalización Aislamiento de rutas metabólicas incompatibles mediante bicapas lipídicas con permeabilidad selectiva. Fosfoglicéridos Lípidos anfipáticos compuestos por glicerol esterificado con dos ácidos grasos, fosfato y un alcohol polar. Esfingolípidos Lípidos formados por ceramida (esfingosina más ácido graso) unida a fosfocolina (esfingomielina) o a glúcidos (glicolípidos). Asimetría de bicapa Distribución desigual de lípidos: fosfatidilcolina y esfingomielina en la cara externa; fosfatidilserina e inositol en la cara citoplasmática.

Fosfatidilserina en apoptosis Traslocación de la fosfatidilserina hacia la hemicapa externa que actúa como señal fagocítica para los macrófagos. ΔG > 0 ΔG ΔG 30,5 kJ/mol 50 kJ/mol ΔG 108 Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 28 Concepto Definición clave Cardiolipina Fosfolípido dimérico tetraacílico exclusivo y abundante en la membrana mitocondrial interna, la cual carece casi de colesterol. Permeabilidad selectiva Paso libre exclusivo para gases y moléculas polares neutras muy pequeñas, cerrando el paso a iones y moléculas polares grandes.

Crestas mitocondriales Plegamientos que maximizan la superficie de la membrana interna para albergar una concentración extrema de complejos respiratorios (75-80 % de proteína). Proteínas de membrana y transporte transmembrana Concepto Definición clave Proteínas integrales Proteínas que cruzan totalmente la bicapa lipídica, categoría a la que pertenecen todos los canales y transportadores. Difusión facilitada Transporte pasivo a favor de gradiente sin gasto de energía metabólica, operado por uniportadores o canales iónicos. Transporte activo primario Bombeo contra gradiente impulsado por la hidrólisis directa de ATP, como la bomba ATPasa (extrae 3 e introduce 2 ).

Transporte activo secundario Transporte contra gradiente acoplado al retorno espontáneo a favor de gradiente de un ion motriz mediante simporte o antiporte. SGLT en enterocito Simportador apical que introduce glucosa en contra de gradiente impulsado por la entrada a favor de gradiente de . Terapia de rehidratación oral Suministro simultáneo de y glucosa para activar coordinadamente la absorción epitelial intestinal de agua y electrolitos. Acidificación gástrica Secreción de HCl mediante bomba apical, antiporte basolateral y salida de hacia la luz. Na /K + + Na+ K+ Na+ Na+ H /K + + HCO /Cl 3 Cl Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 29 Soluciones de las preguntas de repaso 1.

Porque no es un sistema aislado sino abierto; compensa su alto orden interno disipando energía calórica y desechos, incrementando el desorden del universo circundante. 2. Porque necesita captar nutrientes de forma continua del entorno y expulsar productos de desecho al exterior, intercambiando activamente tanto energía térmica como materia. 3. Sí, siempre que provoque un aumento de entropía ( ) suficientemente elevado como para que el término supere en magnitud a , logrando un . 4. Debe presentar una variación de energía libre de Gibbs negativa ( ). 5.

Depende de la energía química intrínseca contenida en los enlaces moleculares y de las concentraciones reales de reactivos y productos celulares. 6. Las acopla físicamente a procesos con una variación de energía libre fuertemente negativa, como la hidrólisis del ATP, haciendo que la suma global de energía libre sea favorable. 7. Porque el Pi libre presenta cuatro estructuras de resonancia equivalentes entre las que se deslocalizan sus electrones, mientras que en el ATP el oxígeno puente limita dicha deslocalización al competir entre dos fósforos contiguos. 8.

El ATP acoplado altera termodinámicamente la estequiometría de la reacción y su constante de equilibrio, mientras que la enzima solo acelera cinéticamente la velocidad hacia ese equilibrio sin modificar la Keq. 9. A que los átomos de carbono en las cadenas grasas están mucho más reducidos químicamente, disponiendo de mayor densidad de electrones transferibles hacia coenzimas intermediarias como el NAD+. 10. La repulsión electrostática entre sus cuatro cargas negativas a pH neutro, la menor estabilización por resonancia de los fosfatos enlazados frente al ortofosfato libre y la menor hidratación de la molécula intacta de ATP respecto a los productos hidrolizados. 11.

Porque el ATP forma parte química de un nuevo proceso con una estequiometría distinta y un global favorable, variando su constante termodinámica intrínseca, mientras que el enzima solo reduce la energía de activación sin modificar los estados energéticos inicial o final. 12. b) Es un sistema abierto. Las células intercambian constantemente tanto materia como energía con su entorno biológico exterior. 13. c) ΔH es siempre negativo. En las reacciones exotérmicas los productos poseen menor energía y se libera calor al entorno. 14. d) Cuando ΔG es negativo. Un valor de ΔG < 0 identifica a los procesos exergónicos espontáneos que liberan trabajo útil. 15.

d) Modificando las concentraciones relativas celulares. El valor real de ΔG varía en función directa de las concentraciones citoplasmáticas de reactivos y productos. 16. c) Enlace fosfoanhídrido. Los grupos fosfato contiguos del ATP se unen entre sí mediante enlaces fosfoanhídrido ricos en energía. 17. c) -4. A pH fisiológico, la desprotonación de los grupos fosfato confiere una carga total neta de -4. 18. a) No la modifica en absoluto. Los enzimas actúan exclusivamente como catalizadores cinéticos y no alteran la constante de equilibrio termodinámico. ΔS > 0 TΔS ΔH ΔG < 0 ΔG < 0 ΔG Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 30 19. b) 9 kcal/g y 4 kcal/g.

Las grasas suministran aproximadamente 9 kcal/g y los hidratos de carbono aportan en torno a 4 kcal/g. 20. Porque la exposición inadvertida de lípidos internos como la fosfatidilserina en la cara externa activa señales de destrucción para los macrófagos, además de regular procesos de señalización intracelular exclusivos del citoplasma. 21. Porque la función de la mielina es el aislamiento pasivo para acelerar el impulso nervioso, mientras que la membrana mitocondrial interna alberga multitud de complejos multienzimáticos y transportadores activos. 22. Provoca el reconocimiento de la célula por parte de los fagocitos, induciendo su eliminación por fagocitosis al actuar como señal de apoptosis.

23. La casi total ausencia de colesterol y la elevada abundancia de cardiolipina (difosfatidilglicerol con cuatro cadenas acilo). 24. Porque poseen carga eléctrica neta, lo que genera una barrera termodinámica desfavorable al intentar entrar en contacto con el núcleo central apolar e hidrófobo de los ácidos grasos. 25. Multiplican la superficie de membrana mitocondrial interna en un volumen limitado para alojar la máxima cantidad de complejos respiratorios y transportadores oxidativos. 26. Porque el gradiente de sodio hacia el interior actúa como una batería electroquímica que impulsa la entrada obligada de nutrientes como la glucosa y los aminoácidos. 27.

Porque deben atravesar la bicapa lipídica por completo para crear una vía hidrofílica continua que comunique ambos lados acuosos de la célula. 28. La bomba Na+/K+ se detendría, el gradiente transmembrana de Na+ se disiparía gradualmente y el simporte cesaría por falta de fuerza impulsora. 29. Retirar el exceso citosólico de bicarbonato hacia la sangre a cambio de introducir iones cloruro que luego saldrán hacia la luz estomacal. 30. La bomba primaria hidroliza ATP directamente para desplazar solutos contra gradiente, mientras que el simportador usa la energía del gradiente químico preestablecido de otro ion sin hidrolizar ATP en su propia estructura. 31.

Porque el transportador apical de absorción es un simportador dependiente de la unión simultánea de ambos sustratos para introducirlos en el enterocito. 32. a) Membrana mitocondrial interna. La membrana mitocondrial interna contiene entre un 75 % y un 80 % de proteínas debido a los complejos respiratorios. 33. b) Hemicapa citoplasmática interna. La fosfatidilserina se retiene en la hemicapa citoplasmática interna y solo pasa a la externa durante la apoptosis. 34. c) Gases apolares como oxígeno. Los gases apolares pequeños difunden a través de la zona hidrofóbica sin impedimento electrostático. 35. c) Cardiolipina.

La cardiolipina es un fosfolípido doble con cuatro colas hidrocarbonadas propio de la membrana mitocondrial interna. 36. d) Proteína integral. Las proteínas integrales contienen dominios transmembrana que cruzan todo el espesor lipídico. 37. c) Pasivo facilitado a favor de gradiente. El uniportador traslada un único tipo de molécula a favor de gradiente mediante cambios de conformación. 38. b) Expulsa 3 Na+ e introduce 2 K+. La bomba expulsa 3 iones de sodio e introduce 2 de potasio contra sus gradientes químicos. Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 31 39. d) Difusión facilitada mediante uniportador.

La glucosa sale por la membrana basolateral a favor de gradiente de concentración usando un uniportador. Bioenergética, ATP y Membranas Biológicas 32