Flujo de Energía en el Mundo Biológico Energía, Enzimas y Metabolismo

La Energía “Es la capacidad de producir un cambio en el estado o movimiento de la materia” Tipos de Energía 1. Energía Cinética (movimiento): Movimiento de la masa o de las partículas La luz (movimiento de fotones) El calor (movimiento de moléculas) La electricidad (movimiento de electrones) El movimiento de objetos

2. Energía Potencial (almacenada): Es la capacidad de hacer trabajo en virtud de la posición o estado de una masa o partícula. E. Química (almacenada en los enlaces: carbohidratos y grasas) E. Eléctrica (almacenada en baterías) E. de Posición (agua en una represa)

Flujo de la Energía El árbol absorbe luz E radiante solar (E cinética) El árbol convierte la E luminosa en E potencial química almacenada en enlaces y la usa para producir hojas, ramas y frutos… La manzana, "llena" de E potencial química, cae al suelo, su E de posición (E potencial) se transforma en E cinética, la E del movimiento Cuando manzana golpea suelo, E cinética se transforma en calor (E calórica) y sonido (E acústica), etc. Si alguien come la manzana, cuerpo transforma E química de manzana en movimiento muscular, reproducción, etc.

Flujo de la Energía Depende de: Cantidad de E inicialmente disponible Utilidad de la E Se rige por la leyes de la Termodinámica Leyes de la Termodinámica Describen las propiedades y el comportamiento de la Energía en los sistemas.

Primera Ley de la Termodinámica “La cantidad total de energía del universo permanece constante” En otras palabras, la energía no puede ser creada ni destruida, aunque si es transformable de un tipo a otro.

Segunda Ley de la Termodinámica “La energía tiende a difundirse de una forma más concentrada a una menos concentrada, ej. se libera como calor o luz, o ambas”. El desorden siempre está en aumento en el universo. Requiere + Energía Requiere - Energía

Entropía “mide el grado de desorden o cambio de un sistema” Entropía: Es la energía que no puede utilizarse para producir trabajo La energía de alta calidad, con baja entropía, es la que puede ser más utilizada por el ser humano (ej. carbón, electricidad, gasolina) La energía de baja calidad, con alta entropía, es la menos utilizable por el ser humano (ej. calor liberado por un animal al correr).

Fuentes de Energía El Sol proporciona el 99% de toda la energía utilizada por los seres vivos en la Tierra. Esta fluye a través de los ecosistemas, en procesos cíclicos de utilización y reciclaje. 9

Elementos Básicos Autótrofos Fotosintetizadores Herbívoro Consumidor 1º Depredador Consumidor 3º o 4º Depredador Consumidor 2º o 3º Insectívoro Consumidor 2º Herbívoro Consumidor 1º Hongos Descomponedores Bacterias Descomponedoras Elementos Básicos

Pérdidas energéticas Ninguna transformación de la energía es 100% eficiente. La energía se pierde principalmente en forma de luz y calor. El calor no puede ser almacenado en las células o en ninguna parte de los seres vivos.

Reacciones Químicas Reacciones Endergónicas y exergónicas Reacciones Acopladas Energía de activación

Reacciones endergónicas o no espontáneas Para que se lleven a cabo requieren de una aportación neta de energía proveniente del exterior. Los productos tienen más E que los reactivos, los reactivos necesitan E para llevar a cabo la reacción Ejemplo la Fotosíntesis: Requiere la energía solar para formar glucosa (C6H12O6) a partir de CO2 y H2O Glucosa brinda 3,75 kilocalorías por cada gramo

Reacciones exergónicas o espontáneas Ocurren sin ninguna intervención externa Generan energía libre (disponible para hacer trabajo) Reactivos tienen más E que los productos, se forman productos y se libera E La Respiración, utiliza la energía contenida en la glucosa para realizar un trabajo.

Sistemas Vivientes Las formas de vida son sistemas altamente organizados que requieren mucha energía para mantenerse, o sea es una lucha constante contra la entropía según la segunda ley de termodinámica. Si la mayoría de las reacciones en seres vivos son endergónicas. ¿Cómo logramos sobrevivir? Las células compensan su pérdida continua de energía empleando fuentes de energía externas.

Reacciones Acopladas Fotosíntesis Respiración (Mitocondrias) (Cloroplastos) Seres vivos utilizan reacciones exergónicas (proporcionan energía) para impulsar las reacciones endergónicas (requieren energía). Ambas reacciones ocurren en lugares distintos y la energía se transfiere mediante moléculas portadoras de energía, como el ATP para llevarla donde se necesita. La fotosíntesis (reacción endergónica en la planta) ocurre en el cloroplasto y la Respiración (exergónica) en la mitocondria.

Metabolismo La infinidad de reacciones químicas que ocurren dentro de las células, les permite crecer, moverse, mantenerse y autorrepararse, reproducirse y reaccionar a los estímulos, integran en forma global el proceso denominado metabolismo. Metabolismo: todas las transformaciones químicas y energéticas que ocurren en los organismos vivos.

Funciones del Metabolismo La digestión de los nutrientes de los alimentos permite: Obtener energía química de uso inmediato Generar reservas energéticas (carbohidratos y lípidos) La construcción de biocompuestos y estructuras propias: Lípidos, proteínas, carbohidratos, enzimas, ADN, etc. Crecimiento: Construir y renovar estructuras (células, tejidos, órganos, etc.). La reproducción del organismo La eliminación de residuos tóxicos producidos por la actividad celular Ácidos Peróxido de hidrógeno Mamíferos, la regulación de la temperatura del organismo.

Anabolismo y Catabolismo Vías Metabólicas Anabolismo y Catabolismo

Anabolismo Síntesis o formación de biomoléculas más complejas a partir de otras moléculas más sencillas, con requerimiento de energía (reacciones endergónicas). Biosíntesis: Lípidos complejos Carbohidratos complejos Proteínas Principal es la Fotosíntesis

Catabolismo Transformación de biomoléculas complejas en moléculas sencillas, para obtener energía en forma de ATP (reacciones exergónicas). Degradación: Lípidos complejos Carbohidratos complejos Proteínas Principal es la Respiración

Transporte de Energía: ATP Reacciones acopladas no necesitan ocurrir en el mismo lugar para trabajar juntas En células, la energía viaja también por medio de moléculas transportadoras El ATP es la principal molécula de alto contenido energético que conecta las reacciones productoras de energía con las que la necesita. Otras moléculas transportadoras: NAD y FAD Proceso de Fotosíntesis

Estructura de la molécula de ATP Trifosfato de adenosina o adenosín trifosfato Es un nucleótido que está formado por una base nitrogenada (adenina), unida al carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la ribosa, que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos fosfato. Se produce durante la fotosíntesis y la respiración celular, y es consumida por muchos enzimas y proteínas en numerosos procesos químicos para liberar energía. Su fórmula es C10 H16 N5 O13 P3. Enlaces de alta energía

¿Cómo produce energía el ATP? Rompiéndose el enlace fosfato En los procesos REDUCTIVOS se libera energía, cual es utilizada para el metabolismo: ATP --------------------->  ADP + Pi  (ΔG = -7.7 kcal/mol) Se liberan 7.7 kcal/mol)

Procesos donde participa el ATP Anabolismo Biosíntesis de lípidos, carbohidratos, proteínas, enzimas, etc. Transporte activo a través de la membrana plasmática Energía a proteínas integrales transportadoras Contracción muscular Bomba de Sodio (Na) y Potasio (K) Transferencia genética y reproducción celular Mitosis y meiosis

Propiedades y Cinética Enzimas Propiedades y Cinética

Barreras energéticas Una taza de glucosa aún en condiciones favorables de O2 tardaría muchos años para transformarse espontáneamente en H2O y CO2. Los seres vivos no pueden esperar tanto tiempo, por eso intervienen catalizadores biológicos denominados enzimas.

Energía de Activación Las reacciones químicas no ocurren espontáneamente, requieren E inicial (un “empujón”) para comenzar. E de activación  E cinética mínima que necesita un sistema para poder iniciar un determinado proceso o reacción. Calor: Por sí solos el combustible y el comburente no producen fuego, es necesario un primer aporte de energía (calor) para iniciar la combustión autosostenida.

Enzimas “Catalizadores Biológicos” Son biocatalizadores de naturaleza proteica, que aceleran la velocidad de una reacción química al bajar la energía de activación necesaria para que esta ocurra. Todas las reacciones del metabolismo celular se realizan gracias a la acción de catalizadores o enzimas Producto Reactivo Energía de Activación Energía liberada Energía aplicada Sin Catalizar Catalizada

Características de las Enzimas Aceleran de cientos a millones de veces la velocidad una reacción que tardaría mucho en darse por sí sola. Las enzimas no se modifican o se pierden cuando intervienen en una reacción. El mismo tipo de enzima cataliza hacia la derecha y hacia la izquierda cuando es reversible. La enzimas tienen sustratos específicos, son selectivas.

Selectividad de las Enzimas Enzimas son selectivas Su selectividad determina cuáles son los procesos químicos que se llevan a cabo en una célula. Cada enzima posee una forma tridimensional única, y dicha forma determina la especificidad de esa enzima. Sustrato - enzima (centro activo) Lipasa Lípidos Amilasa Almidón

¿Cómo trabaja una enzima? La enzima (E), tiene uno o varios sitios activos, donde se combinan con el sustrato (S) formando el complejo de transición (reacción reversible), enzima - sustrato (E-S). Cuando se forman los productos (P) de la reacción, enzima se regenera de nuevo y queda libre para volver a combinarse con otra molécula de sustrato La enzima puede actuar sobre millones de moléculas de sustrato. Enzima Sustrato “S” (sacarasa) Sitio activo (sacarosa) Glucosa Fructosa 1 4 Enzima “E” disponible Productos con sitio activo son vacío liberados 3 2 Sustrato Convertido en Sustrato se Productos “P” une a enzima Complejo “E-S”

El ambiente celular afecta la actividad enzimática La actividad de la enzima es influenciada por los siguientes factores: Temperatura pH Cofactores o Activadores Inhibidores

Temperatura Las enzimas son desactivadas por las altas temperaturas (50 a 60 °C)  Se desnaturalizan. Las reacciones ocurren muy lento o se suspenden a bajas temperaturas.

Acidez o alcalinidad del medio de reacción (pH) Un pH alto o bajo se puede producir la desnaturalización de la enzima y en consecuencia su inactivación Su máxima actividad esta cerca de la neutralidad en un rango de pH de 6 a 8. Según el sitio: Tripsina en el intestino, pH cerca a 8. Pepsina, digiere proteínas en el estómago, pH entre 1 - 2

Cofactores o Activadores Muchas enzimas requieren cofactores no proteicos para realizar sus actividades: Muchos cofactores son moléculas orgánicas (ARN) llamadas coenzimas Otros son sustancias inorgánicas: iones de zinc, hierro, magnesio, manganeso, cobre

Los inhibidores enzimáticos bloquean la acción enzimática Hay dos tipos de inhibidores: El inhibidor competitivo se asemeja al sustrato normal ý se une en el sitio activo de la enzima El inhibidor no competitivo se une a la enzima en un lugar diferente al sitio activo pero modifica la conformación espacial de la enzima Sustrato Enzima Sitio activo UNION NORMAL DEL SUSTRATO Inhibidor competitivo Inhibidor no INHIBICION ENZIMÁTICA

Algunos pesticidas y antibioticos inhiben las enzimas Ciertos pesticidas son tóxicos para los insectos porque inhiben irreversiblemente ciertas enzimas claves en el sistema nervioso. (malatión) Muchos antibióticos también inhiben enzimas que son esenciales para la supervivencia de las bacterias que causan enfermedades Penicilina inhibe a una enzima que las bacterias usan para construir sus paredes celulares

Clasificación y nomenclatura moderna Más sistemática debido al gran número de enzimas conocidas en la actualidad. Se refiere a la función que desempeñan las enzimas: - Oxidorrectasas: transferencia de electrones - Transferasas: transferencia de grupos funcionales - Hidrolasas: reacciones de hidrólisis (celulasa) - Liasas: adición de dobles enlaces (carboxilasa) - Isomerasas: reacciones de isomerización - Ligasas: formación de enlaces de ATP

Grupos enzimáticos, funciones y ejemplos Acción ejemplos 1. Oxidoreductasas Catalizan reacciones de oxidorreducción. Tras la acción catálica quedan modificados en su grado de oxidación por lo que debe ser transformados antes de volver a actuar de nuevo. Dehidrogenasas Aminooxidasa Deaminasas Catalasas 2. Transferasas Transfieren grupos activos (obtenidos de la ruptura de ciertas moléculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos de interconversiones de azucares, de aminoácidos, etc Transaldolasas Transcetolasas Transaminasas 3. Hidrolasas Verifican reacciones de hidrólisis con la consiguiente obtención de monómeros a partir de polímeros. Suele ser de tipo digestivo, por lo que normalmente actúan en primer lugar Glucosidasas Lipasas Peptidasas Esterasas Fosfatasas 4. Isomerasas Actúan sobre determinadas moléculas obteniendo de ellas sus isómeros de función o de posición. Suelen actuar en procesos de interconversion Isomerasas de azúcar Epimerasas Mutasas 5. Liasas Realizan la degradación o síntesis (entonces se llaman sintetasas) de los enlaces denominados fuertes sin ir acoplados a sustancias de alto valor energético. Aldolasas Decarboxilasas 6. Ligasas Realizan la degradación o síntesis de los enlaces fuertes mediante el acoplamiento a sustancias ricas en energía como los nucleosidos del ATP Carboxilasas Peptidosintetasas

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