introducción al metabolismo celular - … · con el metabolismo, los organismos transforman...

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PowerPoint Lectures for Biology, Seventh Edition

Neil Campbell and Jane Reece

Lectures by Chris Romero

Metabolismo

Introducción al metabolismo

Celular


La energía de la vida

• La célula viviente es una fábrica diminuta en la que ocurren miles de reacciones

• La célula transforma energía que usa para realizar trabajo

• Algunos organismos convierten, por ejemplo, energía en luz en un fenómeno llamado bioluminiscencia


Con el metabolismo, los organismos transforman materia y energía, sujetos a las leyes de la termodinámica

• Se llama metabolismo a la totalidad de las reacciones químicas de un organismo

• Es una propiedad emergente de la vida, que se origina de las interacciones entre moléculas y célula


La química de la vida se organiza en vías metabólicas

• Una via metabólica comienza con moléculas específicas y termina con productos

• Cada paso es catalizado por una enzima específica

Enzyme 1

A BReaction 1

Enzyme 2

CReaction 2

Enzyme 3

DReaction 3

ProductStartingmolecule


• Las rutas catabólicas liberan energía por la ruptura de las moléculas complejas, que se transforman en moléculas simples

• Las rutas anabólicas construyen moléculas complejas a partir de moléculas simples

• La bioenergética es el estudio de cómo un organismo administra sus recursos energéticos


Formas de energía

• La energía es la capacidad de causar cambios

• La energía existe en múltiples formas, algunas de las cuales pueden realizar trabajo


• La energía cinética está asociada al movimiento– El calor (energía calorífica) es energía cinética asociada

con el movimiento al azar de las moléculas

• Energía potencial es la que posee la materia debido a su ubicación o estructura

– Energía química es energía potencial disponible para liberar en una reacción química

• La energía se transforma de una forma en otra

Animation: Energy ConceptsAnimation: Energy Concepts

On the platform,the diver hasmore potentialenergy.

Diving convertspotentialenergy to kinetic energy.

Climbing up convertskinetic energy ofmuscle movement topotential energy.

In the water, the diver has lesspotential energy.


Las leyes de la transformación de la energía

• Termodinámica es el estudio de las transformaciones energéticas

• Un sistema cerrado, como un termo, está aislado de su ambiente

• En un sistema abierto, la energía y la materia se intercambian entre el sistema y su ambiente

• Los organismos son sistemas abiertos


La primera ley de la termodinámica

• De acuerdo a esta ley, la energía del universo es constante

– La energía se transfiere o transforma

– La energía no se crea ni se destruye

• La primera ley se conoce también como el principio de conservación de la energía


La segunda ley de la termodinámica

• Durante cada transferencia o transformación energética, parte de la energía es inútil, y se pierde a menudo como calor

• De acuerdo a la segunda ley de la termodinámica, cada transferencia o transformación energética incrementa la entropía (desorden) del universo

Chemical energy

Heat CO2

First law of thermodynamics Second law of thermodynamics

H

2

O


• Las células vivientes inevitablemente convierten formas organizadas de energía en calor

• Los procesos espontáneos que se dan sin un ingreso energético, pueden suceder rápida o lentamente


Los cambios de energía libre de una reaccíón nos dicen si la reacción ocurre espontáneamente

• Los biólogos necesitan distinguir aquellas reacciones que se dan espontáneamente de aquellas que requieren de energía

• Para ésto requieren determinar los cambios de energía que ocurren en las reacciones químicas


Cambio de energía libre, ∆G

• La energía libre de un sistema viviente es aquella que puede realizar trabajo a temperatura y presión uniformes, como en las células vivas


• El cambio en la energía libre (∆G) durante un proceso está relacionada al cambio en entalpía, o cambio en la energía total (∆H),y al cambio en la entropía(T∆S):

∆G = ∆H - T∆S

• Solo aquellos procesos con ∆G negativa son espontáneos

• Estos procesos espontáneos pueden ser utilizados para realizar trabajo


Energía libre, Estabilidad, y Equilibrio

• La energía libre es una medida de la inestabilidad de un sistema, de su tendencia a cambiar hacia un estado más estable

• Durante un cambio espontáneo, la energía libre decrece y la estabilidad del sistema se incrementa

• El equilibrio es un estado de máxima estabilidad

• Un proceso es espontáneo y puede realizar trabajo sólo cuando se mueve hacia el equilibrio

Gravitational motion Diffusion Chemical reaction


Energía libre y metabolismo

• El concepto de energía libre puede ser aplicado a la química de los procesos vitales


Reacciones exergónicas y endergónicas

• Una reacción exergónica ocurre con una liberación neta de energía libre y es espontánea

• Una reacción endergónica absorbe energía libre de su ambiente y no es espontánea

Reactants

EnergyProducts

Progress of the reaction

Amount ofenergy

released(∆G < 0)

Free energy

Exergonic reaction: energy released

ReactantsEnergy

Products


Amount ofenergy

required(∆G > 0)

Free energy

Endergonic reaction: energy required


Equilibrio y metabolismo

• Las reacciones en un sistema cerrado eventualmente alcanzan el equilibrio y entonces no realizan trabajo

• Las células no están en equilibrio; son sistemas abiertos que sufren un constante flujo de materiales

• Una ruta catabólica celular, libera energía libre en una serie de reacciones

• Los sistemas hidroeléctricos cerrados y abiertos pueden servir como analogías

∆G = 0

A closed hydroelectric system

∆G < 0

LE 8-7b

An open hydroelectric system

∆G < 0

LE 8-7c

A multistep open hydroelectric system

∆G < 0∆G < 0

∆G < 0


El ATP realiza trabajo celular al acoplar reacciones exergónicas y endergónicas

• Una célula realiza tres tipos principales de trabajo:

– Mecánico

– Transporte

– Químico

• Para realizar trabajo, las células administran los recursos energéticos usando un proceso exergónico para llevar a cabo uno endergónico.


La estructura e Hidrolisis del ATP

• ATP (adenosin trifosfato) es la moneda energética celular

• ATP provee energía para las funciones celulares

Phosphate groupsRibose

Adenine


• Los enlaces entre los grupos fosfatos del ATP se rompen por hidrólisis

• La energía es liberada desde el ATP cuando se rompe el enlace de fosfato terminal

• Esta liberación de energía viene desde el cambio químico a un estado de menor energía libre, no desde los enlaces en si mismos

LE 8-9

Adenosine triphosphate (ATP)

Energy

P P P

PPP i

Adenosine diphosphate (ADP)Inorganic phosphate

H

2

O

+ +


• En la célula, la energía de las reacciones exergónicas de la hidrólisis del ATP puede ser usada para llevar a cabo una reacción endergónica

• En general, las reacciones acopladas son exergónicas

LE 8-10Endergonic reaction: ∆G is positive, reactionis not spontaneous

Exergonic reaction: ∆G is negative, reactionis spontaneous

∆G = +3.4 kcal/mol

∆G = –7.3 kcal/mol

∆G = –3.9 kcal/mol

NH2

NH3Glu Glu

Glutamicacid

Coupled reactions: Overall ∆G is negative;together, reactions are spontaneous

Ammonia Glutamine

ATP H2O ADP P i

+

+ +


Cómo realiza trabajo el ATP?

• ATP realiza reacciones endergónicas por fosforilación, transfiriendo un grupo fosfato a otras moléculas, tales como un reactante

• Dicha molécula está ahora fosforilada

• Los tres tipos de trabajo celular se llevan a cabo por el ATP

NH2

Glu

P i

P i

P i

P i

Glu NH3

P

P

P

ATPADP

Motor proteinMechanical work: ATP phosphorylates motor proteins

Protein moved

Membraneprotein

Solute

Transport work: ATP phosphorylates transport proteins

Solute transported

Chemical work: ATP phosphorylates key reactants

Reactants: Glutamic acidand ammonia

Product (glutamine)made

+ +

+


La Regeneración del ATP

• ATP es una fuente renovable que se regenera por la adición de un grupo fosfato al ADP

• La energía para fosforilar el ADP viene de las reacciones catabólicas en la célula

• La energía química potencial temporariamente almacenada en el ATP lleva a cabo la mayoría del trabajo celular

Pi

ADP

Energy for cellular work(endergonic, energy-consuming processes)

Energy from catabolism(exergonic, energy-yielding processes)

ATP

+


Las enzimas aceleran la velocidad de reacción al bajar las barreras energéticas

• Un catalizador es un agente que acelera la velocidad de reacción sin ser consumido en dicha reacción

• Una enzima es una proteína catalizadora


Las barreras de las energías de activación

• Cada reacción química implica la ruptura y la formación de enlaces

• La energía inicial necesaria para comenzar una reacción química es llamada energía libre de activación, o energía de activación (EA)

• La energía de activación es proporcionada a menudo como calor desde los alrededores

Transition state

C D

A B

EA

Products

C D

A B

∆G < O


Reactants

C D

A BFree energy

Course ofreactionwithoutenzyme

EA

without enzyme

∆G is unaffectedby enzyme


Free energy

EA withenzymeis lower

Course ofreactionwith enzyme

Reactants

Products


Efectos de las condiciones locales sobre la actividad enzimática

• La actividad enzimática puede estar afectada por:

– Factores ambientales generales, tales como temperatura y pH

– Químicos de influencia específica sobre las enzimas


Efectos de la temperatura y pH

Cada enzima tiene un óptimo de temperatura a la que funcionan

Cada enzima tiene un óptimo de pH al que funcionan

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