Clase 1 Principios que rigen la organización celular - U

PRINCIPIOS QUE RIGEN LA ORGANIZACIÓN
CELULAR
Profesor Dr. Marco Tulio Núñez
DEPARTAMENTO DE BIOLOGÍA, FACULTAD DE
CIENCIAS
¿Cual es el objetivo del curso de Biología Celular?
… adquirir el concepto de organización de la
materia viva a nivel celular y molecular.
Para esto, necesariamente debemos empezar con
el conocimiento de los principios básicos que
subyacen a esta organización, y las moléculas que
la componen.
LA TEORÍA CELULAR
In 1838, Theodor Schwann and Matthias Schleiden were enjoying afterdinner coffee and talking about their studies on cells. When Schwann
heard Schleiden describe plant cells, he was struck by the similarity of
these plant cells to cells he had observed in animal tissues. The two
scientists went immediately to Schwann's lab to look at his slides.
Schwann published his book on animal and plant cells the next year. He
summarized his observations into three conclusions about cells:
1) The cell is the unit of structure, physiology, and organization in living
things.
2) The cell retains a dual existence as a distinct entity and a building
block in the construction of organisms.
3) Cells form by spontaneous generation , similar to the formation of
crystals.
LA TEORÍA CELULAR
In 1838, Theodor Schwann and Matthias Schleiden were enjoying afterdinner coffee and talking about their studies on cells. When Schwann
heard Schleiden describe plant cells, he was struck by the similarity of
these plant cells to cells he had observed in animal tissues. The two
scientists went immediately to Schwann's lab to look at his slides.
Schwann published his book on animal and plant cells the next year. He
summarized his observations into three conclusions about cells:
1) The cell is the unit of structure, physiology, and organization in living
things.
2) The cell retains a dual existence as a distinct entity and a building
block in the construction of organisms.
3) Cells form by spontaneous generation , similar to the formation of
crystals.
EL CONCEPTO CORRECTO, QUE LAS CÉLULAS SE GENERAN A
PARTIR DE CÉLULAS, FUE POCO A POCO PROMOVIDO POR
OTROS INVESTIGADORES,
SIENDO FINALMENTE ENUNCIADO POR RUDOLPH VIRCHOV EN
SU PODEROSO DICTUM
“OMMIS CELLULA E CELLULA”…
TODAS LAS CÉLULAS PROVIENEN DE UNA CÉLULA
En la siguientes 3 clases veremos:
Conceptos termodinámicos y químicos que
fundamentan la organización de la materia viva
El agua como elemento central de la organización
celular
Componentes y organización molecular de la materia
viva
Evolución prebiótica e hipótesis de formación de la
primera célula
¿Cuales son las
características de
una célula?
Una célula es:
una unidad organizada, aislada del medio ambiente
pero en comunicación con este.
Con capacidad para obtener alimentos del medio y
para transformar estos alimentos en energía
destinada a mantener la vida celular (metabolismo).
Con capacidad de auto-replicarse (reproducción)
La diferencia fundamental entre una célula y el conjunto
de moléculas que la componen es su mayor
organización con respecto al medio
Esta observación se resume en el siguiente axioma:
"los organismos vivos presentan un alto grado de
orden y cuando crecen y se dividen crean más orden
a partir de materiales que están en un mayor grado
de desorden"
LA ORGANIZACIÓN CELULAR Y EL SEGUNDO
PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
El segundo principio de la termodinámica establece que "los sistemas cambian
espontáneamente de estados de baja probabilidad a estados de alta
probabilidad". Ya que los estados de baja probabilidad son más ordenados, se
establece que "el universo cambia constantemente a un estado de desorden
mayor (∆S univ >0)"
LA ORGANIZACIÓN CELULAR Y EL SEGUNDO
PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Las células son complejos moleculares altamente
ordenados,
¿Cómo cumple la organización celular este segundo
principio?
CAMBIOS DE ENTROPÍA
En una reacción:
A → B
El cambio de entropía (SB-SA) α ln pB/pA
S: entropía del estado; p: probabilidad del estado
∆S = Rln pB/pA
el cambio de entropía para convertir 1 mol de A a B es igual a la
constante de los gases R ( 2 cal. grad-1 mol-1) multiplicado por el
logaritmo natural de la razón de probabilidad del estado B dividido
por la probabilidad del estado A
Para un proceso espontáneo, B/A > 1 y ∆S será positivo
Sistema, medio, universo:
Las células para ordenarse utilizan energía. Parte de la energía
utilizada se libera al medio en forma de calor
∆S sistema + ∆S medio = ∆S universo (1er principio de la TD)
El calor liberado induce un cambio de entropía en el medio
determinado por la relación ∆SMedio= h/T
∆Suniverso = ∆Ssistema + ∆Smedio
El cambio de entropía inducido en el medio es más grande que
el cambio de entropía perdido por del sistema, por lo que
∆S universo >0
LA ORGANIZACIÓN CELULAR Y EL PRIMER PRINCIPIO DE
LA TERMODINÁMICA
El primer principio de la termodinámica dice que "en todo
proceso, la energía total del universo permanece
constante". (principio de conservación de la energía)
¿Cumple la materia viva con este principio?
La célula al ordenarse libera calor al medio
Se debe cumplir que ∆E en la célula es proporcional a la energía
calórica transferida al medio:
∆ESistema α al calor intercambiado (-h)
ENTALPÍA
Además de calor, la célula intercambia energía con el medio en forma de
trabajo: P∆V y VΔP
La entalpía (H) es la función termodinámica que integra la energía calórica
y el trabajo realizado por el sistema:
∆HS = -h + P∆V
"el cambio de entalpía de un sistema es igual al calor transferido al
medio más el trabajo realizado por el sistema”
ENTALPÍA…
En la mayoría de los sistemas biológicos ∆V y ∆P son muy pequeños
por lo que
∆Hsistema = -h
Un proceso que entrega calor al medio (∆HS negativo) es un
proceso de tendencia espontánea porque el sistema llega a un
estado energético más bajo y por lo tanto más estable
¿ΔH o ΔS?
A veces es difícil predecir la probabilidad de un proceso
ya que esta depende tanto del cambio de entalpía como
del cambio de entropía
Por ejemplo, un sistema que entrega calor al medio:
∆Hsistema: – (espontáneo),
y disminuye su entropía ∆Ssistema: + (no espontáneo)
Proceso espontáneo o no???
Una relación muy utilizada para determinar la
espontaneidad de un proceso biológico es el de
energia libre de Gibbs o energía libre
G
ENERGIA LIBRE
La función combinada G relaciona los cambios de
entropía y de entalpía en el sistema
G = H –TS
o:
∆Gs = ∆Hs - T∆Ss (a T ctte)
"el cambio de energía libre de un sistema es igual al
cambio de entalpía de este sistema menos el cambio
de entropía del sistema multiplicado por la
temperatura absoluta".
Si no hay cambio de volumen, ∆H = -h (calor transferido), y
∆G = -h - T∆S
Una reacción ocurrirá en forma espontanea si ∆G es
negativo.
LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO
En la reacción
A + B  AB
se define la constante de equilibrio como:
Kequil = [AB]equil / [A]equilx[B]equil
LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO
En un proceso (por ejemplo) de síntesis:
met-pro-leu-glut-asp-tryp + ser → ser-pro-leu-glut-asp-tryp-ser
(A + B → A-B)
Se puede establecer que:
∆G = ∆G0 + RTln[AB]/[A][B]
“el cambio de energía libre en una reacción es igual al cambio de
energía libre standard (cambio de G cuando los reactivos están a
inicialmente presentes a concentración 1 M) más el producto de la cte.
de los gases (R, 2 Kcal/mol), la temperatura (en oK) y el log natural de
la razón de concentración entre productos y reactantes”
Al equilibrio, no hay cambios en la concentración de
reactantes y productos
∆Gequil = 0
por lo que ∆G0 = -RTln [AB]equil / [A]equil[B]equil
Kequil = [AB]equil / [A]equil[B]equil
Por lo que ∆G0 = -RTln Kequil
Reacción termodinámicamente favorable, ∆G <0
REACCIONES ACOPLADAS
La reacción A + B
 AB puede ser termodinámicamente desfavorable (∆G>0), sin
embargo podrá ocurrir si se acopla a una reacción con ∆G<0:
A + B  AB
AB + C  DE + F
DE  G + H
∆G1 = -RT ln [AB] / [A][B] (en el equilibrio)
∆G2 = -RT ln [DE][F]/[AB][C] (en el equil)
∆G3 = -RT ln [G][H] / [DE] (en el equilibrio)
A+B+ C F+G + H
∆Gtotal= ∆G1+∆G2+∆G3
∆Gtotal= -RT ln [F][G][H] / [A][B][C]
Para un conjunto de reacciones acopladas, el cambio total de energía libre será la suma de
energía libre de las reacciones parciales
Balance termodinámico del conjunto de reacciones de
Haber­Weiss: producción del radical hidroxilo
1. 2Fe2+ + 2O2 → 2Fe3+ + 2O2•–
∆G = 25.1 KJ/mol
2. 2O2•– + 2H+ → H2O2 + O2
∆G = -85.9 KJ/mol
3. Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH– + •OH
∆G = -27.0 KJ/mol
3Fe2++O2+2H+ → 3Fe3++ OH– + •OH
∆G = 25.1 - 85.9 - 27 = -87.6 KJ/mol
ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
En ocasiones una reacción química es posible desde el
punto de vista termodinámico pero no ocurre
espontáneamente.
Por ejemplo, la oxidación de celulosa a CO2 y H2O es,
del punto de vista de su ∆G, muy favorable pues libera
gran cantidad de calor al medio y tiene un ΔS positivo,
pero no ocurre espontáneamente.
ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
X → X’ → Y
Para pasar del estado X al estado Y primero se requiere pasar por el
estado intermedio X’, que tiene un mayor nivel de energía.
Para lograr el paso de X a Y es entonces necesario que el sistema
inicialmente gane energía: energía de activación.
CATALISIS
Los catalizadores bajan la energía de activación de un proceso sin modificar
el ∆E total
Figure 2-44 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
CATALISIS
Por lo tanto, los catalizadores aumentan la velocidad de una reacción
Figure 2-46a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 2-45 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
CONCLUSIONES
Las células son organismos que deben crear un orden
interno para sobrevivir y proliferar. Este orden es termodinamicamente posible debido a un continuo gasto de energía,
parte de la cual es entregado al medio en forma de calor.
Los principios termodinámicos del universo se aplican a la
organización de la materia viva. Por ejemplo, la constante de
equilibrio es función del cambio de energía libre y establece
la probabilidad de ocurrencia de un proceso.
Para que los reactantes pasen a productos se requiere de
energía de activación. Los catalizadores disminuyen esta
energía aumentando la probabilidad de ocurrencia.
Which statement about enzyme catalyzed reactions is NOT true?
A. enzymes form complexes with their substrates.
B. enzymes lower the activation energy for chemical reactions.
C. enzymes change the K eq for chemical reactions.
D. many enzymes change shape slightly when substrate binds.
The equilibrium constant for the conversion of the disaccharide sucrose to the
simple sugars glucose and fructose is 140,000. What can you conclude about
the reaction: sucrose + H2O→glucose + fructose?
A. It is a closed system.
B. It never reaches equilibrium.
C. It is spontaneous, starting with sucrose.
D. The equilibrium constant increases when the starting concentration of
sucrose is increased.
E. At equilibrium, the concentration of sucrose is much higher than the
concentrations of glucose and fructose.
To overcome an energy barrier between reactants and products, energy
must be provided to get the reaction started. This energy, which is
recovered as the reaction proceeds, is called:
A. activation energy
B. initiation energy
C. reaction energy
D. kinetic energy
E. potential energy
Exergonic reactions:
A. release energy
B. are spontaneous reactions
C. have an equilibrium constant greater than 1
D. can be coupled to endergonic reactions
E. All statements are true
Activation energy is
A. energy that must be added to get a reaction started, which is recovered as the
reaction proceeds
B. difference in energy between reactants and products
C. energy that is lost as heat
D. The free energy of the process
E.
equal to the entropy times the absolute temperature
The interconversion of dihydroxyacetone phosphate (DHAP) and glyceraldehyde-3phosphate (G3P) is a part of the glycolytic pathway:
DHAP ↔ G3P
The value of ΔG0 for this reaction is +1.8 kcal/mol at 25°C.
(a)
In which direction does the equilibrium lie?
(b) What is the equilibrium constant at 25°C? (RT = 596 Kcal/mol· 0K)
(c)
What is ΔG for the reaction in the direction G3P → DHAP
Energy-requiring reactions can occur in biological systems because enzymes
allow their coupling to other reactions with:
A. an increase in enthalpy
B. a low activation energy
C. products of lower free energy than the reactants
D. oxidation-reduction
The equilibrium constant for the reaction,
glucose 6-phosphate + water → glucose + phosphate,
is 260. What can you conclude about this reaction:
A. It is a closed system.
B. It never reaches equilibrium.
C. Starting with glucose 6-phosphate, it is not spontaneous.
D. At equilibrium, the concentration of glucose is much higher than the
concentrations of glucose 6-phosphate.
E. The equilibrium constant increases when the starting concentration of
glucose 6-phosphate is increased.
El primer principio de la termodinámica :
I.
no se aplica a las células debido la complejidad de éstas
II.
está referida al principio de conservación de la energía
III.
establece que el contenido energético de un sistema no cambia nunca
IV.
establece que la energía total del universo no varía
V.
establece que la entropía del universo tiende a aumentar continuamente