Energía - biologiapr

Energía
Prof. Nerybelle Perez-Rosas
2011
Energía = capacidad para realizar trabajo.
Trabajo es una fuerza actuando sobre un objeto que causa que el objeto se mueva.
• La vida requiere energía.
• Casi toda la energía utilizada por los seres vivos proviene del sol.
• La E solar que llega a la Tierra diariamente equivale a un millón de bombas
atómicas como la utilizada en Hiroshima.
• Solo el 1% de esa energía es utilizada por la fotosíntesis.
• Caloria = cantidad de energia necesaria para elevar 1oC a 1 gr agua
1 kilocalorie (kcal) = 1000 calories
Kilojulios (kj) = unidad de trabajo Calor energetico = k calorias
1kcal = 4.184 kj
Tipos de energía (fundamentales)
 Energía Cinética es la energia de movimiento
Ex. luz, calor, electricidad, objetos en movimiento
 Energía Potencial es la energia almacenada
Ex. Energia quimica en los enlaces, carga electrica
en las baterias, una roca sobre una montana
E libre (G) = E disponible para hacer trabajo bajo condiciones
de una Rx quim.
Flujo de Energía
La energía potencial almacenada en los enlaces
quimicos puede ser transferida de una
molecula a otra por los electrones.
oxidacion: perdida de electrones
reduccion: ganancia de electrones
Reacciones redox son reacciones acopladas
unas a otras.
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Leyes de termodinamica:
(determinan que una reaccion pueda ocurrir)
1. Primera Ley: Ley de Conservación de Energía: “La energía no puede
ser creada ni destruída, solo podemos transformarla.”
2. Segunda Ley: “En el universo hay una tendencia al desorden”. Esto
nos dice que cuando la energía se convierte de una forma a otra, la
cantidad de energía útil disminuye.
El resultado de cualquier cambio espontáneo es:
 la E se convierte de una forma de E más útil a una forma menos útil. 
por tendencia natural en el universo, el desorden tiende a aumentar
(entropía) constantemente.
El orden requiere una inversión de energia.
Conversion de energía de una forma a otra resulta en la perdida de energía util.
Entropía = aumento en el desorden y la energِía de bajo nivel (energía del
desorden)
 los seres vivos utilizan el aporte continuo de energía solar para sintetizar
moléculas complejas y mantener estructuras ordenadas.
Reacciones Quimicas:
• son cambios que ocurren en las moleculas; una sustancia es transformada a otra.
• En el proceso se forman y/o rompen enlaces quimicos que mantienen unidos los
atomos.
• convierten un grupo de sustancias quimicas de reactivos a productos
sustrato = moleculas que toman parte en la reaccion quimica
producto = moleculas transformadas luego de la reaccion
Ej. A + B  C
glucosa + fructosa  sacarosa
Metabolismo: la suma de las reacciones quimicas que ocurren en el cuerpo
de un organismo y/o en una celula.
• anabolismo = sintesis de moleculas complejas
• catabolismo = rompimiento de moleculas complejas
Reaccion Espontanea
Entalpia (H) = energia potencial total de un sistema
H = G + TS donde G = free energy, T = temp absoluta, S = entropia
Energia de activacion = energia de inicio que una reaccion quimica necesita para ocurrir.
Todas las reacciones quimicas requieren un aporte inicial de energia para ponerse en marcha, algo asi como
un empujon.
Como se mueve la energia en las Rx quimicas?
El proceso de vida requiere de Rx quim favorables y
no favorables desde el punto de vista energetico.
Ambos tipos se acoplan y complementan.
 Rx Exergonicas: liberan E; rompen sustratos; los
reactivos tienen mas E que los productos. Ej. Digestion
 Rx Endergonicas: requieren E; unen sustratos para
almacenar E; forman enlaces. Los productos tienen mas E
que los reactivos.
 Rx Acopladas: cuando una Rx exergonica
proporciona la energia para que se efectue una Rx
endergonica.
 ocurren dentro de las cells
 La E se transfiere de un lugar a otro mediante
moleculas portadores de E (ATP)
 ATP son inestables. Por eso se utilizan solo para
transferir E temporalmente dentro de la cell.
Reacción Exergónica:
Respiracion
Celular
Reaccion Endergonica:
Fotosintesis
La vida es – acoplar Rx favorables y RX no favorables
Reacciones acopladas:
 Reacciones exergonicas que conducen reacciones
endergonicas.
 El producto energetico de una reaccion exergonica que es
utilizada luego para que ocurra una reaccion endergonica
es lo que se conoce como reacciones acopladas.
 Las secciones exergonicas y endergonicas de
reacciones acopladas ocurren en diferentes partes
de la celula.
 Moleculas transportadores de Energia son
utilizadas para transferir energia dentro de la celula.
Como se mueve la energia entre
reacciones acopladas?
 Moleculas transportadoras de energia
 ATP es el portador principal de energia dentro de la
celula
 Existen otros portadores de energia dentro de la
celula
Transferencia y
almacenamiento de E:
ATP = (adenosina trifosfatada)
 Es el principal portador de E para ser utilizada en el metabolismo celular.
 cuando el ATP se utiliza se rompe el enlace fosfato alto en E y queda
entonces ADP
 ATP  ADP + P + E↑
 la E liberada se usa en las Rx que requieren E.
 El ADP se puede convertir nuevamente a ATP si se le anade un fosfato
inorganico y se forma un nuevo enlace fosfato de alta E.
ATP –
“moneda” energetica
Se libera E cuando el ATP
se hidroliza (rompe) a ADP
ADP regresara a ser ATP
cuando tenga una entrada
de energia y recupere su
grupo fosfato.
La energia del ATP sera
utilizada para realizar una
Rx endergonica.
Existen otras moleculas portadoras de energia en las cells:
• En reacciones exergonicas
tambien la energia se transfiere a
electrones (ej. Etapa de captura
de la luz en la fotosintesis y en el
metabolismo de glucosa).
• Esos electrones energeticos
(junto con atomos de H) son
capturados por los portadores de
electrones.
• Los portadores de electrones
cargados donan los electrones y
la energia que estos cargan a
otras moleculas.
• Portadores de electrones
comunes:
– nucleotidos que funcionan como
moleculas transportadoras de
electrones.
• Estas moleculas aceptan y/o
transfieren electrones a otras
moleculas, creando flujos de energia
que facilitan la formacion de ATP.
– NAD, NADH, NADPH, FAD, FADH
– NAD = dinucleotido de nicotiamida
y adenina
– FAD = dinucleotido de flavina y
adenina
Portadores de Electrones
•
•
•
La energia puede ser transferida a los electrones
en los procesos de metabolismo de glucosa y de
fotosintesis.
Portadores de Electrones transportan a los
electrones cargados (high-energy electrons)
Portadores de electrones comunes:
1. Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+)
2. Flavin adenine dinucleotide (FAD)
La bioquimica de las celulas esta definida en 3 sentidos:
1. Las cells regulan las Rx utilizando enzimas (proteinas catalizadoras).
2. Las cells acoplan reacciones impulsando Rx endergonicas con la E
liberada por las Rx exergonicas.
3. Las celulas sintetizan moleculas portadoras de energía que capturan la
energía de Rx exergonicas y la transportan a las Rx endergonicas.
Catalizadores: son moleculas que aceleran la velocidad de las
reacciones sin consumirse ni alterarse de forma permanente.
Importante en los catalizadores:
1. Aceleran las reacciones.
2. Solo pueden acelerar Rx que de todos modos serian
espontaneas, pero mucho mas lentas.
3. No se consumen en las Rx que promueven, ni sufren ningun
cambio permanente.
Enzimas:
• son catalizadores biologicos que aceleran la velocidad de una Rx sin alterarla
• son proteinas reguladoras de Rx quim; algunas son RNA.
• reducen la E activacion que necesita una reaccion, por lo que acelera la
velocidad de reaccion.
• la estructura de la enzima le permite catalizar reacciones especificas.
• son esenciales para la vida
• son especificas a los sustratos
• son reguladas
Enzimas
disminuyen la E
activacion de una
Rx.
Enzimas:
* tienen un lugar activo compatible estructuralmente con un sustrato especifico
donde va a actuar = sitio activo
* una vez la enzima reconoce el sustrato, se pega a este y crea tension en los
enlaces para reducir la E activacion que las moleculas deben absorber para
reaccionar.
* Las enzimas catalizan una reaccion a traves de un ciclo llamado de interacciones
enzima-sustrato:
Paso 1: los sustratos entran al sitio activo con una orientacion especifica.
Paso 2: los sustratos y el sitio activo cambian de forma promoviendo las reaccion
entre los sustratos.
Paso 3: los sustratos, ya unidos, salen de la enzima… la enzima esta lista para
recibir otro conjunto de sustrato.
A las enzimas las distinguen atributos que no tienen los catalizadores no biologicos:
1. Suelen ser muy especificas y catalizan unos cuantos tipos de Rx (generalmente una enzima
cataliza una Rx en la que intervienen una o 2 moleculas especificas; no afecta otras moleculas
similares).
2. La actividad enzimatica (intensificar o suprimir) es regulada por moleculas cuyas Rx las
enzimas catalizan.
Accion Enzimatica
Importante:
Las celulas:
1. Regulan la sintesis de enzimas necesarias.
2. Sintetizan algunas enzimas en forma inactiva y solo las activan cuando
es necesario.
3. Inhiben enzimas cuando ya tienen suficiente cantidad del producto de
una enzima  inhibicion por retroalimentacion = el producto de una enzima
(o el producto de un paso subsiguiente) inhibe la actividad de esta.
- Algunas enzimas estan sujetas a regulacion alosterica (la accion
enzimatica se intensifica o inhibe mediante pequenas moleculas organicas
que actuan como reguladores).
alosterico = “de otra forma”
- Dos o mas moleculas que tienen una estructura un tanto similar compiten
por el sitio activo de una enzima  inhibicion competitiva.
Cada enzima funciona optimamente a un pH, concentracion de sales y
temperatura, dados.
- Otras requieren la presencia de coenzimas para funcionar 
moleculas organicas auxiliares (no metales) que se unen a las enzimas e interactuan con la molecula del
sustrato ayudando a debilitar los enlaces del sustrato para que reaccione con la enzima.
- La mayoria de las enzimas funciona en pH entre 6 a 8 (existe una excepcion la
pepsina se convierte de su forma inactiva a una activa en las condiciones acidas del estomago (pH=2).
Algunas sustancias pueden reaccionar con una enzima y alterar su
conformacion. Resultado: inhibidores de la Rx
pueden pegarse al lugar activo de la enzima, imitando la forma del sustrato o pegandose a otro lugar de
la enzima alterando su forma.
Cofactores = moleculas no proteicas que ayudan a las enzimas en su
actividad (ej. Hierro, cobre, magnesio).
La capacidad de una enzima para catalizar reacciones es
controlada por muchos factores:
1.
Cantidad de enzimas activas presentes
2.
niveles de moleculas reguladoras alostericas
3.
concentracion de moleculas inhibidoras
4.
concentracion de sustratos
5.
pH (el pH optimo para una enzima esta entre 6 a 8)
6.
temperatura (temperatura optima esta entre los 36 a 38 celcius)
7.
ambiente ionico
8.
la presencia de coenzimas
Rutas Metabolicas
La sintesis de moleculas biologicas generalmente requiere de muchos pasos
catalizados por enzimas.
La actividad enzimatica es regulada.
Inhibicion por retroalimentacion: es la
forma comun en que se regula una
enzima: la abundancia del producto
inhibe la produccion de mas producto.
•
A temperatura corporal, las
reacciones espontaneas ocurren
para mantener la vida.
•
La velocidad de las reacciones
generalmente esta determinada por
la cantidad de energia de activacion
requerida para que ocurra.
Condiciones Ambientales:
•
Estructura tridimensional de una enzima es sensitiva al pH,
sales, temperatura y a la presencia de coenzimas.
–
En pH altos o bajos, la estructura de las enzimas es alterada y se destruye
la funcion de la enzima.
La presencia de sales en ambientes enzimaticos destruye la funcion de
las enzimas alterando su estructura.
La funcion optima de las enzimas ocurre dentro de un margen extrecho
de estas condiciones antes mencionadas.
La temperatura tambien afecta la actividad enzimatica.
–
–
–
–
–
Temperaturas bajas desminuyen el movimiento molecular
Temperaturas altas alteran la forma estructural de la enzima destruyendo su funcion.
Metabolismo
Metabolismo: todas las reacciones quimicas que
ocurren en un organismo
Anabolismo: reacciones quimicas que
consumen energia en hacer nuevos enlaces
quimicos
Catabolismo: reacciones quimicas que rompen
enlaces quimicos, liberan energia
Metabolismo
Algunas enzimas requieren de moleculas adicionales
para realizar su actividad enzimatica.
Estas moleculas pueden ser:
-cofactores: usualmente iones de metal,
encontrados en el sitio activo de la enzima y
participando de la catalisis
-coenzimas: moleculas organicas no proteicas,
generalmente utilizadas como donantes o
aceptadores de electrones en reacciones redox.
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Metabolismo
Pasos Bioquimicos: una serie de reacciones e las
que el producto de una de esas reacciones se
convierte en el sustrato de la proxima reaccion.
Los pasos bioquimicos generalmente estan
regulados por inibicion por retroalimentacion
en la cual el producto final de un paso es un
inhibidor alosterico de una enzima anterior en
los pasos.
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Pasos bioquimicos
Inhibicion por retroalimentacion
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