La Energía en los Seres Vivos El Flujo Energético en la Biósfera

La Energía en los Seres Vivos
El Flujo Energético en la Biósfera
Energía y Metabolismo
Enzimas
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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El presente material de trabajo ha sido diseñado con el propósito de orientar
al alumno en el proceso de aprendizaje de la Biología.
El alumno podrá alcanzar un óptimo rendimiento en la cursada de esta materia,
cuando logre una modificación significativa y estable de sus conocimientos y sus pautas
“previas” en lo referente a las Ciencias Biológicas.
Con el objeto de ayudar a superar las dificultades que suelen plantearse durante el
aprendizaje de esta asignatura, se efectúan algunas sugerencias acerca del uso del material
didáctico y de la modalidad de cursada:
-
Lea atentamente los OBJETIVOS y los CONTENIDOS de cada unidad del programa.
Esto le permitirá saber qué se espera que usted pueda lograr mediante el
aprendizaje de la unidad (Objetivos) y qué temas serán tratados durante las clases
(Contenidos).
-
Resuelva la totalidad de los ejercicios, problemas y actividades que se proponen en
cada unidad. Para hacerlo, recurra al material denominado Marco Teórico de la
Unidad, donde encontrará información orientadora.
-
No dude en acudir al docente cada vez que lo crea necesario.
-
Efectúe todas las Autoevaluaciones propuestas. Esto le permitirá hacer una
estimación “propia” acerca de la evolución de sus conocimientos.
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OBJETIVOS:
- Definir energía y ejemplificar sus diferentes formas.
- Enunciar las leyes de la termodinámica y describir su relación con la biología.
- Relacionar la bioenergética con el ecosistema.
- Comprender el concepto de metabolismo.
- Distinguir entre reacciones exergónicas y endergónicas.
- Diferenciar catabolismo de anabolismo.
- Conocer el concepto de enzima y las características de la actividad
enzimática.
- Comprender el mecanismo de regulación enzimática.
CONTENIDOS:
- BIOENERGETICA: Concepto de energía y ejemplos.
- Leyes de la Termodinámica y sus aplicaciones en Biología.
- Ecosistemas: Ciclo de la materia, flujo de energía, cadenas y redes tróficas,
pirámides ecológicas.
- Metabolismo: Catabolismo – Anabolismo.
- Reacciones endergónicas y exergónicas. Energía de activación. Acoplamiento
energético. ATP.
- Enzimas: Definición. Características ( termolabilidad, especificidad, pH),
actividad enzimática, concepto y mecanismos de regulación. Coenzimas.
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FECHA:......................................................................................COMISIÓN: .......................................
Lea atentamente:
En todos los seres vivos ocurren continuamente reacciones bioquímicas indispensables para el
mantenimiento de las funciones vitales. Los organismos incorporan distintas sustancias que son
usadas como “combustible”, en los procesos metabólicos que liberan la energía almacenada en
diferentes compuestos orgánicos. De esta manera, la vida implica un constante intercambio de
materia y energía dentro de la célula, entre las células y de un individuo a otro. Los procesos
metabólicos están sometidos constantemente a mecanismos de autorregulación que mantienen a
los organismos en un estado de equilibrio dinámico.
1- Explique con sus palabras el concepto de ENERGÍA:
..................................................................................................................................................
2- ¿Existen distintas formas de energía?. Ejemplifique.
..................................................................................................................................................
3- Ejemplifique algún proceso de transformación de energía en los seres vivos.
..................................................................................................................................................
4- A partir de la fuente primaria de energía, arme una secuencia de aprovechamiento y
transformación energética, que incluya a productores ,consumidores y descomponedores.
5- Explique a continuación los siguientes enunciados:
“ La energía fluye unidireccionalmente”
..................................................................................................................................................
“La materia recorre el ecosistema en forma cíclica”
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6- ¿Cómo se puede relacionar la materia con la energía en los seres vivos?
..................................................................................................................................................
7- ¿Qué diferencia existe entre una CADENA TRÓFICA y una RED TRÓFICA?
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
8- Lea el Marco Teórico, analice los ejemplos y elabore una nueva cadena trófica.
9- ¿Qué son las PIRÁMIDES ECOLÓGICAS?. Qué tipos hay? Cite ejemplos.
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ALUMNO:.................................................................................. GUIA Nro.:........................................
FECHA:.....................................................................................COMISIÓN:.........................................
10- ¿Conoce las leyes de la termodinámica?. Explíquelas con sus palabras.
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
11- ¿Qué diferencia existe entre un sistema abierto, uno cerrado y otro aislado?
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
12- a) Para completar:
METABOLISMO.......................................................................................................................
CATABOLISMO.......................................................................................................................
ANABOLISMO..........................................................................................................................
REACCIONES EXERGONICAS..............................................................................................
REACCIONES ENDERGONICAS............................................................................................
b) Realice un gráfico que represente la variación de energía durante una reacción perteneciente a una vía
anabólica y otro para una vía catabólica.
13- Incluya los siguientes conceptos en un texto de no más de tres renglones:
Nutrientes (alimento) – Desechos – Anabolismo – Catabolismo – Intermediarios .
...............................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
14- a)Explique con sus palabras qué es una ENZIMA.¿Cuál es su función?
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.............................................................................................................................................................
b)Indique tres características.
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c)Realice un esquema de un modelo de acción enzimática y explíquelo.
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d)¿En qué consiste el mecanismo de regulación alostérica?
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....................................................................................................................................................
....................................................................................................................................................
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15- Cómo influyen las variaciones de pH y temperatura en la acción enzimática? Explique
brevemente.
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ALUMNO:.................................................................................. GUIA Nro.:........................................
FECHA:.......................................................................................COMISIÓN:........................................
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16- Qué diferencia existe entre una coenzima y un cofactor?
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
15- Lea las siguientes definiciones y coloque el concepto correspondiente:
__________: Reacciones químicas por las cuales se combinan sustancias sencillas para formar
otras más complejas.
__________: Transformaciones que permiten la utilización de la materia y energía.
__________: Reacciones químicas por las cuales las sustancias complejas se convierten en otras
más sencillas con liberación de energía.
__________: Grupo de proteínas que catalizan las reacciones químicas.
__________: Iones metálicos que acompañan la acción de una enzima.
__________: Área delimitada que contiene un conjunto de elementos que se encuentran en
constante interacción e intercambian materia y energía con el entorno.
__________: Sucesión ordenada de organismos entre los que fluye energía.
__________: Representaciones gráficas de la red alimentaria.
16- Explique el /los proceso /s metabólico /s evidenciados en el siguiente diagrama:
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ALUMNO:...........................................................................................GUIA Nro.:................................
FECHA:..............................................................................................COMISIÓN:...............................
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CONCLUSIÓN:
a) Redacte con sus palabras una síntesis integradora de los temas desarrollados en esta guía.
Puede confeccionar un mapa conceptual.
b) Construya un GLOSARIO con los términos implicados en este módulo.
c) Proponga algunas lecturas complementarias. ¿Conoce algún material audiovisual relacionado
con esta temática?.
d) Lea atentamente el siguiente texto y subraye las ideas principales.
BIBLIOGRAFIA:
Alberts, Bruce y col. La Célula. Omega.1996.
Blanco, Antonio . Química Biológica. El Ateneo.1997.
Curtis H. Biología. Médica Panamericana. 2000.
Curtis H.y Barnes N. Invitación a la biología. Médica Panamericana. 1997.
De Robertis E.D. y De Robertis E.M. Fundamentos de Biología celular y molecular. El Ateneo. Bs.As. 1999
Karp, Gerard. Biología Celular. Interamericana- Mc. Graw Hill. Chile .1998.
Lehninger y Nelson- Principles of Biochemistry. N York Worth Publishing. USA. 1994.
Smith y Wood, Moléculas Biológicas. Addison-Wesley. Iberoamericana-USA. 1998
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INTRODUCCIÓN
Todos los seres vivos requieren energía para desempeñar sus distintas actividades
tales como crecer, reproducirse, reparar tejidos, moverse, responder a estímulos, etc. La
realización de estas actividades requiere de gran cantidad de reacciones químicas que
ocurren en los organismos. Ese conjunto de transformaciones químicas y energéticas, que
posibilita la vida, constituye el METABOLISMO (ver Unidad 1).
Este conjunto de
reacciones químicas ocurre en el interior de las células, de manera ordenada, posibilitando
la elaboración de moléculas y estructuras indispensables para la subsistencia.
La vida depende de la incorporación constante de energía, ya que los organismos
no pueden crearla ni reciclarla. Esto implica que hay un flujo energético a través de los
seres vivos y a través de la biósfera. La fuente natural de energía para la vida es el Sol,
cuya energía lumínica es captada por los organismos productores y transformada en la
energía química de los enlaces de hidratos de carbono, durante el proceso de fotosíntesis.
Parte de esta energía será transferida a los organismos consumidores y a los
degradadores.
La energía capturada es utilizada para diversas funciones de los
organismos. Durante estos procesos, parte de esa energía se transforma en calor y se
disipa al medio ambiente.
ENERGIA
La palabra energía proviene etimológicamente del griego: en: en ; ergon: trabajo.
El concepto de energía se asocia con un trabajo o actividad, con el movimiento, con su
transferencia, entendemos que puede ser acumulada, y sabemos que para poder producir
un cambio en el estado o movimiento de la materia necesitamos energía. Podemos decir
entonces que
“ La energía es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo”.
Es importante aclarar que también la energía puede estar almacenada o liberarse en
forma de calor.
La energía puede manifestarse en formas muy diversas, por ejemplo:
-
Energía cinética: Es la que posee un cuerpo por estar en movimiento
-
Energía potencial: Es la que tiene almacenada un cuerpo y puede ser gravitatoria
cuando ese cuerpo se encuentra a una determinada altura, o elástica que es la
energía que almacenan los cuerpos elásticos, o bien química que es la energía
asociada a los diferentes materiales en función de su estructura y composición
química.
-
Energía eléctrica: Es la energía almacenada en cuerpos cargados y liberada a
través de flujo de electrones, es decir, corrientes eléctricas.
-
Energía sonora: Es la energía asociada a la propagación del sonido. Se propaga por
medio de ondas mecánicas.
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Energía Lumínica: Es la energía radiante que se manifiesta en forma de luz y puede
provenir de fuentes naturales o artificiales. Se propaga por medio de ondas
electromagnéticas.
La termodinámica es la ciencia que analiza las transformaciones de la energía. Todas
las actividades del universo son regidas por las leyes de la termodinámica desde la vida y la
muerte de un organismo unicelular hasta la vida y la muerte de una estrella.
Primera ley de la Termodinámica
“ La energía puede convertirse de una forma en otra pero no puede ser creada ni destruida”
En cualquier sistema la energía total permanece constante a pesar de los cambios de forma
que ocurran, no se crea ni se destruye, se transforma.
En una reacción química, la energía de los productos de la reacción, mas la energía liberada
de la reacción misma es igual a la energía inicial de las sustancias que reaccionan.
Nosotros, por ejemplo, convertimos energía química en la energía térmica necesaria para
mantener nuestra temperatura corporal, así como en energía mecánica, energía eléctrica y
en otras formas de energía química.
Segunda ley de la Termodinámica
“En todos los intercambios y las conversiones de la energía, si no entra ni sale energía en
el sistema que se estudia, la energía potencial del estado final siempre es menor que la
energía potencial del estado inicial.”
No es posible transformar en trabajo
Se entiende por sistema a toda porción del universo
útil toda la energía involucrada en
que se delimita para ser estudiada.
un cambio, y todos los cambios que
Existen tres tipos de sistemas:
se producen espontáneamente en la
Sistemas cerrados: permiten intercambio de
naturaleza ocurren con disminución
energía, pero no de materia. Por ejemploun termo
de energía porque parte de esa
cerrado, que no intercambia materia con su
energía pasa al ambiente como calor
entorno.
y es irrecuperable para poder realizar
Sistemas abiertos: son los que intercambian materia
un trabajo. Todo cambio espontáneo,
y energía con el medio. Por ejemplo, un ser vivo.
como por ejemplo la caída de una
Sistemas aislados: no hay intercambio de materia ni
piedra, ocurre simultáneamente con
de energía. Son sistemas hipotéticos.
un aumento del desorden molecular,
cuando la piedra choca con el suelo
se caliente, aumenta el movimiento, “el desorden” de las partículas de la piedra y las del
suelo contra el que choco. La energía liberada como calor en una conversión energética no
se destruye sino que “se pierde” para los fines prácticos, deja de estar disponible para
realizar trabajo útil, no es aprovechada, es calor que se disipa. Esta energía cambia a una
forma desordenada denominada entropía o energía inútil. Todos los procesos espontáneos
ocurren con un aumento de la entropía.
La entropía de un sistema es una medida del grado de desorden o de aleatoriedad de ese
sistema. Los procesos físicos y químicos ocurren de forma tal que la entropía del sistema se
incrementa. El universo evoluciona hacia un máximo de entropía.
La segunda ley de la termodinámica es la más interesante desde el punto de vista biológico
y no se contradice con la primera ley, ya que la energía total del universo no disminuye con
el tiempo, lo que ocurre es que la cantidad de energía disponible para hacer un trabajo sufre
su degradación hasta convertirse en un movimiento molecular desordenado, aleatorio.
Los seres vivos estamos en constante lucha contra la segunda ley de la termodinámica, los
ecosistemas y los organismos vivos que los habitamos dependemos de un continuo
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suministro de energía que se transfiere desde los productores a los consumidores y
descomponedores.
En la biosfera una parte de la energía solar es captada por los organismos fotosintéticos y
transformada por estos en moléculas orgánicas que almacenan energía química que es
transferida al resto de los seres vivos que la consumen recorriendo así el ecosistema y parte
de la misma es cedida al medio en forma de calor.
La Energía Solar
El Sol es la estrella más cercana a la tierra y está constituido por diversos
componentes y fundamentalmente por la acumulación de grandísimas cantidades de
partículas atómicas de hidrógeno y de helio a muchos millones de grados centígrados de
temperatura. La presión también es alta, de un billón de kilogramos por centímetro
cuadrado.
La energía solar que llega a la tierra es producida como consecuencia de las
continuas reacciones de fusión nuclear que ocurren en el núcleo esférico del sol que es de
varios miles de kilómetros de tamaño. La principal de estas fusiones ocurre cuando lo
núcleos de hidrógeno se unen para formar un núcleo de helio. Hay opiniones diversas sobre
el grado de mezcla del núcleo de helio con los demás componentes. Como consecuencia
de las reacciones que ocurren (radiación protón-protón) que convierten el hidrógeno en
helio, la energía del sol es transformada en energía radiante, que es emitida al espacio en
forma de luz.
El sol transforma la energía nuclear en energía radiante.
La energía solar llega a la tierra en forma de radiaciones electromagnéticas. De
todas estas radiaciones, constituidas por los rayos infrarrojos, los rayos gamma, los rayos X,
los rayos ultravioletas, y la luz visible, es solo la luz visible la única forma de energía
utilizada por los vegetales.
El Sol y los Seres Vivos
El sol es la fuente primaria de energía para todos los seres vivos. La vida sobre la
tierra depende de la energía radiante del sol.
Todos los seres vivos necesitan energía para realizar sus funciones.
Solo una pequeña cantidad de la energía lumínica que llega a la tierra es utilizada por las
plantas y las algas, organismos autótrofos, para transformarla en energía química mediante
el proceso de fotosíntesis. Los heterótrofos, incapaces de poder transformar la energía
lumínica en energía aprovechable, obtienen energía consumiendo alimentos, es decir
alimentándose de los autótrofos o de otros heterótrofos.
El calor que recibimos del sol mantiene la temperatura de la tierra, permitiendo la
vida de los distintos seres vivos, pero esa energía calórica no es utilizada por las plantas o
por los animales, como energía útil para producir un trabajo.
La energía proveniente del sol es captada por los organismos fotosintetizadores y
transformada en energía química. Esta fluye unidireccionalmente a través de los organismos
de un nivel trófico a otro y hacia el ambiente, ya que la mayor parte de la energía química se
utiliza en el metabolismo y se disipa en forma de calor.
De la energía que llega a la tierra, la mitad no tiene la longitud de onda utilizable
para poder hacer fotosíntesis, y la otra mitad, del 47% al 49,9% se pierde por reflexión,
absorción pasiva y transmisión; tan solo del 0,1% al 3% es fijado por las plantas. Los
porcentajes promedios del total de energía lumínica utilizada para la fotosíntesis difieren
muy poco entre los distintos autores.
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La figura representa un modelo aceptable de
cantidad de energía lumínica sobre la tierra.
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los porcentajes promedio de la
Distribución de la energía lumínica sobre la tierra
ENERGÍA Y ECOSISTEMAS
¿Qué es un ecosistema?
El ecosistema o sistema ecológico es ante todo un sistema abierto, es decir, un
conjunto de elementos o partes que se encuentran en constante interacción, intercambiando
materia y energía con el entorno.
El ecólogo inglés A. G. Tansley consideró a los animales y a las plantas, junto a los
factores físicos que los rodean, como sistemas ecológicos y fue quien denominó a este
concepto ecosistema, que él interpreta como la unidad fundamental de la organización
ecológica.
Dicho en otras palabras, un ecosistema es un área delimitada, en forma natural o
artificial, con contornos bien definidos, dentro de los cuales las interacciones que ocurren
entre los organismos, y entre los organismos y el medio físico que los rodea, son máximas.
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ECOSISTEMA
FACTORES
FACTORES
ABIÓTICOS
BIÓTICOS
BIOTOPO
BIOCENOSIS
Interacciones entre los componentes de un ecosistema
Los elementos constituyentes del ecosistema son los seres vivos y los componentes
no vivos de la naturaleza.
Los factores bióticos, son los componentes vivos, como los animales, las plantas y
los microorganismos.
Cabe aclarar que los individuos de la misma especie se agrupan formando
poblaciones, y éstas a su vez forman comunidades. El conjunto de todas las comunidades
de un ecosistema se denomina biocenosis.
Los factores abióticos, son los componentes no vivos, como el suelo, el agua, el
aire etc.
El conjunto de los factores abióticos que forman el ambiente recibe el nombre de
biotopo.
Algunos ejemplos de ecosistemas
Los ecosistemas presentan tanto límites naturales, como límites establecidos en forma
arbitraria para su estudio. Citaremos algunos ejemplos de ecosistemas naturales: un pastizal
pampeano, la laguna de Chascomús, el bosque andino-patagónico, el delta del Paraná, el parque
Chaqueño y el ecosistema del litoral atlántico, entre otros. Dentro del ecosistema bosque podemos
aislar para su estudio un árbol caído, que constituye por si mismo un ecosistema.
El gran ecosistema o bien, el conjunto de todos los ecosistemas terrestres es la biósfera.
Existen también ecosistemas artificiales, creados por el hombre, que pueden ser
microecosistemas como los terrarios, los acuarios, los lumbricarios etc. o macroecosistemas,
también creados por el hombre, como un campo de cultivo, una represa, en estanque etc.
También podemos citar como ejemplo a una cuidad, pero debemos aclarar que, en ese caso,
no se trata de un ecosistema autosustentable porque necesita intercambiar materia y energía con
ecosistemas vecinos.
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Análisis funcional del ecosistema
Desde el punto de vista funcional, un ecosistema puede analizarse apropiadamente
en los siguientes aspectos:
a) Flujo de la energía: La energía lumínica es esencial para el funcionamiento de los
distintos ecosistemas terrestres. Como ya hemos dicho, la energía solar llega a la
tierra, y una parte de ella es captada, transformada, utilizada y devuelta, en parte, en
forma de calor. Atraviesa los ecosistemas, ya que fluye unidireccionalmente, en
forma irreversible y prácticamente inagotable.
b) Ciclos de la materia: La materia recorre el ecosistema en forma cíclica. Los
productores sintetizan materia orgánica a partir de materia inorgánica. La materia
orgánica es consumida por los distintos niveles de consumidores y los restos
degradados, transformados en materia inorgánica por los descomponedores, son
incorporados al suelo para ser utilizados nuevamente por los productores.
c) Cadenas tróficas: Es la secuencia de relaciones alimentarias a través de las
cuales pasa la materia y la energía en el ecosistema. Este concepto será
desarrollado en las siguientes páginas.
d) Desarrollo y evolución: El ecosistema no es una organización estática, sino por el
contrario, se trata de un estado dinámico en el que en forma permanente se realizan
transformaciones que implican una evolución en el tiempo.
Flujo de energía en el ecosistema
En el ecosistema, el "orden" es mantenido por el constante aporte de energía. La
biósfera, los distintos ecosistemas y los organismos son capaces de crear y mantener un
grado elevado de orden interior por medio de una asimilación continua de energía de útil
(lumínica, química) que se disipa al medio como energía no útil (calor).
El fluir de la energía es hacia un estado cada vez menos disponible y más disperso.
La tierra dista mucho de encontrarse en un estado es estabilidad con respecto a la energía,
porque hay una gran cantidad de energía potencial y diferencias de temperatura que se
mantienen por la continua corriente de energía que nos llega del sol.
De toda la energía que incide sobre la tierra, solo una porción muy pequeña es
absorbida por los productores que sintetizan la materia orgánica a partir de materia
inorgánica, mediante la captación de energía lumínica que transforman en energía química.
Pero solo una parte de esta energía se transforma y transfiere al alimento, el resto de la
energía química será utilizada por ellos mismos y otra parte se disipa al medio en forma de
calor. Los consumidores herbívoros incorporan como alimento la materia orgánica elaborada
por fotosíntesis, y los carnívoros se alimentan de los herbívoros o de otros carnívoros. Los
descomponedores incorporan materia orgánica en estado de descomposición o
putrefacción, convirtiéndola
en materia inorgánica. Los consumidores y los
descomponedores también, como aclaramos en los productores, realizan transformaciones
de energía útil en calor.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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De toda la energía retenida por los productores, el 90% es utilizada por ellos para
mantener sus funciones vitales y para su funcionamiento en general, y parte retorna al
medio
en forma de calor. Solo el 10% queda disponible para el consumidor herbívoro. De la
energía que recibe el consumidor primario, que para él representa el 100% puesto que es
todo lo que obtiene, con el 90% satisface sus propios requerimientos energéticos
(movimientos, funciones vitales, digestión, respiración, excreción, reparación celular, etc.) y
como en cada reacción metabólica parte de esa energía útil se transforma en calor, solo el
10% queda retenido en su biomasa, es decir, es la cantidad de energía que pasa al consumidor
de segundo orden. El proceso se repite en igual proporción al transferirse la energía al
consumidor de tercer orden, y así, hacia todos los integrantes de la cadena trófica.
Queda claro entonces, por qué afirmamos que la energía fluye en el ecosistema en una
sola dirección y que es imposible su reciclado. En cada nivel trófico los organismos reciben
más energía que la que pueden convertir en biomasa. Por lo tanto, cuantos más pasos se
produzcan entre el productor y el consumidor final, la energía que queda disponible es menor.
También de esto se deduce la imposibilidad de que las cadenas tróficas estén compuestas por
muchos niveles de consumidores. Rara vez existen más de cuatro o cinco niveles en una
cadena trófica.
C
A
L
O
R
SOL
PRODUCTOR
CONSUMIDOR
PRIMARIO
CONSUMIDOR
SECUNDARIO
CONSUMIDOR
TERCIARIO
DESCOMPONEDORES
Flujo de la energía en el ecosistema
Ciclo de la materia
Los productores utilizan sustancias inorgánicas presentes en el suelo y en el aire
para poder realizar la fotosíntesis y así transformar esos compuestos en sustancias
orgánicas que serán utilizados por ellos mismos y por los consumidores.
La materia incorporada como alimento por los distintos consumidores, servirá como
materia prima necesaria para poder realizar todas sus funciones vitales y les permitirá
obtener energía mediante la realización de distintos procesos metabólicos.
Los descomponedores actúan sobre los restos de vegetales y animales muertos
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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transformando sus compuestos orgánicos en sustancias inorgánicas que vuelven al suelo y
al aire para poder ser nuevamente utilizados por los productores.
PRODUCTORES
MATERIA
INORGÁNICA
CONSUMIDORES
MATERIA
ORGÁNICA
DEGRADADORES
Ciclo de la Materia
Cadenas tróficas
Las interrelaciones tróficas (del gr.trofos: alimento) que ocurren
entre los
organismos, permiten que la materia y la energía estén en constante dinámica en el
ecosistema.
Estas interrelaciones tróficas determinan una transferencia permanente de la materia
y de la energía acumulada en ella, de unos seres vivos a otros, que de esta manera
aseguran su supervivencia.
Una cadena trófica es una sucesión ordenada de organismos, en la que cada uno de
sus integrantes se alimenta del que lo precede y es comido por el que lo sigue.
Toda cadena trófica comienza por los productores, que constituyen el primer nivel
trófico, los organismos que se alimentan de ellos, se denominan consumidores de primer
orden, son los herbívoros, y representan el segundo nivel trófico de la cadena. Estos a su
vez son alimento de los consumidores de segundo orden, que son carnívoros y constituyen
el tercer nivel trófico de la cadena y sirven de alimento a consumidores de tercer orden que
en ese caso constituirían el cuarto nivel trófico.
Todos los individuos de cada nivel, son sustrato de los descomponedores.
Es innumerable la cantidad de ejemplos de cadenas tróficas que podemos establecer
en los distintos ecosistemas, pero daremos uno de una cadena trófica del ambiente
aeroterrestre y otro del ambiente acuático:
Trigo
Langosta
Araña
Benteveo
Comadreja
Descomponedores
Representación gráfica de una cadena trófica del ambiente aeroterrestre
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Fitoplancton
Pulga de
agua
Camarón
Mojarra
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Chanchita
D e s c o m p o n e d o r e s
Representación gráfica de una cadena trófica del ambiente acuático
Es importante tener en cuenta para la construcción de una cadena trófica que:
• Toda cadena trófica comienza por un productor.
• Los distintos niveles tróficos se unen con flechas que van desde el que es comido
hacia el que come, desde la presa al predador, es decir en la dirección en que
fluye la energía.
• Los organismos descomponedores actúan sobre los restos de vegetales y
animales muertos, por lo tanto deben llegar a éstos flechas desde todos los
niveles tróficos integrantes de la cadena.
• La cantidad de niveles tróficos no es indefinida. Ya hemos analizado de que
manera ocurre la transferencia energética entre los distintos niveles, lo que
imposibilita la presencia de gran cantidad de niveles de consumidores.
A través de una cadena trófica podemos estudiar de manera acotada a un
ecosistema, pero es solo una abstracción teórica, ya que en la naturaleza, más
precisamente en los ecosistemas, las cadenas se encuentran interrelacionadas entre sí
constituyendo redes tróficas.
Redes tróficas
En la naturaleza la comunidad biótica esta muy estructurada de forma tal que se da
un gran número de interrelaciones tróficas entre los organismos.
En las redes tróficas, cada eslabón u organismo de una cadena se enlaza con otro
eslabón u otros eslabones de otras cadenas, formándose así un entramado complejo.
También quedan incluidos en éstas múltiples interrelaciones los organismos
descomponedores.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
Langosta
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Mantis
Araña
Yarará
Perdiz
Sapo
Hierbas
Ratón
Calandria
Vizcacha
Carancho
Zorro
Conejo
Representación gráfica de una red trófica del ambiente terrestre
Gracias a que en un ecosistema ocurren estas interrelaciones, se asegura la
estabilidad del mismo. Si por alguna razón cualquiera de los componentes de una de las
cadenas de la red desapareciera, su predador no moriría porque cuenta con otras
alternativas de alimentación.
Supongamos que por alguna razón, por ejemplo una enfermedad, todos los
consumidores primarios de una cadena desaparecieran. En la red esta situación traerá solo
algunas dificultades transitorias para el conjunto de los consumidores secundarios, ya que
pronto desviarán sus intereses alimentarios hacia otra fuente, estableciéndose otros
mecanismos de regulación en toda la red que llegará a un nuevo punto de equilibrio.
PINGUINO
EMPERADOR
CALAMARES
FITOPLANCTON
ZOOPLANCTON
PETREL
PEZ DRAGÓN
LARVAS DE
PECES
PINGUINO
SKUA
FOCA DE
WEDDEL
FOCA DE
ROSS
FOCA
CANGREJERA
Un ejemplo de red
trófica del ambiente
acuático
BALLENA AUL
LEOPARDO
MARINO
ORCA
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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Pirámides ecológicas
Son la representación gráfica en forma de pirámide, de la red alimentaria. Se
construyen agrupando a los organismos pertenecientes a un mismo nivel trófico. En la base
de la pirámide se coloca siempre a los productores y en los escalones superiores a los
sucesivos niveles tróficos. Cada pirámide representa un sistema particular en un período de
tiempo determinado y permiten la comparación de diferentes comunidades.
Según las características que se consideren se pueden realizar tres tipos diferentes
de pirámides ecológicas:
• Pirámide de números.
• Pirámide de biomasa.
• Pirámide de energía.
No consideramos para la construcción de ninguna de las tres pirámides ecológicas a
los descomponedores porque su número es tan grande y su peso tan pequeño que no
podrían graficarse convenientemente. Aun en el caso de las pirámides de la energía la
consideración de éstos implica problemas para su construcción.
Pirámide de números:
Expresan el número de individuos de cada nivel trófico.
Para su construcción debemos sumar el número de individuos de cada nivel trófico y
asignarle un escalón a cada nivel. Siempre la base de la pirámide será ocupada por los
productores.
Los datos empleados se toman por medio de distintos tipos de muestreos de las
poblaciones vegetales y animales. Los resultados se expresan en número de individuos por
metro cuadrado o metro cúbico según se trate de comunidades terrestres o acuáticas.
Este tipo de pirámide ecológica sirve para ilustrar la estructura de la comunidad, pero
no resultan apropiadas si lo que se busca es comparar distintos ecosistemas. Según los
datos recogidos estas pirámides pueden darse en forma invertida y no reflejan las
interacciones reales que hay en el ecosistema en estudio.
C3 : 50 Individuos /m2
C2 : 560.000 Ind./ m2
C1 : 1.120.000 Ind./ m2
P : 3.249.000 Ind./ m2
Representación gráfica de una pirámide de números
C2: Oso hormiguero, 1.
C1: Hormigas, 1.350.000.
P: Árboles, 1
Representación gráfica de una pirámide de números invertida.
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Pirámide de biomasa
Para la construcción de estas pirámides es necesario saber el peso seco (una vez
eliminada el agua) de una muestra de los organismos presentes en cada nivel trófico,
calculando a partir de este dato la biomasa total.
La magnitud representada se expresa con las unidades convenientes para cada
caso, por ejemplo: gr/cm2 , kg/m2, etc.
C2: Ballena, 25.000
C1: Zooplancton, 7.900
P: Fitoplancton, 5300
Representación gráfica de una pirámide de biomasa invertida
C2: Benteveos, 4
C1: Langostas, 125
P: Maíz, 524
Representación gráfica de una pirámide de biomasa
Como hemos podido observar en las figuras precedentes la utilización de este tipo
de pirámide tiene sus limitaciones. Tanto las pirámides de números como las de biomasa,
pueden dar invertidas y no nos indican dinamismo, velocidad ni renovación del ecosistema.
Para representar y poder observar la dinámica de un ecosistema se utilizan las
pirámides de energía.
Pirámide de la energía
Se construyen teniendo en cuenta la productividad de cada nivel trófico expresada en
calorías o en kilocalorías por unidad de superficie y de tiempo. Por ej. 454.000 kcal/m2/año.
Aunque ya ha sido explicado en el fluir de la energía en los ecosistemas, recordemos
que, de la energía retenida por los productores, el 90 % es usada por los organismos de
este nivel trófico para su funcionamiento y que parte de esa energía se disipa al medio en
forma de calor. Solo un 10 % queda disponible para el consumidor primario. El proceso de
transferencia energética se repite en igual proporción al transferirse la energía desde los
consumidores primarios a los secundarios, de éstos a los terciarios y así sucesivamente.
Aclaremos que no se tienen en cuenta en la transferencia de energía a los parásitos
(virus, bacterias y hongos, etc), que pueden actuar sobre todos los organismos vivos de los
distintos niveles tróficos.
Si consideramos por ejemplo que una x cantidad de plantas retienen 6500000
kcal/m2/ año, podremos deducir qué cantidad de energía recibe el consumidor ubicado en el
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último nivel trófico. Supongamos que dicha cadena esta constituida por cinco niveles
tróficos, el consumidor primario recibirá 650000 kcal/m2/ año, de esta energía el consumidor
secundario solo recibe 65000 kcal/m2/ año, de las cuales transferirá 6500 kcal/m2/ año al
consumidor
terciario; el ubicado en el último nivel trófico, es decir el consumidor cuaternario, sólo obtiene
650 kcal/m2/ año.
Cabe aclarar que el modelo descripto representa un ideal en cuanto a la cantidad de
energía transferida de un nivel trófico a otro, debido a que la productividad de cada nivel
trófico varia entre un 5 y un 20%.
Se considera eficiencia ecológica o eficiencia de la cadena alimentaria al porcentaje
de energía transferido desde un nivel trófico al siguiente.
C4: 650 kcal/m2/ año
C3: 6.500 kcal/m2/ año
C2: 65.000 kcal/m2/ año
C1: 650.000 kcal/m2/ año
P: 6.500.000 kcal/m2/ año
Energía
acumulada
Representación de una pirámide de energía. Obsérvese en negro la energía
acumulada y transferida.
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ENERGÍA Y METABOLISMO
Metabolismo
Ya hemos mencionado que la realización de las actividades de los seres vivos
requiere de gran cantidad de reacciones químicas que ocurren en los organismos. Ese
conjunto de transformaciones químicas y energéticas, que posibilita la vida, constituye el
metabolismo.
Las reacciones metabólicas se diferencian en dos tipos principales: las catabólicas
y las anabólicas
Las primeras son reacciones de degradación de moléculas complejas como
monosacáridos, lípidos, polisacáridos, etc. , y esas sustancias son transformadas en
moléculas más simples como dióxido de carbono, agua, amoniaco etc. Debido a que las
moléculas complejas poseen una cierta cantidad de energía (que se requirió para su
construcción), la degradación de las mismas libera esa energía, por lo tanto son reacciones
de tipo exergónico. El conjunto de las reacciones catabólicas recibe el nombre de
catabolismo.
Las reacciones anabólicas: son de síntesis de moléculas relativamente complejas
como proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos, etc., a partir de moléculas más sencillas,
como dióxido de carbono, agua, nitratos, etc. Además, necesitan que se les proporcione
energía, por lo cual son endergónicas. El conjunto de las reacciones anabólicas se
denomina anabolismo.
Acoplamiento energético
Por sus características energéticas, estos dos tipos de reacciones son
interdependientes o complementarias: las anabólicas se realizan con parte de la energía
liberada por las catabólicas, es decir, están acopladas. Este acoplamiento energético está a
cargo de una molécula intermediaria que, generalmente, es la molécula de ATP (adenosíntri-fosfato), un nucleótido libre (ver Nucleótidos, Unidad 2).
Fórmula química del ATP: una molécula
de adenina (izquierda)está unida a una
ribosa (glúcido de cinco carbonos, en el
centro de la molécula) y ésta, a su vez, se
une
a tres grupos fosfato.
Representación esquemática del ATP:
las dos últimas uniones de los grupos
fosfato (P) son enlaces de alta energía
por lo que no se representan con líneas
rectas. Estas uniones químicas requieren
gran cantidad de energía para formarse,
y, por lo tanto, liberan mucha energía
cuando se desprende un fosfato .
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El ATP es conocido como la moneda
energética de las células, pues
“compra” energía a las reacciones
catabólicas que la desprenden, la
transporta en sus enlaces de alta
energía y las
“vende” a las
reacciones anabólicas que la utilizan,
desprendiéndose de un grupo fosfato.
Se transforma, entonces, en ADP
(adenosín –di-fosfato) más un fosfato
inorgánico liberado.
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Las reacciones catabólicas suelen ser
procesos de oxidación, mientras que las
anabólicas son, generalmente, reacciones de
reducción. Las moléculas que se oxidan, son las
que pierden electrones al romperse sus enlaces
químicos. Estos electrones son ganados por otras
moléculas, que entonces se reducen. Por esto, la
oxidación y la reducción ocurren simultáneamente.
El ATP es el
intermediario que transporta
la energía –en sus enlaces de
alta energía- liberada por la
ruptura de uniones químicas
en
las
reacciones
catabólicas. La lleva a las
reacciones anabólicas, que
la requieren para la
formación de nuevos enlaces
químicos.
La Energía en las Reacciones Químicas
Una reacción química es la transformación de una o más sustancias llamadas
reactivos en otra u otras llamadas productos. La estructura molecular y las propiedades de
reactivos y productos son diferentes.
transformación
REACTIVOS
PRODUCTOS
En la naturaleza, las reacciones ocurren junto a la transferencia de calor hacia el
entorno o bien la absorción de calor desde éste. Las reacciones en que se disipa calor al
ambiente se llaman exotérmicas y son equivalentes a las ya mencionadas reacciones
exergónicas. Aquellas en las que hay absorción de calor, se denominan endotérmicas y
equivalen a las endergónicas.
Cada reacción química ocurre a una determinada velocidad. La cantidad de reactivo
que se transforma en producto durante una cierta unidad de tiempo es la velocidad de la
reacción.
Para iniciar una reacción, es necesario modificar los enlaces químicos de las
sustancias reaccionantes. Esta “activación” molecular requiere cierta absorción de energía
por parte de los reactivos, que se llama energía de activación ( Ea ). Es la energía
necesaria para que se desencadene una reacción química.
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En la materia inerte, las reacciones ocurren a muy baja velocidad, ya que se necesita una
gran energía de activación para provocarlas.
Una forma de aumentar la velocidad de una reacción, radica en proporcionar energía a los
reactivos para acelerar su transformación en productos, es decir modificar la energía de
activación. Esto puede lograrse, por ejemplo, entregando calor al sistema reaccionante.
Las moléculas tienen un cierto contenido energético propio (dado, entre otras cosas,
por los movimientos de sus electrones, etc. ) En el caso de las sustancias reaccionantes, se
denomina Energía Inicial ( Ei ), y, en el caso de los productos, Energía Final (Ef ).
En las reacciones exergónicas se libera energía, por lo que la Ef del sistema es menor que
la Ei. En las reacciones endergónicas hay un suministro neto de energía y, por lo tanto, el
contenido energético de los productos ( Ef ) es mayor que el de los reactivos ( Ei ).
ENERGÍA
Ea
REACCIÓN EXERGÓNICA
La E inicial es mayor que la E
final. Necesita E de activación
para la transformación de
reactivos en productos.
E i
E f
CURSO DE LA REACCIÓN
ENERGÍA
REACCIÓN ENDERGÓNICA
La E inicial es menor que la E
de los productos. Requiere de
un aporte neto de energía,
además de la de activación.
E a
E f
E i
CURSO DE LA REACCIÓN
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Las Enzimas: catalizadores biológicos
Como ya se ha mencionado, una
forma de aumentar la velocidad de una
reacción es proporcionar energía calórica a
los reactivos para acelerar su transformación
en productos. Sin embargo, esto no es
posible en el caso de las reacciones
metabólicas de los seres vivos, ya que las
altas temperaturas desnaturalizan sus
proteínas (ver Desnaturalización, Unidad 2).
En las células, las transformaciones
químicas son muy rápidas; ocurren en
minutos o en segundos. Además, las
temperaturas de los organismos vivos no
suelen sobrepasar los 45º C. Todo esto es
posible debido a la presencia de las
enzimas : moléculas proteicas que catalizan
(aceleran) las reacciones bioquímicas y
regulan el metabolismo.
El mecanismo de acción de las
enzimas se basa en la reducción de la
energía de activación requerida para
modificar los enlaces de las moléculas
reaccionantes.
Mecanismo de Acción
Enzimática
La Curva A representa
una reacción química no
catalizada . La Curva B
representa la misma
reacción en presencia de
enzimas. La energía de
activación de B es mucho
menor que la de A, por lo
cual la reacción ocurre
mucho más rápidamente.
Gran parte de la historia de la
bioquímica es la historia de la investigación de
las enzimas. El nombre enzima (en la levadura )
no se empleó hasta 1877, pero mucho antes ya se
sospechaba que ciertos catalizadores biológicos
intervenían en la fermentación del azúcar para
formar alcohol. La primera teoría sobre la
catálisis química, publicada por J. J. Berzelius
en 1835, señalaba que la hidrólisis del almidón
se cataliza por la enzima diastasa con más
eficacia que por el ácido sulfúrico. Luis Pasteur
reconoció que la fermentación es catalizada por
enzimas y postuló, en 1860, que éstas se hallaban
ligadas con la estructura de las células vivas de
la levadura. Por ello, fue un logro importante
que, en 1897, E. Büchner consiguiera “extraer”
las enzimas que catalizan la fermentación
alcohólica de las células de levadura. Esto
demostraba que las enzimas pueden actuar
independientemente de la estructura celular. En
1926 J. B. Sumner aisló por vez primera la
enzima ureasa en forma cristalina y demostró
que los cristales se hallaban constituidos por
proteína, contrariamente a la opinión que
prevalecía en la época. Sus puntos de vista no
fueron aceptados inmediatamente. Recién entre
1930 y 1936,
Northrop aisló la pepsina
cristalizada, la tripsina y la quimiotripsina, y
quedó bien establecida la naturaleza proteica de
las enzimas.
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Las enzimas disminuyen la energía de activación de los reactivos facilitando la
modificación de sus enlaces químicos y el desarrollo de la reacción.
Esto se logra ya que la enzima “reconoce” al reactivo como su sustrato, se une a él y forma
un complejo. Así, se facilita el choque efectivo entre moléculas reaccionantes y se forma el
producto. La enzima ya no reconoce al reactivo transformado y lo libera, quedando lista
para catalizar una nueva transformación.
La teoría supone que el enzima E se combina en primer lugar con el sustrato S para formar
el complejo enzima-sustrato ES; a continuación este último se separa en una segunda
etapa, para formar enzima libre y producto P:
E + S ←→ [ES] ←→ E + P
Las enzimas se designan
añadiendo el sufijo -asa al nombre
del sustrato cuya transformación
catalizan. Por ejemplo, la ureasa
cataliza la hidrólisis de la urea
produciendo amoníaco y dióxido de
carbono; la arginasa, cataliza la
hidrólisis de la arginina a ornitina y la
fosfatasa, cataliza la hidrólisis de las
uniones entre fosfatos..
La zona de la molécula enzimática que se
une al sustrato se conoce como sitio activo de la
enzima. Este sitio es sumamente específico,
determina que la enzima pueda unirse a un cierto
sustrato y no a otro.
La enzima no se une en forma permanente al
sustrato ni es alterada durante la reacción. Como
catalizador, sólo modifica la velocidad de la
reacción, no altera las condiciones iniciales de los
reactivos ni las finales de los productos. Además,
no
posibilita
reacciones,
solo
acelera
transformaciones que, de todos modos, hubieran ocurrido, pero mucho más lentamente.
Sitio Activo
de la Enzima
Sustrato
Complejo
Enzima-Sustrato
Enzima
Productos
El sustrato se une al
sitio activo de la
molécula enzimática,
formándose el complejo
enzima-sustrato.
Luego, ocurre la
transformación química
y se forman los
productos, que se
separan de la enzima.
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Los sitios activos se localizan sobre la superficie de las moléculas enzimáticas. La
forma en que se unen enzima y sustrato se explica mediante dos modelos.
El más antiguo es el Modelo Llave-Cerradura, que propone que los sitios activos de las
enzimas son como cerraduras de estructura fija, mientras que los sustratos son como llaves
que encajan perfectamente en ellas.
Más recientemente, se ha propuesto el Modelo de Encaje Inducido. Éste propone que
cuando un sustrato se combina con una enzima, pueden inducirse cambios en la forma de la
molécula enzimática, ya que los sitios activos no serían rígidos como una cerradura. Los
cambios en la conformación de la enzima
provocarían tensión en los enlaces del
MODELO
Sustrato
sustrato favoreciendo su ruptura y, por lo
LLAVE-CERRADURA
tanto, su transformación en producto.
Enzima
Complejo
MODELO
ENCAJE INDUCIDO
Sustrato
Enzima
Dos modelos para explicar la interacción
enzima-sustrato.
Complejo
Los principios generales de la cinética de las reacciones químicas son aplicables a las
reacciones catalizadas por las enzimas,
pero éstas muestran también un rasgo
característico, que no se observa en las
reacciones
no
enzimáticas:
la
saturación con el sustrato.
En la figura se ve el efecto de la
3
concentración del sustrato sobre la
velocidad de la reacción catalizada por
un enzima. A una concentración de
2
sustrato baja, la velocidad inicial de la
reacción es casi proporcional a la
concentración del sustrato (zona 1 de la
curva).
Sin embargo, a medida que la
1
concentración de sustrato aumenta, la
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velocidad inicial de la reacción disminuye
y deja de ser aproximadamente
El efecto de saturación condujo a
proporcional a la concentración de
algunos de los primeros investigadores a
sustrato (zona 2).
postular que la enzima y el sustrato reaccionan
Con un aumento posterior de la
reversiblemente para formar un complejo
concentración del sustrato, la velocidad
durante la reacción.
de la reacción llega a ser esencialmente
L. Michaelis y M. L. Menten desarrollaron, en
independiente de la concentración de
1913, una teoría general acerca de la acción de
sustrato y se aproxima asintóticamente a
las enzimas, la cual, fue ampliada
una velocidad constante (zona 3). Se
posteriormente por G. E. Briggs y J. B. S.
dice entonces que el enzima se halla
Haldane. Esta teoría, que es fundamental para el
saturada con su sustrato. Esto implica
análisis cuantitativo de todos los aspectos de la
que toda la enzima disponible está
cinética de las enzimas, se ha desarrollado
catalizando y, por más que se disponga
plenamente para el caso sencillo de una reacción
de mucho sustrato, el sistema ha llegado
en la que sólo hay un sustrato. La teoría de
a
una
velocidad
máxima
de
Michaelis~Menten supone que el enzima E se
transformación.
Todas las enzimas
combina en primer lugar con el sustrato S para
muestran el efecto de saturación, pero
formar el complejo enzima-sustrato ES; a
varían ampliamente con respecto a la
continuación este último se escinde en una
concentración de sustrato que se necesita
segunda etapa, para formar enzima libre y
para que se manifieste.
producto P: E + S ←→ [ES] ←→ E + P
El valor conocido como KM
Los estudios de Michaelis y Menten sobre
representa la concentración de sustrato
cinética enzimática llevaron a desarrollar una
correspondiente a la mitad de la velocidad
ecuación de velocidad para reacciones. El KM o
máxima de la enzima, es decir, la mitad
constante de Michaelis-Menten surge de esa
de la velocidad máxima de transformación
ecuación.
de sustrato en producto. El valor del KM
de una enzima indica el grado de afinidad de ésta por su sustrato; en otras palabras,
qué tanto sustrato necesita una enzima para
actuar a una velocidad media.
Sistemas multienzimáticos
Las enzimas son las unidades catalíticas del metabolismo. Actúan, normalmente, de
modo secuencial, catalizando reacciones consecutivas conectadas por intermediarios
comunes, de modo que el producto de la primer enzima es el sustrato del siguiente, y así
sucesivamente. Los sistemas enzimáticos pueden comprender desde 2 hasta 20 o más
enzimas actuando en una secuencia. La mayor parte de las reacciones consecutivas del
metabolismo, implican transferencia enzimática de átomos de hidrógeno, de moléculas de
agua o de unidades funcionales específicas como grupos amino, acetilo, fosfato, metilo,
carboxilo, etc.
En los sistemas más sencillos, las enzimas individuales están disueltas en el
citoplasma como moléculas independientes, no asociadas unas con otras en ningún
momento durante su actuación. Los intermediarios en un sistema enzimático de esta
naturaleza, que son, generalmente, moléculas mucho menores que las de enzimas y poseen
por tanto velocidades de difusión elevadas, se difunden muy rápidamente desde una
molécula enzimática a la siguiente de la secuencia.
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Modificaciones de la Actividad Enzimática
Las enzimas actúan mejor cuando se encuentran en un entorno de condiciones bien
definidas, llamadas condiciones óptimas, como ser una temperatura apropiada, determinado
pH (grado de acidez de una solución acuosa), una cierta concentración de sales, etc.
Cualquier variación de esas condiciones afecta la actividad enzimática.
Por ejemplo, las enzimas presentes en nuestra saliva, trabajan a un pH casi neutro
catalizando la degradación de ciertas moléculas del alimento. Cuando el bolo alimenticio
llega al estómago, el pH es muy ácido y esas enzimas ya no tendrán actividad allí. En el
estómago, actuarán otras enzimas cuyo pH óptimo es ácido.
Efecto del pH
La mayoría de las enzimas
poseen un pH característico al cual su
actividad es máxima; por encima o por
debajo de ese pH la actividad
disminuye. Por ejemplo, la tripsina es
una enzima pancreática que cataliza
la ruptura de proteínas y su pH óptimo
es de 8,5. La pepsina, en cambio, es
una enzima digestiva del estómago
que también cataliza la ruptura de
enlaces peptídicos, pero su actividad
es óptima a pH ácido, 2.
El pH óptimo de una enzima no
es necesariamente el pH de su
entorno intracelular. Esto sugiere que
la relación pH-actividad normal puede
constituir un factor de control
intracelular de su actividad, ya que si
la enzima abandona el compartimiento
en el que ejerce su acción habitual, el
cambio de pH impedirá que tenga
actividad en otro sitio.
Efecto de la Temperatura
Normalmente las enzimas se desactivan a altas temperaturas y tienen muy poca o
nula actividad cuando las temperaturas son muy bajas.
Las velocidades de casi todas las reacciones
catalizadas
ezimáticamente
tienden
a
incrementarse cuando se eleva la temperatura,
pero dentro de ciertos límites, ya que por
encima de los 50º o 60º C la actividad se
pierde. Sin embargo, ciertas bacterias pueden
sobrevivir en aguas de los manantiales térmicos
que se encuentran a casi 100º C.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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Efecto de la temperatura sobre la actividad de una enzima. La porción descendiente de la curva se
debe a la desnaturalización por temperatura.
Inhibición enzimática
La actividad de la mayoría de las enzimas puede modificarse por inhibición, es decir,
por reducción parcial o total de la capacidad catalítica. Es causada por agentes químicos
llamados inhibidores, que se unen a la enzima en forma irreversible o reversible.
En algunos casos, moléculas de estructura muy semejante a la del sustrato normal
de una enzima, se acoplan al sitio activo y se combinan con la enzima; sin embargo, el
parecido no es suficientemente como para sustituir por completo al sustrato en la reacción
química, de manera que la enzima no puede catalizar su transformación a productos de
reacción. Este tipo de inhibición se conoce como inhibición competitiva, ya que sustrato e
inhibidor “compiten” por el sitio activo de la enzima.
El inhibidor competitivo sólo ocupa el sitio activo por un tiempo, de manera que la
enzima no sufre daños permanentes. De hecho, la inhibición competitiva puede invertirse
por un simple aumento en la concentración del sustrato normal.
INHIBICIÓN COMPETITIVA
La interacción normal entre
enzima y sustrato (arriba) y la
acción inhibitoria causada por
la unión de un falso sustrato
“impostor” al sitio activo
(abajo).
En otros casos, el inhibidor se fija a la enzima en un sitio que no es el activo. Esos
inhibidores cancelan la actividad de la enzima al modificar la conformación de ésta. Este
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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tipo de inhibición se conoce como inhibición no competitiva Muchos inhibidores no
competitivos importantes son sustancias metabólicas que regulan la actividad enzimática al
combinarse de modo reversible con la enzima.
INHIBICIÓN NO
COMPETITIVA
Un inhibidor se une a la enzima en
un sitio distinto del sitio activo,
causando un cambio en la
estructura de éste. La interacción
normal entre enzima y sustrato no
puede darse.
Los inhibidores irreversibles se combinan con un grupo funcional de la enzima y de
esa manera la desactivan permanentemente o incluso llegan a destruirla. Muchos venenos
son inhibidores irreversibles. Los gases nerviosos, por ejemplo, envenenan la enzima
acetilcolinesterasa, que es fundamental para el funcionamiento de nervios y músculos. La
citocromo oxidasa, una de las enzimas del sistema de transporte de electrones del
mecanismo de respiración celular, es muy susceptible al cianuro. La muerte por
envenenamiento con cianuro es el resultado de la inhibición irreversible de la citocromo
oxidasa, lo que suspende el paso de electrones desde el sustrato hasta el oxígeno.
Varios insecticidas y antibióticos son inhibidores enzimáticos irreversibles. La
penicilina es un buen ejemplo de esos antibióticos. Este compuesto y los químicos afines
inhiben una enzima bacteriana, la transpeptidasa, cuya función es el establecimiento de los
enlaces químicos del material con el que se integra la pared celular bacteriana. Incapaces
de formar nuevas paredes celulares, las bacterias dejan de multiplicarse. Puesto que las
células del cuerpo humano carecen de pared celular y no utilizan la enzima en cuestión, la
penicilina es innocua para el ser humano, a menos que la persona resulte alérgica al
antibiótico.
Las enzimas por sí mismas pueden funcionar también como venenos si se introducen en un compartimiento inadecuado del cuerpo. Basta con 1 mg de tripsina cristalina,
inyectada por vía intravenosa, para matar una rata: Varios tipos de venenos de serpientes,
abejas y alacranes son peligrosos porque contienen enzimas que destruyen las células
sanguíneas y de otros tejidos.
Efecto Alostérico
En muchas vías metabólicas el producto final de la secuencia de reacciones puede
actuar como un inhibidor específico de una enzima situada al comienzo de la secuencia o
muy próxima a él, lo cual determina que la velocidad de la secuencia completa de
reacciones resulte condicionada por la concentración de producto final, en el estado
estacionario. Este tipo de inhibición se designa de diversas maneras: inhibición por el
producto final, inhibición feed-back o retroinhibción. La primera enzima de esta secuencia,
que es inhibida por el producto final, se llama enzima alostérica, nombre propuesto por
J. Monod, J. P. Changeux y F. Jacob, del Instituto Pasteur de París, que fueron los primeros
que desarrollaron una amplia teoría para la función de este tipo de enzimas reguladores. El
término alostérico significa “otro espacio” u “otra estructura”;
Las enzimas alostéricas poseen, además del sitio activo, el otro sitio al que se enlaza
de modo reversible y no covalente el efector o modulador. En general, el centro alostérico
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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es tan específico para la unión del modulador, como el sitio activo lo es para la unión del
sustrato. Algunos moduladores, son inhibidores, y por ello se les denomina moduladores
inhibidores o negativos.
Otras enzimas alostéricas pueden tener moduladores positivos o estimuladores.
Cuando un enzima alostérico posee solamente un modulador específico, se dice que es
monovalente. Algunas enzimas alostéricas responden a dos o más moduladores
específicos, cada uno de ellos unido a un centro específico del enzima; se dice entonces
que son polivalentes. Además una misma enzima alostérica puede poseer tanto efectores
VÍA METABÓLICA
Es una secuencia ordenada de
reacciones en la célula. Cuando
se acumula producto final Z, éste
actúa como modulador alostérico
negativo, inhibiendo la enzima E1
y deteniendo la vía. Cuando falta
Z y se acumula A, éste actúa
como efector positivo de E n,
activando la vía productora de
Z.
positivos como negativos.
La primera etapa en una secuencia de reacciones, es decir, la etapa catalizada por la
enzima alostérica designa como “reacción determinante”; una vez que se ha producido, se
verifican todas las demás reacciones subsiguientes de la secuencia. Desde luego, constituye una estrategia por parte de la célula el “regular” una ruta metabólica en la etapa
inicial, para conseguir así la máxima economía de metabolitos.
Asimismo, existe la activación alostérica efectuada por el precursor de la vía metabólica.
Las enzimas alostéricas poseen, generalmente, pesos moleculares mucho mayores,
son más complejas y con frecuencia son proteínas de estructura cuaternaria. No muestran
el clásico comportamiento cinético descrito por Michaelis-Menten, sino una curva sigmoidea
(con forma de letra S).
REGULACIÓN ALOSTÉRICA
Estas enzimas responden a las
concentraciones crecientes de los
moduladores positivos, con un
descenso del KM, y al incremento
de las concentraciones de los
moduladores negativos o inhibidores,
con un incremento de la KM,
aparente, de modo que a una
concentración fija no saturante del
sustrato, la velocidad de reacción
aumenta en presencia de un
modulador positivo o activador, y
disminuye en presencia de un
modulador inhibidor. La Vmax de la
enzima permanece constante.
Vmax
½
Vmax
KM 1
KM 2
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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Además de la regulación por enzimas alostéricas, existen otros mecanismos de
regulación metabólica, que no serán tratados en el presente material.
Coenzimas y Cofactores
La actividad de algunas enzimas depende solamente de su estructura como
proteínas, mientras que otras necesitan, además uno o más componentes no proteicos para
ejercer su función. Éstos pueden ser cofactores, si son iones metálicos, como el Mg++,
Mn++, Fe++, o ser una molécula orgánica, no proteica, llamada coenzima. Algunas
enzimas necesitan tanto de cofactor como de coenzima para tener actividad catalítica.
En las enzimas, cofactor metálico puede actuar como grupo puente para reunir el
sustrato y la enzima, o actuar como agente estabilizante de la conformación de la proteína
enzimática en su forma catalíticamente activa. En algunas enzimas, el componente metálico,
por sí solo, ya posee una actividad catalítica primaria, muy incrementada a su vez por la
proteína enzimática; por ejemplo, la catalasa, es una enzima que cataliza la descomposición
muy rápida del peróxido de hidrógeno (agua oxigenada), en agua y oxígeno y tiene hierro
como cofactor.
Las coenzimas suelen contener, como parte de su estructura, una molécula de
alguna de las vitaminas; éstas son sustancias orgánicas que, en cantidades mínimas
(trazas) , son vitales para la función de todas las células, y deben figurar en la alimentación
de los heterótrofos. Las coenzimas son intermediarios en el transporte de grupos
funcionales, de átomos específicos o de electrones, que son transferidos durante la reacción
enzimática. Los nucleótidos como el NAD y el FAD actúan como coenzimas en algunas
reacciones de la respiración celular y de la fotosíntesis (ver Nucleótidos, Unidad 2).
Otro ejemplo lo constituye la Vitamina C, que actúa como coenzima en una de las
reacciones durante la síntesis del colágeno. La falta de esta vitamina causa la enfermedad
conocida como escorbuto, debida a la deficiencia de colágeno.
Enzimas y Compartimentalización Celular
En las células eucariontes, las distintas enzimas y los sistemas multienzimáticos
están localizados en distintos compartimientos, organelas o estructuras celulares. Así, el
sistema enzimático para degradar la glucosa se encuentra en el citosol (porción soluble del
citoplasma), mientras que las enzimas implicadas en la oxidación de ácidos grasos, algunos
aminoácidos y el piruvato, se hallan en la mitocondria.
La compartimentalización de los sistemas enzimáticos permite también el control y la
integración de algunas actividades intracelulares. Por ejemplo, la biosíntesis de la glucosa
precisa de una compleja serie de enzimas, algunas localizados en la mitocondria, y otras en
el citosol. La velocidad de esta reacción global depende no solamente de la actividad de las
enzimas reguladoras en ambos compartimientos, sino también de las velocidades de
intercambio de los intermediarios esenciales a través de las membranas mitocondriales.
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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PROBLEMAS de APLICACIÓN
1. Explique brevemente cuál es la importancia de cada uno de los aspectos que se
tienen en cuenta al analizar un ecosistema desde el punto de vista funcional.
2. Considere una cadena trófica constituida por cuatro niveles tróficos. Si los
consumidores ubicados en el último nivel reciben 980 Kcal/m2 año, cuál es la
cantidad de energía retenida por los productores de dicha cadena?
3. Discuta si la Segunda Ley de la Termodinámica se contradice con la Primera.
4. Cite ejemplos de ecosistemas naturales y artificiales.
5. Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y jusifique en cada
caso su elección:
a. “La materia recorre el ecosistema en forma cíclica y la energía fluye
unidireccionalmente”.
b. “Mientras usted duerme, no realiza transformaciones de energía”.
c. “En los consumidores, la energía solo se manifiesta como mecánica y
química”
d. “Un ecosistema en equilibrio no puede prescindir de los
descomponedores”
6. Explique de qué manera actúa el ATP en el acoplamiento energético
7. Qué efectos produce la temperatura sobre la actividad enzimática?
8. Qué significa que las enzimas tienen especificidad biológica?
9. a. Qué tipo de enzimas representa el siguiente gráfico? Justifique
b. Sobre la base del mecanismo de Inhibición Competitiva, explique cómo
actúa un antibiótico.
10.
Algunas enzimas requieren de moléculas no proteicas para cumplir su función.
. ..Indique, para la siguiente reacción:
Enzima
Gliceraldehído 3-fosfato 3-fosfoglicerato
NAD
NADH+H+
a. Qué función cumple el NAD? ¿De qué tipo de molécula se trata?
b. Podría tener lugar la reacción en ausencia del NAD? Explique.
11.
Redacte un párrafo breve relacionando los siguientes conceptos:
efecto de la temperatura sobre la actividad enzimática / preservación de alimentos en frío
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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AUTOEVALUACIÓN
1. Un ecosistema se encuentra en
equilibrio si está constituido por:
a. decomponedores, productores y
consumidores
b. sólo componentes del biotopo
c. solo componentes de la biocenosis
d. solo consumidores y descomponedores
2. Cuál es la cantidad de energía que
recibe un consumidor de tercer orden
(terciario) si el productor de la cadena
retiene 7.000.000 Kcal/m2 año?
a. 5.003.000 Kcal/m2 año
b. 700.000 Kcal/m2 año
c. 70.000.000 Kcal/m2 año
d. 7000 Kcal/m2 año
3. Cuál de las siguientes interrelaciones
tróficas asegura más estabilidad
alimentaria en un ecosistema dado?
a. una cadena de cuatro niveles.
b. tres cadenas interrelacionadas
c. una red con 15 cadenas
interrelacionadas
d. una red con 20 cadenas no
interrelacionadas
4. El ATP brinda su energía para hacer
posible una reacción :
a. catabólica y endergónica
b. anabólica y endergónica
c. catabólica y exergónica
d. anabólica y exergónica.
5. ¿Cuál de las siguientes frases referidas
a las enzimas es verdadera?
a. actúan siempre unidas a una
coenzima
b. poseen siempre la misma Ea
c. no alteran la Ei ni la Ef de las
reacciones que catalizan
d. no son afectadas en su actividad por
modificaciones del pH
6. Dado el siguiente gráfico de cinética
enzimática, señale la frase correcta
teniendo en cuenta que las curvas
corresponden a una misma reacción y
enzima:
Act.
B
A
[S]
a. la curva B indica una enzima
micaeliana
b. la curva B indica menor afinidad
enzima/sustrato que la A
c. la curva B indica modulación positiva
d. la curva A indica mayor afinidad
enzima/sustrato que la B
7. En los compuestos químicos la energía
disponible para el metabolismo se
encuentra en los:
a. átomos aislados
b. núcleos atómicos
c. enlaces covalentes
d. puentes de hidrógeno
8. Una vía metabólica está regulada por
un proceso de feed-back o retro
alimentación negativa si:
a. altas concentraciones de sustrato
inhiben la formación de producto final
b. bajas concentraciones de sustrato
activan la formación de producto final
c. bajas concentraciones de producto
final actúan como inhibidor alostérico
de la última enzima de la vía
d. altas concentraciones de producto
actúan como inhibidor alostérico de
alguna de las primeras enzimas
9. Cuál de los siguientes enunciados
define la función de la molécula de ATP?
a. Molécula de reserva energética.
b. Coenzima.
c. Molécula de intercambio energético
d. Cofactor.
10. Un inhibidor enzimático competitivo:
a. disminuye el valor de la Vmax
b. aumenta el valor de la Vmax
c. puede actuar como cofactor o
coenzima
d. puede actuar como antibiótico
Hecho el depósito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproducción total o parcial.
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GRILLA DE RESPUESTAS PARA LA AUTOEVALUACIÓN
ALUMNO:......................................................................................GUÍA Nº:........................
FECHA:.........................................................................................COMISIÓN: ...................
Coloque una cruz en el casillero correspondiente a la opción correcta:
PREGUNTA
OPCIÓN
A
1
B
C
x
2
x
3
4
X
X
5
X
6
X
7
X
8
9
10
FIRMA DEL ALUMNO:
D
X
X
X