se puede utilizar para hacer trabajo

Iván Ferrer Rodríguez, Ph.D.
Catedrático
Introducción al metabolismo
Capítulo 8
Reece, Urry, Cain, Wasserman,
Minorsky, Jackson, 2009
Campbell Biology 9th Edition
Introducción
 El metabolismo es el conjunto de
todas las reacciones químicas
(miles) que ocurren en un
organismo:
 Bacteria
 Protista
 Hongo
 Planta
 Cuerpo humano
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Ejemplos Reacciones Metabólicas
 Unión de amino ácidos para formar
proteínas.
Figura 8.1
 Rompimiento de proteínas para
generar amino ácidos.
 Conversión de azúcares a amino
ácidos.
 Conversión de amino ácidos a
azúcares.
 Respiración celular y fotosíntesis.
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 Bioluminiscencia por un hongo o un animal.
Rutas metabólicas
 El metabolismo es como un mapa
de carretera.
 Los puntos representan moléculas.
 Las líneas representan las reacciones
químicas que transforman estas
moléculas.
 Las reacciones ocurren en una
secuencia lógica llamada ruta
metabólica.
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Rutas metabólicas
 Cada paso es catalizado por una
enzima.
 Al igual que las luces controlan el
tránsito, los mecanismos que
controlan las enzimas balancean el
suplido metabólico.
 Las enzimas son proteínas que
catalizan las reacciones químicas, o
sea, ayudan a que ocurran con
mayor rapidez.
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Metabolismo
El metabolismo se puede dividir en:
1) Reacciones catabólica
2) Reacciones anabólica
1) Catabólica - son reacciones
metabólicas donde se libera energía
rompiendo moléculas en compuestos
más simples.
Ejemplo: Respiración celular - la
glucosa se rompe a CO2 y agua y se
libera energía, que estará disponible
para la célula hacer trabajo.
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Respiración celular
Metabolismo
El metabolismo se puede dividir en:
1) Reacciones catabólica
2) Reacciones anabólica
2) Anabólica - son reacciones
metabólicas donde se absorbe energía
para producir moléculas complejas a
partir de moléculas simples.
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Ejemplo: Fotosíntesis: proceso
mediante el cual las plantas consumen
energía del sol y la convierten en
energía química contenida en los
enlaces de las moléculas de azúcar.
Metabolismo
El metabolismo se puede dividir en:
1) Reacciones catabólica
2) Reacciones anabólica
2) Anabólica - son reacciones
metabólicas donde se absorbe energía
para producir moléculas complejas a
partir de moléculas simples.
Ejemplo: Síntesis de proteínas a partir
de amino ácidos.
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Energía
 La energía es un componente esencial al proceso metabólico.
 Energía se define como la capacidad para causar cambios.
 La célula maneja los materiales y recursos de energía que tiene, transforma la
energía presente en los alimentos y la pone a su disposición para hacer trabajo.
 Energía cinética es energía del movimiento, está presente en cualquier cuerpo
que se mueve.
 Energía potencial es la energía presente en un cuerpo que está quieto
 Ejemplo: Arco y flecha
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Energía
Cuando se hala el arco, transforma energía
cinética en energía potencial.
10
Cuando se suelta el arco, transforma
energía potencial en energía cinética.
Transformación de energía
Figura 8.2
 Ejemplo: Cuando se sube al tope,
transforma energía cinética (al
caminar) en energía potencial
(cuando está en el tope).
 Cuando se baja, transforma energía
potencial en energía cinética (al
bajar).
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Transformación de energía
 Energía química es una forma de
energía potencial, está almacenada
en las moléculas como resultado del
arreglo de sus átomos.
 Esta energía potencial puede ser
convertida en energía cinética.
 Ejemplo: Glucosa (respiración
celular).
 La energía potencial en la glucosa es transformada en la célula y se libera
energía, que estará disponible para hacer trabajo en la célula.
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Transformación de energía
 Ejemplo: Hidrocarburos
(compuestos de carbono e
hidrógeno, principal componente
del petróleo).
 La energía potencial en los
hidrocarburos de la gasolina son
transformados en el motor del
carro a energía cinética que mueve
los pistones.
 La energía potencial en los
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alimentos (energía química) se
libera energía y transforma.
Chita
Termodinámica
 La termodinámica es el estudio de
las transformaciones de energía que
ocurren en la materia.
 Sistema cerrado - no intercambia
energía con los alrededores.
 Sistema abierto - intercambia
Términos importantes:
 Sistema - es el objeto estudiado
(una célula, un animal o el planeta).
 Alrededores - el resto del universo.
14
energía con los alrededores.
 Entropía - es una medida del
desorden y está aumentando en el
universo.
Leyes de termodinámica
 Hay dos leyes de termodinámica que rigen las transformaciones de energía
(Figura 8.3).
 Primera ley de termodinámica - es el principio de conservación de energía.
 La energía puede ser transferida y transformada, pero no creada o destruida.
 La energía del universo es constante.
 Segunda ley de termodinámica - las transferencias o transformaciones de
energía aumentan la entropía (desorden) del universo.
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Leyes de termodinámica
Ejemplos:
1) Edificio viejo sin mantenimiento - se desintegra su apariencia (se puede ver el
desorden por la apariencia física).
2) Cuando en el motor del carro, la energía potencial en los hidrocarburos de la
gasolina son transformados a energía cinética, parte de esa energía es liberada al
medio ambiente en forma de calor (energía termal) que aumenta la entropía del
universo.
Cuando la energía se convierte de una forma a otra, parte de la energía disponible
para hacer trabajo se degrada a una forma menos útil (calor) que se dispersa a los
alrededores.
16
Leyes de termodinámica
 Estas transformaciones NO son 100% eficientes.
 La energía liberada al medio ambiente NO estará disponible para hacer trabajo,
desde el punto de vista biológico.
 Esta energía es menos utilizable, es más difusa o está menos organizada que la
energía que se puede usar para hacer trabajo.
 La energía organizada y utilizable tiene baja entropía.
 La energía desorganizada y no utilizable tiene alta entropía.
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Energía libre
 Habíamos definido energía como la capacidad para causar cambios.
 Energía libre (G) es la cantidad de energía de un sistema que se puede
utilizar para hacer trabajo, cuando la temperatura es uniforme a través de
todo el sistema.
 Se le llama energía libre porque está disponible para hacer trabajo, no porque se
pueda gastar sin ningún costo.
 Relación entre energía libre, estabilidad, capacidad de trabajo y reacción
espontánea (Figura 8.5).
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Figura 8.5
 La energía libre, la estabilidad, la
capacidad de trabajo y los cambio
espontáneos se relacionan.
 Los sistemas inestables son ricos en
energía:
 Movimiento gravitacional
 Difusión
 Reacción química –
rompimiento de glucosa
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Energía libre
 La cantidad de energía libre de un sistema se simboliza con letra G (G=H-TS)
 H - energía total del sistema
 S - es la entropía
 T - es la temperatura absoluta en Kelvin (K = ºC + 273)
 Los cambios en energía libre en el sistema se denominan ∆G.
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Energía libre
 Basados en los cambios en energía libre, las reacciones químicas pueden
clasificarse como (ver figura 8.6):
1) Exergónica
2) Endergónica
1) Exergónica es una reacción química espontánea en la que se libera energía al
medio ambiente, se pierde energía, ∆G es negativo.
Ejemplo: respiración celular (∆G = -686 Kcal/mol)
C6H12O6 + O2  6 CO2 + 6 H2O + energía
21
Energía libre
 Basados en los cambios en energía libre, las reacciones químicas pueden
clasificarse como (ver figura 8.6):
1) Exergónica
2) Endergónica
2) Endergónica - una reacción química NO espontánea en la que se absorbe
energía del medio ambiente, se almacena energía, ∆G es positivo.
Ejemplo: fotosíntesis (∆G = 686 Kcal/mol)
6 CO2 + 6 H2O + energía solar  C6H12O6 + O2
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Trabajo celular
 En la célula se hacen tres clases de
trabajo:
 Mecánico - mover cilios y flagelos.
 Transporte - mover sustancias a
través de la membrana contra
gradiente.
 Químico - síntesis de polímeros a
partir de monómeros.
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Adenosina trifosfato (ATP)
 La fuente de energía inmediata es el
ATP (adenosina trifosfato).
 La composición del ATP es similar a
las de los nucleótidos del DNA y
RNA (Figura 8.8). Tiene tres
componentes:
 Base nitrogenada (adenina)
 Azúcar (ribosa)
 Tres grupos fosfatos
 El enlace del último fosfato puede ser hidrolizado:
 ATP  ADP + Pi + energía
24
 Es una reacción exergónica, libera 7.3 Kcal/mol (∆G = -7.3 Kcal/mol)
Trabajo celular
 La Figura 8.8 explica el ciclo de
ATP.
Hidrólisis de ATP
 La energía almacenada
(temporeramente) en el ATP se
utiliza para realizar trabajo en la
célula.
 Le energía liberada en reacciones
catabólicas en la célula se utiliza
para fosforilar (añadir fosfato) ADP
y generar ATP.
 El ATP actúa como un enlazador de las reacciones que liberan energía con las
25
reacciones que consumen energía.
Cómo ATP guía el trabajo químico
Figura 8.9
26
Reacción exergónica y endergónica
 Exergónica y endergónica describen
si en la reacción se absorbe o libera
energía, pero no dicen nada de la
velocidad de la reacción.
 Una reacción espontánea puede
ocurrir tan lentamente que puede
ser imperceptible.
 Sacarosa  glucosa + fructosa (espontánea, libera energía, ∆G = -7 Kcal/mol).
 Esta reacción puede tardar años, si uno tiene sacarosa en solución.
 Si se le añade la enzima sacarasa, entonces la reacción ocurre en segundos.
 Las enzimas son proteínas, agentes catalíticos, que aceleran la velocidad de una
reacción sin consumirse en la misma.
27
Perfil energético
 El perfil energético de una reacción
exergónica está dado en la Figura
8.13.
 Energía de activación (EA) - es la
energía que se requiere para que la
reacción comience o para romper
enlaces en los reactivos.
 Los reactivos A-B y C-D tienen que
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absorber energía del medio
ambiente hasta superar la energía
de activación y alcanzar un estado
de transición inestable.
Figura 8.13
Perfil energético
 Luego se rompen los enlaces entre
A-B y C-D y se forman enlaces
nuevos entre A-C y B-D.
 El producto final tiene menos
energía libre, se libera energía, por
lo tanto es una reacción exergónica.
29
Figura 8.13
Enzimas
 Las enzimas aceleran la velocidad
de una reacción porque reducen la
energía de activación, sin alterar el
∆G de la reacción (Figura 8.15).
 Gráfica color negra - reacción que
no tiene enzima.
 Gráfica color rojo - reacción que
tiene enzima.
 En ambos casos la energía inicial y
final son las mismas, pero en la
reacción catalizada por la enzima
baja la energía de activación.
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Sitio activo y ciclo catalítico
 Las enzimas son proteínas,
moléculas tridimensionales,
cuya forma (conformación)
depende de las estructuras 1ria, 2ria
3ria, y 4ria de la proteína.
 La enzima actúa sobre una
molécula, una sustancia o un
reactivo que se conoce como el
sustrato.
 La región específica de la enzima
31
que se enlaza al sustrato se conoce
como el sitio activo (Figura 8.17).
Sitio activo y ciclo catalítico
Figura 8.15
•
•
•
•
32
Orienta el sustrato
Estabiliza el estado de transición
Provee un ambiente favorable
Cataliza la reacción
Factores ambientales
 Factores ambientales que afectan el
funcionamiento de una enzima: pH,
temperatura (Figura 8.16).
 Enzimas que actúan en el cuerpo
humano (temperatura óptima 37
ºC).
 Enzimas de bacteria que viven en
calderas de aguas calientes
(temperatura óptima 80 ºC).
33
Factores ambientales
 Pepsina - enzima que actúa en
estómago en la digestión de
proteínas (pH óptima ácido).
 Tripsina - enzima secretada por el
páncreas y que actúa en intestino en
la digestión de proteínas (pH
óptimo básico).
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Otros factores
 Hay otros factores que afectan el funcionamiento de una enzima, entre éstos
están los cofactores y los inhibidores.
 Las enzimas requieren de ayudantes no proteicos que facilitan en enlace entre la
proteína y el sustrato. Éstos se conocen como cofactores.
 Ejemplo de cofactores inorgánicos: Zinc (Zn), Hierro (Fe) y Cobre (Cu)
 Si el cofactor es una molécula orgánica, entonces se llama coenzima.
35
Inhibición de enzimas
Algunas sustancias interfieren con el
funcionamiento de las enzimas.
Éstos se conocen como inhibidores
(Figura 8.17).
a) Sustrato normal y su sitio activo en
la enzima.
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Inhibición de enzimas
Algunas sustancias interfieren con el
funcionamiento de las enzimas.
b) Sustrato normal, sitio activo en la
enzima y un inhibidor competidor que
se parece al sustrato y por lo tanto
compite con el sustrato por el sitio
activo.
 Este tipo de reacción se conoce como
inhibición competitiva.
 Se puede superar la inhibición si se
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aumenta la concentración de sustrato.
Inhibición de enzimas
c) Sustrato normal, sitio activo en la
enzima y un inhibidor no competidor
que NO se parece al sustrato y por lo
tanto no compite con el sustrato por el
sitio activo.
 El inhibidor no competidor se pega un
lugar diferente al sitio activo, pero
altera la conformación de la enzima y
torna al sitio activo en uno no
funcional.
 Este tipo de reacción se conoce como
inhibición no competitiva.
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Control del metabolismo
¿Cómo se controla el metabolismo?
 Imagínense que pasaría en la célula si un producto se formara y por otro lado se
rompiera inmediatamente.
 Tiene que haber un control o una regulación:
1) Regulación alostérica
2) Retroalimentación negativa
3) Cooperativismo
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Control del metabolismo
1) Regulador alostérico es una
molécula que se une a la enzima,
mediante enlaces débiles, y le cambia
la forma y función (Figura 8.19).
 Cambios conformacionales en una
enzima alostérica.
 La enzima oscila entre dos formas:
activa e inactiva.
 Sitio activo es la región específica
de la enzima que se une al sustrato.
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Control del metabolismo
 Sitio alostérico es la región o el
lugar al cual se pega el regulador
alostérico.
 El regulador alostérico puede ser
un:
 Inhibidor - estabiliza la forma
inactiva de la enzima.
 Activador - estabiliza la forma activa
de la enzima.
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Control del metabolismo
2) Retroalimentación negativa (Figura
8.21).
 En esta inhibición el producto final
de la reacción bloquea la reacción
que dio origen al producto.
 http://www.quia.com/jg/119363
8list.html
42
Control del metabolismo
3) Cooperativismo (Figura 6.20).
 Cuando una molécula tiene
múltiples subunidades, el enlace de
un sustrato a un sitio activo en una
subunidad provoca que todas las
unidades se tornen en su
conformación activa.
 http://meyerbio1b.wikispaces.com
/Enzymes
43
Resumen
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