Introducción al metabolismo. Celular. Metabolismo. PowerPoint Lectures for Biology, Seventh Edition Neil Campbell and Jane Reece

Transcripción

1 Metabolismo Introducción al metabolismo Celular PowerPoint Lectures for Biology, Seventh Edition Neil Campbell and Jane Reece Lectures by Chris Romero

2 La energía de la vida La célula viviente es una fábrica diminuta en la que ocurren miles de reacciones La célula transforma energía que usa para realizar trabajo Algunos organismos convierten, por ejemplo, energía en luz en un fenómeno llamado bioluminiscencia

3

4 Con el metabolismo, los organismos transforman materia y energía, sujetos a las leyes de la termodinámica Se llama metabolismo a la totalidad de las reacciones químicas de un organismo Es una propiedad emergente de la vida, que se origina de las interacciones entre moléculas y célula

5 La química de la vida se organiza en vías metabólicas Una via metabólica comienza con moléculas específicas y termina con productos Cada paso es catalizado por una enzima específica

6 Enzyme 1 A B Reaction 1 Starting molecule Enzyme 2 Enzyme 3 D C Reaction 2 Reaction 3 Product

7 Las rutas catabólicas liberan energía por la ruptura de las moléculas complejas, que se transforman en moléculas simples Las rutas anabólicas construyen moléculas complejas a partir de moléculas simples La bioenergética es el estudio de cómo un organismo administra sus recursos energéticos

8 Formas de energía La energía es la capacidad de causar cambios La energía existe en múltiples formas, algunas de las cuales pueden realizar trabajo

9 La energía cinética está asociada al movimiento El calor (energía calorífica) es energía cinética asociada con el movimiento al azar de las moléculas Energía potencial es la que posee la materia debido a su ubicación o estructura Energía química es energía potencial disponible para liberar en una reacción química La energía se transforma de una forma en otra Animation: Energy Concepts

10 On the platform, the diver has more potential energy. Diving converts potential energy to kinetic energy. Climbing up converts kinetic energy of muscle movement to potential energy. In the water, the diver has less potential energy.

11 Las leyes de la transformación de la energía Termodinámica es el estudio de las transformaciones energéticas Un sistema cerrado, como un termo, está aislado de su ambiente En un sistema abierto, la energía y la materia se intercambian entre el sistema y su ambiente Los organismos son sistemas abiertos

12 La primera ley de la termodinámica De acuerdo a esta ley, la energía del universo es constante La energía se transfiere o transforma La energía no se crea ni se destruye La primera ley se conoce también como el principio de conservación de la energía

13 La segunda ley de la termodinámica Durante cada transferencia o transformación energética, parte de la energía es inútil, y se pierde a menudo como calor De acuerdo a la segunda ley de la termodinámica, cada transferencia o transformación energética incrementa la entropía (desorden) del universo

14 Heat Chemical energy CO2 HO 2 First law of thermodynamics Second law of thermodynamics

15 Las células vivientes inevitablemente convierten formas organizadas de energía en calor Los procesos espontáneos que se dan sin un ingreso energético, pueden suceder rápida o lentamente

16 Los cambios de energía libre de una reaccíón nos dicen si la reacción ocurre espontáneamente Los biólogos necesitan distinguir aquellas reacciones que se dan espontáneamente de aquellas que requieren de energía Para ésto requieren determinar los cambios de energía que ocurren en las reacciones químicas

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

18 El cambio en la energía libre ( G) durante un proceso está relacionada al cambio en entalpía, o cambio en la energía total ( H),y al cambio en la entropía(t S): G = H - T S Solo aquellos procesos con G negativa son espontáneos Estos procesos espontáneos pueden ser utilizados para realizar trabajo

19 Energía libre, Estabilidad, y Equilibrio La energía libre es una medida de la inestabilidad de un sistema, de su tendencia a cambiar hacia un estado más estable Durante un cambio espontáneo, la energía libre decrece y la estabilidad del sistema se incrementa El equilibrio es un estado de máxima estabilidad Un proceso es espontáneo y puede realizar trabajo sólo cuando se mueve hacia el equilibrio

20 Gravitational motion Diffusion Chemical reaction

21 Energía libre y metabolismo El concepto de energía libre puede ser aplicado a la química de los procesos vitales

22 Reacciones exergónicas y endergónicas Una reacción exergónica ocurre con una liberación neta de energía libre y es espontánea Una reacción endergónica absorbe energía libre de su ambiente y no es espontánea

23 Reactants Free energy Amount of energy released ( G < 0) Energy Products Progress of the reaction Exergonic reaction: energy released

24 Products Free energy Energy Reactants Progress of the reaction Endergonic reaction: energy required Amount of energy required ( G > 0)

25 Equilibrio y metabolismo Las reacciones en un sistema cerrado eventualmente alcanzan el equilibrio y entonces no realizan trabajo Las células no están en equilibrio; son sistemas abiertos que sufren un constante flujo de materiales Una ruta catabólica celular, libera energía libre en una serie de reacciones Los sistemas hidroeléctricos cerrados y abiertos pueden servir como analogías

26 G < 0 A closed hydroelectric system G = 0

27 LE 8-7b G < 0 An open hydroelectric system

28 LE 8-7c G < 0 G < 0 G < 0 A multistep open hydroelectric system

29 El ATP realiza trabajo celular al acoplar reacciones exergónicas y endergónicas Una célula realiza tres tipos principales de trabajo: Mecánico Transporte Químico Para realizar trabajo, las células administran los recursos energéticos usando un proceso exergónico para llevar a cabo uno endergónico.

30 La estructura e Hidrolisis del ATP ATP (adenosin trifosfato) es la moneda energética celular ATP provee energía para las funciones celulares

31 Adenine Phosphate groups Ribose

32 Los enlaces entre los grupos fosfatos del ATP se rompen por hidrólisis La energía es liberada desde el ATP cuando se rompe el enlace de fosfato terminal Esta liberación de energía viene desde el cambio químico a un estado de menor energía libre, no desde los enlaces en si mismos

33 LE 8-9 P P P Adenosine triphosphate (ATP) HO 2 Pi + Inorganic phosphate P P Adenosine diphosphate (ADP) + Energy

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

35 LE 8-10 Endergonic reaction: G is positive, reaction is not spontaneous NH2 Glu + NH3 Ammonia Glutamic acid G = +3.4 kcal/mol Glu Glutamine Exergonic reaction: G is negative, reaction is spontaneous ATP + H2O ADP Coupled reactions: Overall G is negative; together, reactions are spontaneous + Pi G = 7.3 kcal/mol G = 3.9 kcal/mol

36 Cómo realiza trabajo el ATP? ATP realiza reacciones endergónicas por fosforilación, transfiriendo un grupo fosfato a otras moléculas, tales como un reactante Dicha molécula está ahora fosforilada Los tres tipos de trabajo celular se llevan a cabo por el ATP

37 Pi P Motor protein Protein moved Mechanical work: ATP phosphorylates motor proteins Membrane protein ADP + Pi ATP Pi P Solute transported Solute Transport work: ATP phosphorylates transport proteins P Glu NH2 + NH3 Reactants: Glutamic acid and ammonia + Glu Pi Product (glutamine) made Chemical work: ATP phosphorylates key reactants

38 La Regeneración del ATP ATP es una fuente renovable que se regenera por la adición de un grupo fosfato al ADP La energía para fosforilar el ADP viene de las reacciones catabólicas en la célula La energía química potencial temporariamente almacenada en el ATP lleva a cabo la mayoría del trabajo celular

39 ATP Energy from catabolism (exergonic, energyyielding processes) Energy for cellular work (endergonic, energyconsuming processes) ADP + P i

40 Las enzimas aceleran la velocidad de reacción al bajar las barreras energéticas Un catalizador es un agente que acelera la velocidad de reacción sin ser consumido en dicha reacción Una enzima es una proteína catalizadora

41 Las barreras de las energías de activación Cada reacción química implica la ruptura y la formación de enlaces La energía inicial necesaria para comenzar una reacción química es llamada energía libre de activación, o energía de activación (EA) La energía de activación es proporcionada a menudo como calor desde los alrededores

42 A B C D Transition state Free energy A B C D EA Reactants A B G < O C D Products Progress of the reaction

43 Course of reaction without enzyme EA without enzyme EA with enzyme is lower Free energy Reactants Course of reaction with enzyme G is unaffected by enzyme Products Progress of the reaction

44 Efectos de las condiciones locales sobre la actividad enzimática La actividad enzimática puede estar afectada por: Factores ambientales generales, tales como temperatura y ph Químicos de influencia específica sobre las enzimas

45 Efectos de la temperatura y ph Cada enzima tiene un óptimo de temperatura a la que funcionan Cada enzima tiene un óptimo de ph al que funcionan