Post on 01-Oct-2018
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PowerPoint Lectures for Biology, Seventh Edition
Neil Campbell and Jane Reece
Lectures by Chris Romero
Metabolismo
Introducción al metabolismo
Celular
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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
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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
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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
Enzyme 1
A BReaction 1
Enzyme 2
CReaction 2
Enzyme 3
DReaction 3
ProductStartingmolecule
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• 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
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Formas de energía
• La energía es la capacidad de causar cambios
• La energía existe en múltiples formas, algunas de las cuales pueden realizar trabajo
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• 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 ConceptsAnimation: Energy Concepts
On the platform,the diver hasmore potentialenergy.
Diving convertspotentialenergy to kinetic energy.
Climbing up convertskinetic energy ofmuscle movement topotential energy.
In the water, the diver has lesspotential energy.
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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
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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
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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
Chemical energy
Heat CO2
First law of thermodynamics Second law of thermodynamics
H
2
O
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• 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
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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
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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
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• 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
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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
Gravitational motion Diffusion Chemical reaction
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Energía libre y metabolismo
• El concepto de energía libre puede ser aplicado a la química de los procesos vitales
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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
Reactants
EnergyProducts
Progress of the reaction
Amount ofenergy
released(∆G < 0)
Free energy
Exergonic reaction: energy released
ReactantsEnergy
Products
Progress of the reaction
Amount ofenergy
required(∆G > 0)
Free energy
Endergonic reaction: energy required
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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
∆G = 0
A closed hydroelectric system
∆G < 0
LE 8-7b
An open hydroelectric system
∆G < 0
LE 8-7c
A multistep open hydroelectric system
∆G < 0∆G < 0
∆G < 0
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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.
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La estructura e Hidrolisis del ATP
• ATP (adenosin trifosfato) es la moneda energética celular
• ATP provee energía para las funciones celulares
Phosphate groupsRibose
Adenine
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• 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
LE 8-9
Adenosine triphosphate (ATP)
Energy
P P P
PPP i
Adenosine diphosphate (ADP)Inorganic phosphate
H
2
O
+ +
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• 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
LE 8-10Endergonic reaction: ∆G is positive, reactionis not spontaneous
Exergonic reaction: ∆G is negative, reactionis spontaneous
∆G = +3.4 kcal/mol
∆G = –7.3 kcal/mol
∆G = –3.9 kcal/mol
NH2
NH3Glu Glu
Glutamicacid
Coupled reactions: Overall ∆G is negative;together, reactions are spontaneous
Ammonia Glutamine
ATP H2O ADP P i
+
+ +
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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
NH2
Glu
P i
P i
P i
P i
Glu NH3
P
P
P
ATPADP
Motor proteinMechanical work: ATP phosphorylates motor proteins
Protein moved
Membraneprotein
Solute
Transport work: ATP phosphorylates transport proteins
Solute transported
Chemical work: ATP phosphorylates key reactants
Reactants: Glutamic acidand ammonia
Product (glutamine)made
+ +
+
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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
Pi
ADP
Energy for cellular work(endergonic, energy-consuming processes)
Energy from catabolism(exergonic, energy-yielding processes)
ATP
+
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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
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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
Transition state
C D
A B
EA
Products
C D
A B
∆G < O
Progress of the reaction
Reactants
C D
A BFree energy
Course ofreactionwithoutenzyme
EA
without enzyme
∆G is unaffectedby enzyme
Progress of the reaction
Free energy
EA withenzymeis lower
Course ofreactionwith enzyme
Reactants
Products
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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
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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