BIOENERGÉTICA
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1
Los seres vivos son sistemas materiales altamente organizados,
que requieren energía para mantener su orden y contrarrestar
la tendencia de todos los sistemas a volverse desordenados.
Los seres vivos son sistemas abiertos
Todos los seres vivos intercambian materia y energía con su
entorno. Incorporamos materiales nutritivos y energía del
medio, también excretamos materiales de desecho y calor hacia
el medio.
Al alimentarnos, incorporamos sustancias orgánicas con energía química a nuestro organismo, a su vez liberamos sustancias de desecho y energía calorífica al medio.
Nutrición: los seres vivos incorporan materia y energía
Todos los seres vivos requieren nutrientes orgánicos para
poder vivir, existen dos formas de obtenerlo:
1. Los organismos autótrofos elaboran sus nutrientes
orgánicos a partir de sustancias inorgánicas como el CO2,
por lo cual también se denominan litótrofos. De acuerdo a
la fuente de energía usada, pueden ser:
a. Fotoautótrofos: usan energía luminosa, son
denominados fotosintéticos y comprenden las plantas,
algas, cianobacterias y algunas bacterias.
b. Quimioautótrofos: usan energía liberada por
reacciones de oxidación, son denominados
quimiosintéticos y comprenden algunas bacterias.
2. Los organismos heterótrofos incorporan nutrientes
orgánicos elaborados por otros organismos, también
denominados organótrofos. Pueden ser:
a. Fotoheterótrofos: Usan la energía de la luz para
procesar los nutrientes orgánicos. Este raro tipo de
nutrición sólo es propio de ciertas bacterias como las
bacterias purpúreas.
b. Quimioheterótrofos: obtienen energía de la oxidación
de nutrientes orgánicos.
De acuerdo al tipo de alimento de donde obtienen sus
nutrientes orgánicos, los heterótrofos pueden ser:
1. Fitófagos: obtienen sus nutrientes de material vegetal,
comprenden a herbívoros, ramoneadores, frugívoros,
xilófagos, etc.
2. Carnívoros: obtienen sus nutrientes al consumir otros
animales, pueden ser predatores y superpredatores.
3. Saprobiontes (saprotrofos): obtienen sus nutrientes a partir
de detritos o materia orgánica en descomposición, tales
como hojas muertas, cadáveres o excrementos. pueden ser:
a. Saprófagos (saprozoicos): ingieren restos orgánicos y la
digieren en su interior. Usada para referirse a protozoos
de vida libre, detritívoros como lombriz de tierra, y
menos frecuentemente para referirse a los carroñeros
como el cangrejo, buitres y hienas.
b. Saprófitos: absorben nutrientes disueltos a partir de
materia orgánica en descomposición. Comprenden a los
hongos y bacterias desintegradoras.
Metabolismo: Los seres vivos transforman materia y energía
Todos los seres vivos transforman la materia y energía
incorporada mediante una serie de reacciones químicas
intracelulares, denominado metabolismo. Puede ser:
1. Catabolismo: Sustancias orgánicas complejas son
degradadas a sustancias más simples, este proceso es
exergónico por que libera energía para el trabajo celular,
razón por la cual también es denominado metabolismo
energético.
2. Anabolismo: Consiste en la síntesis de compuestos
orgánicos complejos a partir de otros más simples, es de
tipo endergónico por que requiere aporte de energía. Estos
compuestos complejos elaborados, serán usados para la
construcción de estructuras celulares, crecimiento y
regeneración en el organismo. El anabolismo también es
denominado metabolismo biosintético, plástico o
constructivo.
Nutrición
Autótrofa
(litótrofa)
Fotoautótrofa
(fotolitótrofa)
Quimioautótrofa
(quimiolitótrofa)
Heterótrofa (organótrofa)
Fotoheterótrofa
(fotolitótrofa)
Quimioheterótrofa
(quimioorganótrofa)
1. BIOENERGÉTICA
Williams Ricardo López Vega Marcos Elantiguo
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Las reacciones del metabolismos siguen diversas rutas o vías
metabólicas, las cuales son controladas por hormonas y
enzimas. Ejm: La insulina favorece el ingreso de glucosa a las
células para su degradación enzimática en la glucólisis o la
síntesis enzimática de glucógeno.
A pesar de las diferencias, todas los seres vivos, realizan
procesos metabólicos notablemente similares entre si.
Principios termodinámicos
Los factores que rigen las transformaciones energéticas en los
sistemas bióticos corresponden a las mismas leyes que se
estudian en física y química, y que gobiernan la materia inerte.
Una interpretación muy útil para biología de estas leyes sería:
1. Primera ley: “Principio de la conservación de la energía”.
La energía no se crea ni se destruye, solo es
transformada de una forma a otra. Así, la energía
mecánica durante nuestras actividades proviene de la
energía química de nuestros alimentos.
2. Segunda ley: “ En toda transformación energética, parte
de energía se pierde en forma de calor”. Así, durante
nuestras actividades, el 60% de energía se pierde en
forma de calor, una forma de energía inútil para nuestro
organismo, que no podemos almacenar, por tanto es
liberado hacia el medio circundante
ENZIMAS
Proteínas biocatalizadoras, favorecen y aceleran gran número
de reacciones metabólicas. Una reacción metabólica catalizada
por enzima se denomina reacción enzimática
Etapas de una reacción enzimática
Enz + Sust Enz-sust Enz + Prod
1. Acoplamiento: La enzima se une a un sustrato específico
mediante su sitio activo. Esta unión ha sido explicado
inicialmente mediante el modelo llave-cerradura, y luego
mediante el modelo del encaje inducido.
2. Catálisis: La enzima modifica la conformación espacial del
sustrato introduciendo tensión a los enlaces químicos de su
estructura, favoreciendo la reacción. Este proceso reduce la
energía de activación necesaria para que la reacción ocurra,
además la reacción se acelera.
3. Liberación: El o los productos obtenidos pierden afinidad
por la enzima y son liberados. Las enzimas son útiles para
llevar a cabo otra reacción.
Las enzimas tienen un funcionamiento óptimo bajo condiciones específicas de temperatura y pH, fuera de esta valor la actividad enzimática disminuye.
Cofactores enzimáticos:
Sustancias necesarias para el funcionamiento de una enzima,
pueden permitir la aparición del sitio activo o complementarlo
para su adecuado funcionamiento.
Pueden ser iones metálicos a quienes se denomina activadores,
o moléculas orgánicas derivadas de vitaminas del complejo B,
a quienes se denomina coenzimas
Algunos cofactores:
Metabolismo
Anabolismo
(biosintético)
Constructivo
Endergónico
catabolismo
(energético)
Degradativo
Exergónico
Cofactores
Activadores
(inorgánicos)
Iones metálicos
Mg+2, Fe+2
Coenzimas
(orgánicos)
Derivados de Vit B
NAD, FAD, CoA
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Cofactor Enzima
Zn+2 Anhidrasa carbónica
Mo Nitrogenasa
Fe+2 Citocromo oxidasa
Zimógenos (Proenzimas):
Enzimas cuya activación requiere pérdida de segmentos
peptídicos (por hidrólisis) en su estructura.
Zimógeno Enzima activa
HCl Pepsinógeno ----------------> Pepsina (proteasa) Enterocinasa Tripsina ---------------------> Tripsina
Regulación del metabolismo
El funcionamiento coordinado del organismo requiere que las
reacciones metabólicas catalizadas por enzimas sean reguladas,
esto se logra de dos maneras:
1. Control de la producción enzimática, mediante la activación
e inactivación de genes que dirigen la síntesis de enzimas, de
acuerdo a las necesidades del organismo.
Expresión Gen -----------> Enzima NORMAL
La mutación de un gen conduce a la formación de enzimas
alteradas, generando trastornos metabólicos.
Expresión Gen -----------> Enzima TRASTORNO
(mutado) (alterada) METABÓLICO
2. Control de la actividad enzimática, mediante:
Fosforilación y desfosforilación de las enzimas, proceso
dirigido por hormonas.
Hormona
Enzima ------------------> Enzima-P
(inactiva) (activa) ATP ADP
Unión a un sitio alostérico de sustancias que inducen o
inhiben la actividad enzimática. En algunas reacciones
enzimáticas, el producto de una acción enzimática inhibe a
la enzima, este proceso se denomina retroalimentación o
Feed-Back.
Inhibición alostérica
Enzima
Tirosina ----------> ----------> ----------> melanina
Inhibición enzimática
La capacidad de catálisis de la enzima está intimamente
relacionada con su estructura, cuando esta se modifica el
funcionamiento enzimático se inhibe. Puede ser:
1. Reversible: cuando un inhibidor se une débil y
temporalmente con la enzima. Puede ser competitiva,
cuando el inhibidor compite con el sustrato por el centro
activo, o no competitiva, en la que el inhibidor se une a la
enzima en un sitio distinto del centro activo.
2. Irreversible: cuando un inhibidor se combina con la enzima
y la inactiva de modo permanente. Ejm: metales pesados
que se unen a grupos –SH de los aminoácidos azufrados
de la enzima.
ATP (Adenosina trifosfato)
Gran parte de la energía liberada por el catabolismo es
almacenada en las moléculas de ATP, esta molécula es
portadora de energía útil para el trabajo celular.
El ATP es un nucleótido trifosfatado, y la energía se almacena
en los enlaces fosfato-fosfato, denominados macroérgicos. Cada
enlace denominado macroérgico puede almacenar Kcal
El ATP se forma por fosforilación y se desdobla por hidrólisis.
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Síntesis de ATP
La energía liberada por los procesos catabólicos, es almacenada
en los enlaces macroérgicos de ATP. La síntesis de ATP
ocurre por fosforilación del ADP.
ADP + P + 7,3Kcal ----> ATP
La fosforilación puede ocurrir de dos maneras:
1. Acoplado a reacciones exergónicas. Aprovecha la energía
liberada por algunas reacciones químicas catalizadas por
enzimas. Es denominada también fosforilación a nivel de
sustrato y ocurre en glucólisis y ciclo de Krebs
Glicerato difosfato + ADP----------> Gliceratofosfato + ATP
2. Acoplado a flujo de protones. Según la teoría
quimiosmótica planteada por Mitchell, participa la partícula
F, conformada por un canal protónico (proteína Fo) y la
enzima ATP sintetasa, quien sintetiza ATP, usando la
energía liberada por el flujo de protones de un lado hacia
otro de una membrana celular.
El modelo quimiosmótico explica
la síntesis de ATP fotosforilación
en la fotosíntesis y la fosforilación
oxidativa en la respiración celular.
Hidrólisis del ATP
La hidrólisis del ATP consiste en la ruptura de los enlaces
macroérgicos, este proceso libera energía.
ATP + H2O ------------> ADP + P + 7,3Kcal
La hidrólisis de ATP esta acoplado a procesos que requieren energía para realizar distintas formas de trabajo que garantizan el funcionamiento y la vida celular.
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