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

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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

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

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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}

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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 Concepts

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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.

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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

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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

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Chemical energy

Heat CO2

First law of thermodynamics Second law of thermodynamics

H 2

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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

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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

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Energía libre y metabolismo

• _{El concepto de energía libre puede ser aplicado a}

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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

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Reactants

Energy

Products

Progress of the reaction

Amount of energy released (∆G < 0) F re e e n er g y

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Reactants

Energy

Products

Amount of energy required (∆G > 0) F re e e n er g y

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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

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∆G = 0

A closed hydroelectric system ∆G < 0

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LE 8-7b

An open hydroelectric system

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LE 8-7c

A multistep open hydroelectric system ∆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

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La estructura e Hidrolisis del ATP

• _{ATP (adenosin trifosfato) es la moneda energética}

celular

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Phosphate groups

Ribose 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

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LE 8-9

Adenosine triphosphate (ATP)

Energy P P P

P P

P _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

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LE 8-10

Endergonic reaction: ∆G is positive, reaction is not spontaneous

Exergonic reaction: _∆G is negative, reaction is spontaneous ∆G = +3.4 kcal/mol ∆G = –7.3 kcal/mol ∆G = –3.9 kcal/mol NH₂ NH₃ Glu Glu Glutamic acid

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

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NH₂ Glu P_i P_i P_i P_i Glu NH3 P P P ATP ADP Motor protein

Mechanical work: ATP phosphorylates motor proteins Protein moved

Membrane protein

Solute

Transport work: ATP phosphorylates transport proteins Solute transported

Chemical work: ATP phosphorylates key reactants Reactants: Glutamic acid

and 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

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P

i

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

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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 (E_A)

• _{La energía de activación es proporcionada a}

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Transition state C D A B E_A Products C D A B ∆G < O

Progress of the reaction Reactants C D A B F re e e n er g y

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Course of reaction without enzyme E_withoutA enzyme ∆G is unaffected by enzyme

F re e e n er g y EA with enzyme is lower Course of reaction with 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}

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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