Energía, enzimas y metabolismo
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Energía, enzimas y metabolismo Presentation Transcript

  • 1. Flujo de Energía en el Mundo Biológico Energía, Enzimas y MetabolismoEnergía, Enzimas y Metabolismo
  • 2. La EnergíaLa Energía ““Es la capacidad de producir un cambio en el estado oEs la capacidad de producir un cambio en el estado o movimiento de la materia”movimiento de la materia” Tipos de EnergíaTipos de Energía 1. Energía Cinética (movimiento):1. Energía Cinética (movimiento): Movimiento de la masa oMovimiento de la masa o de las partículasde las partículas • LaLa luzluz (movimiento de fotones)(movimiento de fotones) • ElEl calorcalor (movimiento de moléculas)(movimiento de moléculas) • LaLa electricidadelectricidad (movimiento de electrones)(movimiento de electrones) • El movimiento de objetosEl movimiento de objetos
  • 3. 2. Energía Potencial (almacenada): Es la capacidad de hacer trabajo en virtud de la posición o estado de una masa o partícula. • E. Química (almacenada en los enlaces: carbohidratos y grasas) • E. Eléctrica (almacenada en baterías) • E. de Posición (agua en una represa)
  • 4. El árbol absorbe luz E radiante solar (E cinética) El árbol convierte la E luminosa en E potencial química almacenada en enlaces y la usa para producir hojas, ramas y frutos… La manzana, "llena" de E potencial química, cae al suelo, su E de posición (E potencial) se transforma en E cinética, la E del movimiento Cuando manzana golpea suelo, E cinética se transforma en calor (E calórica) y sonido (E acústica), etc. Flujo de la EnergíaFlujo de la Energía Si alguien come la manzana, cuerpo transforma E química de manzana en movimiento muscular, reproducción, etc.
  • 5. Flujo de la EnergíaFlujo de la Energía Depende de: • Cantidad de E inicialmente disponible • Utilidad de la E • Se rige por la leyes de la Termodinámica Leyes de la Termodinámica • Describen las propiedades y el comportamiento de la Energía en los sistemas.
  • 6. • “La cantidad total de energía del universo permanece constante” • En otras palabras, la energía no puede ser creada ni destruida, aunque si es transformable de un tipo a otro. Primera Ley de la TermodinámicaPrimera Ley de la Termodinámica
  • 7. • “La energía tiende a difundirse de una forma más concentrada a una menos concentrada, ej. se libera como calor o luz, o ambas”. • El desorden siempre está en aumento en el universo. Segunda Ley de la TermodinámicaSegunda Ley de la Termodinámica Requiere + Energía Requiere - Energía
  • 8. Entropía ““mide el grado de desorden o cambio de un sistema”mide el grado de desorden o cambio de un sistema” • Entropía: Es la energía que no puede utilizarse para producir trabajo • La energía de alta calidad, con baja entropía, es la que puede ser más utilizada por el ser humano (ej. carbón, electricidad, gasolina) • La energía de baja calidad, con alta entropía, es la menos utilizable por el ser humano (ej. calor liberado por un animal al correr).
  • 9. Fuentes de EnergíaFuentes de Energía • El Sol proporciona el 99% de toda la energía utilizada por los seres vivos en la Tierra. • Esta fluye a través de los ecosistemas, en procesos cíclicos de utilización y reciclaje.
  • 10. HongosHongos DescomponedoresDescomponedores AutótrofosAutótrofos FotosintetizadoresFotosintetizadores HerbívoroHerbívoro Consumidor 1ºConsumidor 1º DepredadorDepredador Consumidor 2º o 3ºConsumidor 2º o 3º DepredadorDepredador Consumidor 3º o 4ºConsumidor 3º o 4º BacteriasBacterias DescomponedorasDescomponedoras Elementos BásicosElementos Básicos HerbívoroHerbívoro Consumidor 1ºConsumidor 1º InsectívoroInsectívoro Consumidor 2ºConsumidor 2º
  • 11. • Ninguna transformación de la energía es 100% eficiente. • La energía se pierde principalmente en forma de luz y calor. • El calor no puede ser almacenado en las células o en ninguna parte de los seres vivos. Pérdidas energéticasPérdidas energéticas
  • 12. ReaccionesReacciones QuímicasQuímicas Reacciones Endergónicas y exergónicas Reacciones Acopladas Energía de activación
  • 13. • Para que se lleven a cabo requieren de una aportación neta de energía proveniente del exterior. Reacciones endergónicas o no espontáneas Los productos tienenLos productos tienen más E que los reactivos,más E que los reactivos, los reactivos necesitan Elos reactivos necesitan E para llevar a cabo lapara llevar a cabo la reacciónreacción • Ejemplo la Fotosíntesis: Requiere la energía solar para formar glucosa (C6H12O6) a partir de CO2 y H2O • Glucosa brinda 3,75 kilocalorías por cada gramo
  • 14. • Ocurren sin ninguna intervención externa • Generan energía libre (disponible para hacer trabajo) Reacciones exergónicas o espontáneas Reactivos tienen másReactivos tienen más E que los productos,E que los productos, se forman productos yse forman productos y se libera Ese libera E • La Respiración, utiliza la energía contenida en la glucosa para realizar un trabajo.
  • 15. Sistemas VivientesSistemas Vivientes • Las formas de vida son sistemas altamente organizados que requieren mucha energía para mantenerse, o sea es una lucha constante contra la entropía según la segunda ley de termodinámica. • Si la mayoría de las reacciones en seres vivos son endergónicas. ¿Cómo logramos sobrevivir? • Las células compensan su pérdida continua de energía empleando fuentes de energía externas.
  • 16. Fotosíntesis Respiración (Mitocondrias) (Cloroplastos) Reacciones Acopladas • Seres vivos utilizan reacciones exergónicas (proporcionan energía) para impulsar las reacciones endergónicas (requieren energía). • Ambas reacciones ocurren en lugares distintos y la energía se transfiere mediante moléculas portadoras de energía, como el ATP para llevarla donde se necesita. • La fotosíntesis (reacción endergónica en la planta) ocurre en el cloroplasto y la Respiración (exergónica) en la mitocondria.
  • 17. MetabolismoMetabolismo • La infinidad de reacciones químicas que ocurren dentro de las células, les permite crecer, moverse, mantenerse y autorrepararse, reproducirse y reaccionar a los estímulos, integran en forma global el proceso denominado metabolismo. • Metabolismo: todas las transformaciones químicas y energéticas que ocurren en los organismos vivos.
  • 18. Funciones del Metabolismo • La digestión de los nutrientes de los alimentos permite: – Obtener energía química de uso inmediato – Generar reservas energéticas (carbohidratos y lípidos) • La construcción de biocompuestos y estructuras propias: – Lípidos, proteínas, carbohidratos, enzimas, ADN, etc. – Crecimiento: Construir y renovar estructuras (células, tejidos, órganos, etc.). • La reproducción del organismo • La eliminación de residuos tóxicos producidos por la actividad celular – Ácidos – Peróxido de hidrógeno • Mamíferos, la regulación de la temperatura del organismo.
  • 19. Vías Metabólicas Anabolismo y Catabolismo
  • 20. Anabolismo • Síntesis o formación de biomoléculas más complejas a partir de otras moléculas más sencillas, con requerimiento de energía (reacciones endergónicas). Biosíntesis: • Lípidos complejosLípidos complejos • CarbohidratosCarbohidratos complejoscomplejos • ProteínasProteínas • Principal es laPrincipal es la FotosíntesisFotosíntesis
  • 21. Catabolismo • Transformación de biomoléculas complejas en moléculas sencillas, para obtener energía en forma de ATP (reacciones exergónicas). Degradación:Degradación: • Lípidos complejosLípidos complejos • CarbohidratosCarbohidratos complejoscomplejos • ProteínasProteínas • Principal es laPrincipal es la RespiraciónRespiración
  • 22. TransporteTransporte dede EnergíaEnergía: ATP: ATP • Reacciones acopladas no necesitan ocurrir en el mismo lugar para trabajar juntas • En células, la energía viaja también por medio de moléculas transportadoras • El ATP es la principal molécula de alto contenido energético que conecta las reacciones productoras de energía con las que la necesita. • Otras moléculas transportadoras: NAD y FAD Proceso de Fotosíntesis
  • 23. Estructura de la molécula de ATP Trifosfato de adenosina o adenosín trifosfatoTrifosfato de adenosina o adenosín trifosfato • Es un nucleótido que está formado por una base nitrogenada (adenina), unida al carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la ribosa, que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos fosfato. • Se produce durante la fotosíntesis y la respiración celular, y es consumida por muchos enzimas y proteínas en numerosos procesos químicos para liberar energía. • Su fórmula es C10 H16 N5 O13 P3. Enlaces de alta energía
  • 24. ¿Cómo produce energía el ATP?¿Cómo produce energía el ATP? • Rompiéndose el enlace fosfato • En los procesos REDUCTIVOS se libera energía, cual es utilizada para el metabolismo: ATP --------------------->  ADP + Pi  (ΔG = -7.7 kcal/mol) Se liberan 7.7 kcal/mol)
  • 25. Procesos donde participa el ATPProcesos donde participa el ATP • Anabolismo – Biosíntesis de lípidos, carbohidratos, proteínas, enzimas, etc. • Transporte activo a través de la membrana plasmática – Energía a proteínas integrales transportadoras • Contracción muscular – Bomba de Sodio (Na) y Potasio (K) • Transferencia genética y reproducción celular – Mitosis y meiosis
  • 26. Enzimas Propiedades y Cinética
  • 27. Barreras energéticas • Una taza de glucosa aún en condiciones favorables de O2 tardaría muchos años para transformarse espontáneamente en H2O y CO2. • Los seres vivos no pueden esperar tanto tiempo, por eso intervienen catalizadores biológicos denominados enzimas.
  • 28. Energía de ActivaciónEnergía de Activación • Las reacciones químicas no ocurren espontáneamente, requieren E inicial (un “empujón”) para comenzar. • E de activación ⇒ E cinética mínima que necesita un sistema para poder iniciar un determinado proceso o reacción. • Calor: Por sí solos el combustible y el comburente no producen fuego, es necesario un primer aporte de energía (calor) para iniciar la combustión autosostenida.
  • 29. • Son biocatalizadores de naturaleza proteica, que aceleran la velocidad de una reacción química al bajar la energía de activación necesaria para que esta ocurra. • Todas las reacciones del metabolismo celular se realizan gracias a la acción de catalizadores o enzimas EnzimasEnzimas “Catalizadores Biológicos”“Catalizadores Biológicos” Producto Reactivo Producto Reactivo Energía de Activación Energía liberada Energía aplicada Sin Catalizar Catalizada Energía de Activación
  • 30. Características de las Enzimas • Aceleran de cientos a millones de veces la velocidad una reacción que tardaría mucho en darse por sí sola. • Las enzimas no se modifican o se pierden cuando intervienen en una reacción. • El mismo tipo de enzima cataliza hacia la derecha y hacia la izquierda cuando es reversible. • La enzimas tienen sustratos específicos, son selectivas.
  • 31. • Enzimas son selectivas – Su selectividad determina cuáles son los procesos químicos que se llevan a cabo en una célula. – Cada enzima posee una forma tridimensional única, y dicha forma determina la especificidad de esa enzima. – Sustrato - enzima (centro activo) Selectividad de las EnzimasSelectividad de las Enzimas Amilasa Almidón Lipasa Lípidos
  • 32. ¿Cómo trabaja una enzima?¿Cómo trabaja una enzima? • La enzima (E), tiene uno o varios sitios activos, donde se combinan con el sustrato (S) formando el complejo de transición (reacción reversible), enzima - sustrato (E-S). • Cuando se forman los productos (P) de la reacción, enzima se regenera de nuevo y queda libre para volver a combinarse con otra molécula de sustrato • La enzima puede actuar sobre millones de moléculas de sustrato. Enzima (sacarasa) Sitio activo 1 2 3 Sustrato “S” (sacarosa) Enzima “E” disponible con sitio activo vacío Sustrato se une a enzima Complejo “E-S” Sustrato Convertido en Productos “P” 4 Productos liberados GlucosaFructosa son
  • 33. • La actividad de la enzima es influenciada por los siguientes factores: – Temperatura – pH – Cofactores o Activadores – Inhibidores El ambiente celular afecta laEl ambiente celular afecta la actividad enzimáticaactividad enzimática
  • 34. TemperaturaTemperatura • Las enzimas son desactivadas por las altas temperaturas (50 a 60 °C) ⇒ Se desnaturalizan. • Las reacciones ocurren muy lento o se suspenden a bajas temperaturas.
  • 35. Acidez o alcalinidad delAcidez o alcalinidad del medio de reacción (pH)medio de reacción (pH) • Un pH alto o bajo se puede producir la desnaturalización de la enzima y en consecuencia su inactivación • Su máxima actividad esta cerca de la neutralidad en un rango de pH de 6 a 8. Según el sitio: • Tripsina en el intestino, pH cerca a 8. • Pepsina, digiere proteínas en el estómago, pH entre 1 - 2
  • 36. Cofactores o ActivadoresCofactores o Activadores • Muchas enzimas requieren cofactores no proteicos para realizar sus actividades: – Muchos cofactores son moléculas orgánicas (ARN) llamadas coenzimas – Otros son sustancias inorgánicas: iones de zinc, hierro, magnesio, manganeso, cobre
  • 37. • Hay dos tipos de inhibidores: – El inhibidor competitivo se asemeja al sustrato normal ý se une en el sitio activo de la enzima – El inhibidor no competitivo se une a la enzima en un lugar diferente al sitio activo pero modifica la conformación espacial de la enzima Los inhibidores enzimáticosLos inhibidores enzimáticos bloquean la acción enzimáticabloquean la acción enzimática Sustrato Enzima Sitio activo UNION NORMAL DEL SUSTRATO Inhibidor competitivo Inhibidor no competitivo INHIBICION ENZIMÁTICA
  • 38. • Ciertos pesticidas son tóxicos para los insectos porque inhiben irreversiblemente ciertas enzimas claves en el sistema nervioso. (malatión) • Muchos antibióticos también inhiben enzimas que son esenciales para la supervivencia de las bacterias que causan enfermedades – Penicilina inhibe a una enzima que las bacterias usan para construir sus paredes celulares Algunos pesticidas y antibioticosAlgunos pesticidas y antibioticos inhiben las enzimasinhiben las enzimas
  • 39. • Más sistemática debido al gran número de enzimas conocidas en la actualidad. • Se refiere a la función que desempeñan las enzimas: - Oxidorrectasas: transferencia de electrones - Transferasas: transferencia de grupos funcionales - Hidrolasas: reacciones de hidrólisis (celulasa) - Liasas: adición de dobles enlaces (carboxilasa) - Isomerasas: reacciones de isomerización - Ligasas: formación de enlaces de ATP Clasificación y nomenclatura modernaClasificación y nomenclatura moderna
  • 40. Grupo Acción ejemplos 1. Oxidoreductasas Catalizan reacciones de oxidorreducción. Tras la acción catálica quedan modificados en su grado de oxidación por lo que debe ser transformados antes de volver a actuar de nuevo. Dehidrogenasas Aminooxidasa Deaminasas Catalasas 2. Transferasas Transfieren grupos activos (obtenidos de la ruptura de ciertas moléculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos de interconversiones de azucares, de aminoácidos, etc Transaldolasas Transcetolasas Transaminasas 3. Hidrolasas Verifican reacciones de hidrólisis con la consiguiente obtención de monómeros a partir de polímeros. Suele ser de tipo digestivo, por lo que normalmente actúan en primer lugar Glucosidasas Lipasas Peptidasas Esterasas Fosfatasas 4. Isomerasas Actúan sobre determinadas moléculas obteniendo de ellas sus isómeros de función o de posición. Suelen actuar en procesos de interconversion Isomerasas de azúcar Epimerasas Mutasas 5. Liasas Realizan la degradación o síntesis (entonces se llaman sintetasas) de los enlaces denominados fuertes sin ir acoplados a sustancias de alto valor energético. Aldolasas Decarboxilasas 6. Ligasas Realizan la degradación o síntesis de los enlaces fuertes mediante el acoplamiento a sustancias ricas en energía como los nucleosidos del ATP Carboxilasas Peptidosintetasas Grupos enzimáticos, funciones y ejemplos