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Metabolismo Celular Función Complejidad de los sistemas biológicos Para tomar dimensión de esta complejidad, no basta con observar estructuras y analizar compuestos químicos; es necesario también interpretar los numerosos procesos que ocurren en forma constante en su interior, que permiten su supervivencia. METABOLISMO La totalidad de las reacciones químicas que ocurren en la célula, por la cuál puede realizar todos los procesos vitales para su supervivencia se denomina metabolismo. El metabolismo es una propiedad emergente de la vida que surge de las interacciones de las moléculas dentro del ambiente organizado de la célula. Procesos vitales (ejemplos de usos de la energía por la célula) Construcción de nuevas macromoléculas (síntesis de proteínas, lípidos, etc…) Movimiento de las organelas en el interior celular Movimiento de cilios y flagelos Reproducción Mantenimiento del balance osmótico Transporte activo de moléculas a través de la membrana plasmática ¿Qué tipo de energía utiliza la célula? Tipos de energía La Energía puede existir en dos estados: Energía cinética – energía de movimiento. Energía potencial – energía almacenada. Energía química – energía potencial almacenada en las uniones químicas, la cual es liberada cuando se rompen estas uniones. Esta energía está regida por las leyes de la termodinámica. Leyes de la termodinámica Calor CO2 + H2O Primera Ley de la Termodinámica: la energía puede transferirse o transformarse, pero nunca crearse o destruirse. Por ejemplo, la energía química (potencial) de los alimentos se convertirá en energía cinética del movimiento del guepardo. Segunda Ley de la Termodinámica: cada transferencia o transformación de energía incrementa el desorden (entropía) del universo. Por ej, se añade desorden al entorno del guepardo en la forma de calor y de las pequeñas moléculas que son subproducto del metabolismo. Importancia de la segunda ley de la termodinámica en los procesos biológicos El alto grado de compartimentalización de la célula es un reflejo del orden existente. Un sistema biológico se mantiene en su estado organizado tomando energía del ambiente y procesándola a través de su eficiente maquinaria química. De esta forma puede realizar las diferentes funciones celulares y así mantener su organización interna. Durante estos procesos, las células devuelven a su entorno energía disipada en forma de calor y otras formas que son rápidamente distribuidas en el ambiente, aumentando su desorden y entropía. Así, los organismos vivos consiguen ganar orden interno a expensas de generar desorden en su ambiente. Teniendo en cuenta la complejidad que poseen los organismos: ¿Cómo se llevan a cabo todas estas miles de reacciones químicas que componen el metabolismo? Vías metabólicas Enzima 1 A B Reacción 1 Molécula inicial Enzima 2 Enzima 3 D C Reacción 2 Reacción 3 Producto Reacciones químicas del metabolismo = vías metabólicas Una vía metabólica comienza con una molécula específica, que luego se altera en una serie de pasos definidos que dan como resultado un determinado producto. Cada paso de la vía metabólica, es decir, cada reacción química individual, es catalizado por una enzima. ¿Cómo podemos representar el metabolismo celular esquemáticamente? Vía metabólica abreviada En este diagrama están representadas alrededor de 500 reacciones metabólicas que normalmente están ocurriendo en la célula en forma simultánea Tomado del libro Biología Molecular de la Célula Alberts et al, 2004 Tipos de reacciones están involucradas en el metabolismo celular Reactivos Energía Libre Cantidad de Energía liberada Energía Productos Reacciones catabólicas o degradación. Ej: glucólisis Progreso de la reacción Reacción exergónica: libera energía Energía Libre Productos Cantidad de Energía requerida Reactivos Energía Progreso de la reacción Reacción endergónica: requiere energía Reacciones anabólicas o de síntesis. Ej: síntesis de proteínas ¿Cómo se relacionan las vías anabólicas y catabólicas en el metabolismo? ¿Cómo se presenta esta energía en la célula? El ATP acopla las reacciones exergónicas con las endergónicas P P P Adenosin Trifosfato (ATP) H2O Pi + P P Fósforo inorgánico Adenosin difosfato (ADP) + Energía De qué manera realiza trabajo el ATP Pi P Proteína motora Trabajo mecánico Proteína Transportadora ADP + Pi ATP Pi P Soluto transportado Soluto Trabajo de transporte de sustancias P Glu + NH3 Reactivos: ácido glutámico y amoníaco Trabajo químico de síntesis NH2 + Glu Pi Producto: Glutamina ¿Cómo ocurre la regeneración del ATP? ATP Energía del catabolismo Energía para el trabajo celular (endergónica, procesos que consumen energía) El proceso catabólico más importante de la célula es la glucólisis. ADP + P i REGULACION DEL METABOLISMO Una de las características sobresalientes del metabolismo como actividad celular es el de estar perfectamente regulado, coordinado e integrado. El control de metabolismo representa el control de todas y cada una de las vías metabólicas. Cada vía metabólica tiene una ENZIMA clave (limitante) de cuyo funcionamiento depende el flujo de moléculas a través de la vía metabólica completa. Enzimas Los enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas en los seres vivos. • Las enzimas son catalizadores, es decir, sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan notablemente su velocidad. • No hacen factibles las reacciones imposibles, sino que solamente aceleran las que espontáneamente podrían producirse, disminuyendo la energía de activación. • Cada enzima es específica de una reacción química. • El nombre de las enzimas es el del sustrato más el sufijo: -asa. Los nombres de las enzimas revelan la especificidad de su función. Efecto de las enzimas en la velocidad de reacción Energía libre Curso de la reacción sin la enzima EA sin enzima EA con enzima Reactivos Curso de la reacción con la enzima Productos Progreso de la reacción Mecanismo de acción de las enzimas Los sustratos entran al sitio activo Los sustratos son mantenidos en el sitio activo por interacciones débiles como puentes hidrógeno y enlaces iónicos Sustratos Complejo enzima-sustrato El sitio activo queda disponible para dos nuevas moléculas de sustrato El sitio activo puede bajar la energía de activación y acelerar la reacción al suministrar un ambiente favorable. Enzyme Los productos son liberados Productos Los sustratos se convierten en productos Factores que afectan las reacciones catalizadas por enzimas 1. Temperatura 2. pH 3. Concentraciones de: A. Enzima B. Sustrato C. Producto (retroalimentación negativa) Efecto de la temperatura y pH Tasa de reacción Temperatura óptima de enzimas humanas 0 40 60 Temperatura (°C) 20 Tasa de reacción pH óptimo de pepsina (enzima estomacal) 0 1 Temperatura óptima de una enzima de una bacteria termófila 2 3 4 5 pH 80 100 pH óptimo de Tripsina (enzima intestinal) 6 7 8 9 10 Efecto del sustrato Bibliografía consultada CURTIS BIOLOGÍA. 7º Edición. Curtis, Barnes, Schnek, Massarini. Ed. Médica Panamericana, Buenos Aires. 2008.1160p. BIOLOGÍA. 6ª Edición. Curtis H, Sue Barnes N. Ed. Médica Panamericana, Buenos Aires. 2000. 1496 p. BIOLOGÍA. 7º Edición. Campbell-Reece. Ed. Médica Panamericana, Buenos Aires. 2007.1231p. BIOLOGÍA MOLECULAR DE LA CÉLULA. 4ª Edición. Alberts, B.; Johnson, A.; Lewis, J.; Raff, M.; Roberts, K.; Walter, P. Ediciones Omega (2004). Sitios web consultados Hipertextos del Área de Biología. Universidad Nacional del Nordeste. http://www.biologia.edu.ar/ Curtis Biología online http://curtisbiologia.com/ Biología de Campbell online http://www.medicapanamericana.com/campbell/