Download Enzima - fundamentosdebiolo2011

Flujo de Energía en el
Mundo Biológico
Energía, Enzimas y Metabolismo
La Energía
“Es la capacidad de producir un cambio en el estado o
movimiento de la materia”
Tipos de Energía
1. Energía Cinética (movimiento): Movimiento de la masa o
de las partículas
• La luz (movimiento de fotones)
• El calor (movimiento de moléculas)
• La electricidad (movimiento de electrones)
• El movimiento de objetos
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)
Flujo de la Energía
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.
Si alguien come la manzana, cuerpo transforma E química
de manzana en movimiento muscular, reproducción, etc.
Flujo 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.
Primera Ley de la Termodinámica
• “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.
Segunda Ley de la Termodinámica
• “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.
Requiere + Energía
Requiere - Energía
Entropía
“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).
Fuentes 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.
Autótrofos
Fotosintetizadores
Herbívoro
Consumidor 1º
Bacterias
Descomponedoras
Herbívoro
Consumidor 1º
Insectívoro
Consumidor 2º
Depredador
Consumidor 2º o 3º
Depredador
Consumidor 3º o 4º
Hongos
Descomponedores
Elementos Básicos
Pérdidas energéticas
• 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.
Reacciones
Químicas
Reacciones Endergónicas y
exergónicas
Reacciones Acopladas
Energía de activación
Reacciones endergónicas o no espontáneas
• Para que se lleven a cabo requieren de una aportación
neta de energía proveniente del exterior.
Los productos tienen
más E que los reactivos,
los reactivos necesitan E
para llevar a cabo la
reacción
• 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
Reacciones exergónicas o espontáneas
• Ocurren sin ninguna intervención externa
• Generan energía libre (disponible para hacer trabajo)
Reactivos tienen más
E que los productos,
se forman productos y
se libera E
• La Respiración, utiliza la energía contenida en la glucosa
para realizar un trabajo.
Sistemas 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.
Reacciones Acopladas
• Seres vivos utilizan reacciones
exergónicas (proporcionan energía)
para impulsar las reacciones
endergónicas (requieren energía).
Fotosíntesis
(Cloroplastos)
• 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.
Respiración
(Mitocondrias)
Metabolismo
• 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.
Funciones del Metabolismo
• La
–
–
• La
–
–
digestión de los nutrientes de los alimentos permite:
Obtener energía química de uso inmediato
Generar reservas energéticas (carbohidratos y lípidos)
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.
Vías Metabólicas
Anabolismo y Catabolismo
Anabolismo
• Síntesis o formación de biomoléculas más complejas a partir
de otras moléculas más sencillas, con requerimiento de
energía (reacciones endergónicas).
Biosíntesis:
• Lípidos complejos
• Carbohidratos
complejos
• Proteínas
• Principal es la
Fotosíntesis
Catabolismo
• Transformación de biomoléculas complejas en moléculas
sencillas, para obtener energía en forma de ATP
(reacciones exergónicas).
Degradación:
• Lípidos complejos
• Carbohidratos
complejos
• Proteínas
• Principal es la
Respiración
Transporte de Energía: 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
Estructura de la molécula de ATP
Trifosfato 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
¿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)
Procesos 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
Enzimas
Propiedades y Cinética
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.
Energía 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.
Enzimas
“Catalizadores Biológicos”
• 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
Energía
aplicada
Sin
Catalizar
Energía de
Activación
Catalizada
Energía
liberada
Energía de Activación
Reactivo
Producto
Reactivo
Producto
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.
Selectividad de las Enzimas
• 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)
Amilasa
Almidón
Lipasa
Lípidos
¿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)
Glucosa Fructosa
4
Productos
son
liberados
Sitio
activo
Sustrato “S”
(sacarosa)
1
Enzima “E” disponible
con sitio activo
vacío
3
Sustrato
Convertido en
Productos “P”
2
Sustrato se
une a enzima
Complejo “E-S”
El ambiente celular afecta la
actividad enzimática
• La actividad de la enzima es influenciada por los
siguientes factores:
–
–
–
–
Temperatura
pH
Cofactores o Activadores
Inhibidores
Temperatura
• 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.
Acidez o alcalinidad del
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
Cofactores 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
Los inhibidores enzimáticos
bloquean la acción enzimática
• Hay dos tipos de
UNION NORMAL DEL SUSTRATO
inhibidores:
Sustrato
Sitio
– El inhibidor competitivo
activo
se asemeja al sustrato
normal ý se une en el
Enzima
sitio activo de la enzima
– El inhibidor no
competitivo se une a la Inhibidor
Inhibidor no
competitivo
competitivo
enzima en un lugar
diferente al sitio activo
pero modifica la
conformación espacial de
INHIBICION ENZIMÁTICA
la enzima
Algunos pesticidas y antibioticos
inhiben las enzimas
• 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
Clasificación y nomenclatura moderna
• 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
Grupos enzimáticos, funciones y ejemplos
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
¿Preguntas?