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Metabolismo
Introducción al metabolismo
Celular
PowerPoint Lectures for
Biology, Seventh Edition
Neil Campbell and Jane Reece
Lectures by Chris Romero
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
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
Starting
molecule
Enzyme 2
Enzyme 3
D
C
Reaction 2
Reaction 3
Product
• 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
las cuales pueden realizar trabajo
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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.
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
• Los organismos son sistemas abiertos
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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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Heat
Chemical
energy
CO2
HO
2
First law of thermodynamics
Second law of thermodynamics
• 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
para realizar trabajo
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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
cuando se mueve hacia el equilibrio
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Gravitational motion
Diffusion
Chemical reaction
Energía libre y metabolismo
• El concepto de energía libre puede ser aplicado a
la química de los procesos vitales
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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
Free energy
Amount of
energy
released
(∆G < 0)
Energy
Products
Progress of the reaction
Exergonic reaction: energy released
Products
Free energy
Energy
Reactants
Progress of the reaction
Endergonic reaction: energy required
Amount of
energy
required
(∆G > 0)
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
LE 8-7b
∆G < 0
An open hydroelectric system
LE 8-7c
∆G < 0
∆G < 0
∆G < 0
A multistep open hydroelectric system
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
exergónico para llevar a cabo uno endergónico.
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La estructura e Hidrolisis del ATP
• ATP (adenosin trifosfato) es la moneda energética
celular
• ATP provee energía para las funciones celulares
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Adenine
Phosphate groups
Ribose
• 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
P
P
P
Adenosine triphosphate (ATP)
HO
2
Pi
+
Inorganic phosphate
P
P
Adenosine diphosphate (ADP)
+
Energy
• En la célula, la energía de las reacciones exergónicas de la hidrólisis
del ATP puede ser usada para llevar a cabo una reacción
endergónica
• En general, las reacciones acopladas son exergónicas
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LE 8-10
Endergonic reaction: ∆G is positive, reaction
is not spontaneous
NH2
Glu
+
NH3
Ammonia
Glutamic
acid
∆G = +3.4 kcal/mol
Glu
Glutamine
Exergonic reaction: ∆G is negative, reaction
is spontaneous
ATP
+
H2O
ADP
Coupled reactions: Overall ∆G is negative;
together, reactions are spontaneous
+
Pi
∆G = –7.3 kcal/mol
∆G = –3.9 kcal/mol
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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Pi
P
Motor protein
Protein moved
Mechanical work: ATP phosphorylates motor proteins
Membrane
protein
ADP
+
Pi
ATP
Pi
P
Solute transported
Solute
Transport work: ATP phosphorylates transport proteins
P
Glu
NH2
+
NH3
Reactants: Glutamic acid
and ammonia
+
Glu
Pi
Product (glutamine)
made
Chemical work: ATP phosphorylates key reactants
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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ATP
Energy from catabolism
(exergonic, energyyielding processes)
Energy for cellular work
(endergonic, energyconsuming processes)
ADP +
P
i
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
• Una enzima es una proteína catalizadora
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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 (EA)
• La energía de activación es proporcionada a
menudo como calor desde los alrededores
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A
B
C
D
Transition state
Free energy
A
B
C
D
EA
Reactants
A
B
∆G < O
C
D
Products
Progress of the reaction
Course of
reaction
without
enzyme
EA
without
enzyme
EA with
enzyme
is lower
Free energy
Reactants
Course of
reaction
with enzyme
∆G is unaffected
by enzyme
Products
Progress of the reaction
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
enzimas
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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
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