Download Bosquejo cap 3 Alberts

Universidad Adventista de las Antillas
Biol 432 - Celular-Molecular
Energía, Catálisis y Biosíntesis – Alberts, et al., 2009.
Introducción:
Un aspecto prácticamente milagroso que distingue las cosas vivas de las no vivas es la bioenérgetica:
- las cosas vivas son capaces de crear y mantener orden en un universo que tiende al desorden
- lo hacen por vía de una serie interminable de reacciones químicas: metabolismo = anabolismo +
catabolismo
- Que se necesita; átomos (alimentos) para formar moléculas y energía…
- De donde se obtienen ambos: del ambiente inanimado
- Este capítulo discute porque se necesita energía y como la célula la usa para crear orden que hace
la vida posible.
- Estas reacciones normalmente ocurren a temps mucho mas altas de lo que hay en la célula.
- Cada reaxn requerirá un empuje grande en energía para que la reacción proceda rápido en el interior
de la célula; esto se hace con enzimas quienes catalizan o aceleran las reacciones
- Por lo general estas reacciones trabajan en serie donde el producto de una reacción es el sustrato
de la siguiente. FIG 3.1.
- Estas reacciones formaran una red interconectada de reacciones en todo el organismo
- Catálisis es una forma de control o regular procesos celulares
- Metabolismo = Anabolismo y catabolismo (FIG 3.2)
Antagónicos
moléculas peq para formar grandes, orden, enlaces nuevos, almacén de energía, síntesis
moléculas gds para formar pequeñas, desorden, romper enlaces, liberar energía, degradación
acoplamiento
bioquímica
El uso de Energía por la célula
- cosas sin vida o muertas, dejados por si mismo se desordenan, descomponen o decaen
- Cosas vivas no: mantiene el orden y mas aun generan orden en todas las escalas desde animales o
plantas hasta nivel celular (FIG3.3)
- Esto se consigue a través de una red intrincada y complicada de mecanismos que extraen energía del
ambiente y la convierten en energía almacenada en enlaces químicos
- Las estructuras se están renovando continuamente pero nunca pierden su forma ni función
El orden biológico se hace posible por la liberación de energía calórica por las células
- 2da ley de termodinámica: tendencia universal hacia el desorden
- en el universo o en cualquier sistema aislado el grado o nivel de desorden solo puede aumentar
- en términos de probabilidad dice: que los sistemas cambiaran espontáneamente hacia arreglos que
tengan la mayor probabilidad de ocurrir.
- EJ: 100 monedas: solo una forma de q estén todas cara, o todas cruz, pero muchas formas de que
estén 50 y 50, PLT es mas probable este 50 y 50.
- Esta forma 50 y 50 pone menos restricciones a como debe estar cada una de las monedas, PLT es
mas desordenada
- El movimiento hacia el desorden es algo espontaneo y se requiere un esfuerzo periódico para
revertir el proceso (FIG 3-4)
- Entropía: es la medida del desorden en un sistema; asi mientras mas grande el desorden mas grande
la entropía
- Asi otra forma de expresar la 2da ley es decir que los sistemas cambian espontáneamente hacia
arreglos con mayor entropía.
-
-
-
-
Las células aparentemente desafían la 2da ley: sobreviven, crecen, y forman comunidades y
organismos complejos y generando orden
Como la célula NO es un sistema aislado, porque obtiene su E del ambiente (alimentos y el sol por
ej) y la usa para generar orden, creando enlaces y macromoléculas
En el proceso de realizar reacciones químicas y generar orden energía de los enlaces se convierte en
calor
Calor es la forma mas desordenada de energía, moléculas moviéndose desordenadamente
Como la célula no es un sistema aislado, la energía de calor que se genera se dispersa rápidamente a
los alrededores de la célula, aumentando la energía de las moléculas allí y PLT aumentando la
entropía del ambiente (FIG 3-5)
A medida q se genera orden dentro de la célula, aumenta el desorden total del sistema (dentro y
fuera)
De donde sale el calor liberado por la célula al ambiente? Según la 1ra ley, la E ni se crea ni se
destruye sino q se transforma, PLT proviene de la inter-conversión de otras formas de energía (FIG
3-6)
La energía presente en alguna forma será cambiada por reacciones químicas en otras formas de
energía en la célula, pero por la primera ley la energía total no puede cambiar en el sistema, asi q
cambian de un tipo de E a otro tipo y se disipa un poco en calor… pero el total no cambia
La energía que se disipa en forma no utilizable se pierde a menos q se acoplen reacciones que
generan E y las q consumen E. mas adelante veremos
Organismo fotosintéticos usan la luz solar para sintetizar moléculas orgánicas (FIG 3.7)
- todos los organismos viven de energía almacenada en enlaces químicos de moléculas orgánicas
producidas por otros organismos de los q se alimentan
- Fotosíntesis – conversión de la energía del sol en energía química. Átomos de moléculas inorgánicas
en moléculas orgánicas
- Fig 3-8 – Fotosíntesis ocurre en dos etapas una dependiente de luz y la otra no. Se captura la luz y
se almacena en acarreadores, se libera O2
- En La segunda parte, los acarreadores son usadas para ayudar en la fijación de C que proviene del
CO2 al sintetizar carbohidratos a partir del CO2 y H2O
Celulas obtienen E por la Oxidación de las Moléculas Orgánicas
- oxidación es el proceso por el cual gradualmente las células extraen la E almacenada en las moléculas
de alimentos
- como la atmosfera es 21% O2, las formas mas estables de carbono y de H son CO2 y H2O por eso
por respiración celular se les extrae la energía a las moléculas organicas q sirven de alimento y
terminan como estos productos
- Fotosintesis y Respiracion como procesos complementarios
OXidacion y Reduccion involucra Transferencia de electrones
- oxidación - la adicion de atomos de O a una molecula, ocurre en cualquier rxn donde se transfieren
electrones de un atomo a otro, implica perdida de electrones
- reducción – lo opuesto, la adicion de electrones
- EJ: Fe2+ es oxidado cuando se convierte en F3+: pierde un electron
- Cl es reducido cuando se convierte en Cl-, gana un electron
- Como los electrones se conservan, siempre ocurren acopladas, alguien pierde un e-, PLT alguien lo
gana
- Cuando una azúcar es oxidada a Co2 y H2O, las moléculas de O involucradas en la producción de
H2O, ganan electrones PLT son reducidas
-
Cuando una molecula recoge uen e-, también recoje un H+, asi q el efecto neto es anadir un atomo
de H a la molecula
A + e- + H+ = AH; PLT reacciones de hidrogenación son reducciones y de deshidrogenacion
son oxidaciones
Una forma fácil de ver si una molecula organica estar siendo reducida u oxidada es contando los
enlaces C-H: si el numero de C-H aumenta hay reducción , si el numero de C-H disminuye hay
oxidación (FIG 3-11B)
- Catalisis y Energía Libre
Las enzimas como las células obedecen la 2da ley de T
- puede acelerar velocidad de reacciones pero no pueden forzar reacciones energéticamente
desfavorables
- Pero si no lo hacen no pueden crecer ni dividirse asi q tienen q buscar la manera de q esas
reacciones desfavorables ocurran Ej fabricar moléculas complejas ordenadas a partir de moléculas
mas simples
Como ocurre la catalizacion de reacciones químicas?
-Enzimas disminuyen la barrera que previene el que las reacciones químicas ocurran>
- Prendo un fosforo y lo pego a un papel se quema rápido y libera agua y CO2 al ambiente y energía en
forma de calor (Fuego) papel + O2  humo + cenizas + calor + CO2 + H2O
- esto no ocurre en la otra dirección,
- el papel al quemarse disipa al ambiente su energía quimica en forma de calor
- no se pierde energía en el universo por la primera ley, pero obviamente se aumenta el desorden en el y la
energía pasa a estar en una forma imposible de reutilizar o rescatar y genera movimiento termal en las
moléculas del universo
- también los atomos del papel se desordenan y dispersan
- En el lenguaje de Termodinamica: hubo una liberación de energía libre; energía q se podría usar para
hacer trabajo o dirigir reacciones químicas
- esta energía q se libera es un reflejo de la perdida de orden en las moléculas y atomos q estaban
ordenados en el papel
-EN RESUMEN: Las reacciones químicas solo pueden ocurrir en la dirección que las lleva a la perdida de
energía libre.
-En otras palabras: la dirección a la q una reacción espontanea ocurre es cuesta abajo, de un punto de
mucha energía a un estado de menos energía, y asi son energéticamente favorables
-Aunque la forma mas simple de Carbono es CO2 y de H es H2O, la materia no se puede desintegrar en un
puff y el libro convertirse en cenizas en un segundo porque esta en una forma estable relativamente, y no
puede pasar de este estado de alta energía y orden a uno de menos energía y desorden SIN que le demos
un empujon inicial.
-En otras palabras las moléculas necesitan un empujoncito por encima de la barrera de energía antes de
poder pasar por una reacción química que las mueva a un estado de mayor estabilidad o de menos energía.
-Esto se llama necesitan ser ENERGIA de ACTIVACION -- FIG 3-12A
-En el caso de quemar el libro esta EA es dada por el fuego o el fosforo-Para moléculas en solución acuosa esta EA surge por la energía de las colisiones al azar que cada vez son
mas violentas hasta q una alcanza la EA para saltar al barrera.
-A la temperatura de las células vivas este empujon es ayudado por las enzimas.
-Cada enzima se une a su ligando (sustrato) y lo agarra de tal forma que reduce la cantidad de EA
necesaria para que salte la barrera o proceda en la reacción Fig 3-12B
-Una sustancia que baja la EA a una reacción es un catalítico, los catalizadores aceleran la velocidad de
una reacción química al bajar la EA, o sea haciendo que la reacción ocurra mas fácilmente, pues ocurre mas
rápido, facilitan los choques, o mas choques PLT mas pronto los choques suben de fuerza
Fig 3-13 y 3-14
-Asi q reacciones q a temp amb no ocurrirían una enzima ayuda a que ocurra, PLT la vida no ocurriría si no
fuera por las enzimas
-Son altamente selectivas y especificas para una reacción de todas las que hay
-Cada enzima dirige una sola reacción y de esta forma dirige cada moléculas por las rutas q la celula
necesita
-Tienen un sitio activo, un bolsillo donde solo cabe el sustrato para esa enzima (Fig 3-15)
No sufren cambio durante la reacccion y se reciclan
El cambio en Energia Libre para una reacción dada, determina si esta puede ocurrir
De acuerdo a la 2da ley, una reacción química puede proceder SOLO si resulta en un aumento NETO
en el desorden del universo (veo cuanto desorden genera y cuanto orden genera; y tiene q haber mas
desorden)
- El desorden cuando aumenta? Cuando energía q se podría usar para trabajo es disipada como calor!
- Energía libre (G) es la forma de expresar el desorden en un sistma, cuando ocurre un cambio en el.
- El cambio en ENERGIA LIBRE (G) es el mas q se usa.
Suponer que el sistema de estudio es un grupo de moléculas
- AG mide la cantidad de desorden creado en el universo cuando una rxn que involucra esas moléculas
ocurre.
- Rxns Energeticamente favorables son aquellas que crean desorden en energía libre del sistema, y
tendrán un AG negativo (FIG 3-16)
- Una rxn solo puede ocurris espontáneamente si su AG es negativo (un spring de comprimido a
estirado, es espontanea y libera energía y causa mas desorden en el ambiente)
- Un cristal de NaCl en agua al disolverse es espontanea y genera desorden libera energía libre
- Rxns Energeticamente favorables con AG positivo, son aquellas q generan orden como a formación de
un enalce péptido entre dos AA, crean orden y disminuyen el desorden del universo pero necesitan E
para generar el enlace
- SOLO PUEDEN OCURRIR SI ESTAN ACOPLADAS A ALGUNA REACCION QUE GENERA
DESORDEN Y QUE LIBERE ENERGIA, LA QUE ELLAS USARIAN PARA GENERAR EL ORDEN!
- SO UN RXN de AG + solo ocurre acoplada a una de AG – (FIG 3-17)
- Las enzimas acoplan estas reacciones y facilitan el q la vida exista
- Pag 92
-