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7.19: Introducción a la energía y el metabolismo - Biología

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Qué aprenderá a hacer: hablar sobre la energía y el metabolismo de los seres vivos.

Los científicos usan el término bioenergética para describir el concepto de flujo de energía (Figura 1) a través de sistemas vivos, como las células. Algunas de estas reacciones químicas son espontáneas y liberan energía, mientras que otras requieren energía para continuar.

Así como los seres vivos deben consumir alimentos continuamente para reponer sus suministros de energía, las células deben producir continuamente más energía para reponer la utilizada por las muchas reacciones químicas que requieren energía y que tienen lugar constantemente. En conjunto, todas las reacciones químicas que tienen lugar dentro de las células, incluidas las que consumen o generan energía, se denominan metabolismo celular.


Biofísica 354Clase 1

En este curso, exploraremos la evolución del aparato de conversión de energía, los mecanismos de conversión de energía y las herramientas fisicoquímicas necesarias para una comprensión más profunda de esos mecanismos. El énfasis principal estará en las principales vías de conversión de energía, la fotosíntesis y la respiración, con alguna consideración de las reacciones metabólicas que vinculan estos procesos con la bioquímica y fisiología principales del organismo.

La base molecular de la transducción de energía.

  • Los centros de reacción fotoquímica de la fotosíntesis de bacterias y plantas verdes han proporcionado un campo de juego para probar las teorías de la transferencia de electrones, en el que las estructuras han proporcionado detalles de la distancia y el entorno local esenciales para comprender los factores que determinan las tasas, medidas por ultrarrápidos. enfoques espectroscópicos. Las lecciones de estos sistemas modelo ya se están aplicando ampliamente a otros procesos de transferencia de electrones.
  • Las estructuras del complejo de captación de luz han generado nuevas ideas y conocimientos sobre los procesos de transferencia de excitación y la canalización de la energía de los excitones.
  • Las estructuras del complejo de ATP sintasa han revelado el motor de turbina más pequeño, lo que confirma ideas basadas en análisis detallados de datos de enfoques bioquímicos y biofísicos anteriores. Este dispositivo promete generar todo un campo de la nanotecnología, en el que el nanomotor está vinculado a maquinaria que opera a escala molecular.
  • Las estructuras de los complejos respiratorios han abierto nuevas posibilidades para comprender el acoplamiento de la transferencia de electrones al bombeo de protones. El bc1 El complejo ha revelado un nuevo mecanismo para la transferencia de electrones a distancia, un movimiento del dominio extrínseco móvil de la proteína de azufre de hierro a través de 25 nm, y ha insinuado otras características dinámicas. Las citocromo oxidasas nos muestran un mecanismo novedoso para acoplar la transferencia de electrones al potencial protónico local, a través de pozos profundos de protones en el núcleo catalítico.
  • Las estructuras de la bacteriorrodopsina nos han proporcionado la imagen dinámica más detallada de una bomba fotomolecular, en la que los protones activados a través de la fotoisomerización se cambian entre las vías de conducción de protones dentro y fuera de la proteína.

Mitocondrias: su papel en la muerte celular y el envejecimiento.

  • La función de control de la integridad mitocondrial en la apoptosis, - muerte celular programada. La capacidad del cuerpo para deshacerse de las células que funcionan mal es fundamental para el control del cáncer y para el reciclaje eficiente de los componentes macromoleculares. Las mitocondrias, a través de la liberación de factores que activan la cascada de reacciones que conducen a la apoptosis, son de vital importancia para determinar cómo y cuándo la célula reconoce que es hora de irse.
  • El papel de la cadena respiratoria en la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), los principales agentes causantes del daño del ADN que conduce al envejecimiento celular. Dos de los principales complejos de la cadena respiratoria, - Complejo I, o NADH: ubiquinona oxidorreductasa, y Complejo III, o bc1 complejo, - son los sitios principales de la celda en los que O2 se reduce al anión superóxido, la molécula de la que se derivan las ROS. Debido a que las mitocondrias tienen un mecanismo de reparación del ADN menos eficiente que el núcleo, son las principales víctimas de este daño. Como consecuencia, sus mitocondrias se vuelven disfuncionales a medida que envejece, lo que resulta en una pérdida de energía y, finalmente, en la muerte por "asfixia celular". Su metabolismo energético mitocondrial es esencial para la supervivencia, pero el mecanismo ha incorporado esta reacción suicida. Si nada más lo mata, sus mitocondrias lo harán, un clásico "Catch-22" del metabolismo celular.

Fotosíntesis, ecología y calentamiento global

Todo lo anterior son buenas razones para un renovado interés en la conversión de energía biológica. El hecho importante es que estos procesos son fundamentales para todos los procesos vivos y han sido durante toda la evolución. La invención de la fotosíntesis oxigénica y el consiguiente desarrollo de una biosfera aeróbica, y la adaptación de los órganos a este reactivo potencialmente venenoso mediante la invención de la respiración, fueron cruciales en la evolución de la célula eucariota, la biosfera moderna y sus animales y plantas. habitantes. No puedes entender la biología si no entiendes la conversión de energía biológica.


Capítulo 08 - Introducción al metabolismo

  • La totalidad de las reacciones químicas de un organismo se llama metabolismo.
  • El metabolismo es una propiedad emergente de la vida que surge de las interacciones entre moléculas dentro del entorno ordenado de la célula.

La química de la vida está organizada en vías metabólicas.

  • Las vías metabólicas comienzan con una molécula específica, que luego se altera en una serie de pasos definidos para formar un producto específico.
  • Una enzima específica cataliza cada paso de la vía.
  • Las vías catabólicas liberan energía al descomponer moléculas complejas en compuestos más simples.
    • Una vía importante de catabolismo es la respiración celular, en la que el azúcar glucosa se descompone en presencia de oxígeno en dióxido de carbono y agua.
    • La síntesis de proteínas a partir de aminoácidos es un ejemplo de anabolismo.
    • La bioenergética es el estudio de cómo los organismos gestionan sus recursos energéticos.

    Los organismos transforman la energía.

    • La energía es la capacidad de realizar un trabajo.
      • La energía existe en varias formas y las células transforman la energía de un tipo a otro.
      • Los objetos en movimiento pueden realizar trabajo impartiendo movimiento a otra materia.
      • Se pueden capturar fotones de luz y aprovechar su energía para impulsar la fotosíntesis en plantas verdes.
      • El calor o la energía térmica es la energía cinética asociada con el movimiento aleatorio de átomos o moléculas.
      • La energía química es una forma de energía potencial almacenada en moléculas debido a la disposición de sus átomos.
      • Por ejemplo, cuando un niño sube las escaleras a una plataforma de buceo, libera energía química almacenada en sus células a partir de la comida que comió en el almuerzo.
      • La energía cinética de su movimiento muscular se convierte en energía potencial a medida que sube más alto.
      • Mientras se sumerge, la energía potencial se convierte de nuevo en energía cinética.
      • La energía cinética se transfiere al agua cuando entra en ella.
      • Parte de la energía se convierte en calor debido a la fricción.

      Las transformaciones energéticas de la vida están sujetas a dos leyes de la termodinámica.

      • La termodinámica es el estudio de las transformaciones de energía.
      • En este campo, el término sistema se refiere a la materia en estudio y el entorno incluye todo lo que está fuera del sistema.
      • Un sistema cerrado, aproximado por líquido en un termo, está aislado de su entorno.
      • En un sistema abierto, la energía y la materia se pueden transferir entre el sistema y su entorno.
      • Los organismos son sistemas abiertos.
        • Absorben energía (luz o energía química en forma de moléculas orgánicas) y liberan calor y productos de desecho metabólicos como urea o CO2 a su entorno.
        • La primera ley también se conoce como principio de conservación de la energía.
        • Las plantas no producen energía, transforman la energía luminosa en energía química.
        • Si la temperatura es uniforme, como en una célula viva, el calor solo puede usarse para calentar el organismo.
        • Cuanto más aleatoria es una colección de materia, mayor es su entropía.
        • Si bien el orden puede aumentar localmente, existe una tendencia imparable hacia la aleatorización del universo.
        • Gran parte del aumento de entropía del universo toma la forma de aumento de calor, que es la energía del movimiento molecular aleatorio.
        • Los automóviles convierten solo el 25% de la energía de la gasolina en movimiento, el resto se pierde en forma de calor.
        • Las células vivas convierten inevitablemente formas organizadas de energía en calor.
        • Los procesos espontáneos no necesitan ocurrir rápidamente.
        • Algunos procesos espontáneos son instantáneos, como una explosión. Algunos son muy lentos, como la oxidación de un coche viejo.
        • Por ejemplo, los aminoácidos se ordenan en cadenas polipeptídicas.
        • La estructura de un cuerpo multicelular está organizada y es compleja.
        • Por ejemplo, un animal consume moléculas orgánicas como alimento y las cataboliza en agua y dióxido de carbono de baja energía.
        • Este aumento de organización no viola la segunda ley de la termodinámica.
        • La entropía de un sistema en particular, como un organismo, puede disminuir mientras la entropía total del universo —el sistema más su entorno— aumente.
        • Los organismos son islas de baja entropía en un universo cada vez más aleatorio.
        • La evolución del orden biológico es perfectamente coherente con las leyes de la termodinámica.

        Concepto 8.2 El cambio de energía libre de una reacción nos dice si la reacción ocurre espontáneamente

        • ¿Cómo podemos determinar qué reacciones ocurren espontáneamente y cuáles requieren un aporte de energía?
        • El concepto de energía libre proporciona una función útil para medir la espontaneidad de un sistema.
        • La energía libre es la parte de la energía de un sistema que puede realizar un trabajo cuando la temperatura y la presión son uniformes en todo el sistema, como en una célula viva.
        • La energía libre (G) en un sistema está relacionada con la entalpía total (en sistemas biológicos, equivalente a energía) (H) y la entropía (S) por esta relación:
          • G = H - TS, donde T es la temperatura en unidades Kelvin.
          • Los aumentos de temperatura amplifican el término de entropía.
          • No toda la energía de un sistema está disponible para trabajar porque el componente de entropía debe restarse del componente de entalpía.
          • Lo que queda es la energía gratuita disponible para trabajar.
          • Los sistemas con alto contenido de energía libre (resortes comprimidos, cargas separadas, polímeros orgánicos) son inestables y tienden a moverse hacia un estado más estable, uno con menos energía libre.
          • Los sistemas que tienden a cambiar espontáneamente son aquellos que tienen alta entalpía, baja entropía o ambas.
          • ΔG = G estado final - G estado inicial
          • O ΔG = ΔH - TΔS
          • ΔG debe ser negativo para que un proceso sea espontáneo.
          • Todo proceso espontáneo se caracteriza por una disminución de la energía libre del sistema.
          • Los procesos que tienen un ΔG positivo o cero nunca son espontáneos.
          • En una reacción química en equilibrio, las velocidades de las reacciones hacia adelante y hacia atrás son iguales y no hay cambios en la concentración de productos o reactivos.
          • En equilibrio, ΔG = 0, y el sistema no puede funcionar.
          • Un proceso es espontáneo y puede realizar un trabajo solo cuando se está moviendo hacia el equilibrio.
          • Los movimientos que se alejan del equilibrio no son espontáneos y requieren la adición de energía de una fuente de energía externa (el entorno).
          • Para la reacción general de la respiración celular: C6H12O6 + 6O2 - & gt 6CO2 + 6H2O
            • ΔG = -686 kcal / mol
            • Los productos tienen 686 kcal menos de energía libre que los reactivos.
            • Las reacciones endergónicas almacenan energía en moléculas. ΔG es positivo.
            • Las reacciones endergónicas no son espontáneas y la magnitud de ΔG es la cantidad de energía necesaria para impulsar la reacción.
            • Para la conversión de dióxido de carbono y agua en azúcar, ΔG = +686 kcal / mol.
            • ¡Una célula que ha alcanzado el equilibrio metabólico tiene un ΔG = 0 y está muerta!
            • Una célula continúa trabajando durante toda su vida.

            Concepto 8.3 El ATP potencia el trabajo celular al acoplar reacciones exergónicas a reacciones endergónicas

            • Una célula realiza tres tipos principales de trabajo:
              1. Trabajo mecánico, como el latido de los cilios, la contracción de las células musculares y el movimiento de los cromosomas durante la reproducción celular.
              2. Trabajo de transporte, el bombeo de sustancias a través de membranas en contra de la dirección del movimiento espontáneo.
              3. Trabajo químico, impulsando reacciones endergónicas como la síntesis de polímeros a partir de monómeros.
            • Las células administran sus recursos energéticos para realizar este trabajo mediante el acoplamiento de energía, el uso de un proceso exergónico para impulsar uno endergónico.
            • En la mayoría de los casos, la fuente inmediata de energía para impulsar el trabajo celular es el ATP.
            • El ATP (trifosfato de adenosina) es un tipo de nucleótido que consta de la base nitrogenada adenina, el azúcar ribosa y una cadena de tres grupos fosfato.
            • Los enlaces entre los grupos fosfato se pueden romper mediante hidrólisis.
              • La hidrólisis del grupo fosfato final forma difosfato de adenosina.
                • ATP - & gt ADP + Pi
                • Esta reacción libera 7.3 kcal de energía por mol de ATP en condiciones estándar (1 M de cada reactivo y producto, 25 ° C, pH 7).
                • Sin embargo, son inestables y su hidrólisis produce energía porque los productos son más estables.
                • Cada uno de los tres grupos fosfato tiene una carga negativa.
                • Estas tres cargas similares están apiñadas y su repulsión mutua contribuye a la inestabilidad de esta región de la molécula de ATP.
                • Esta molécula receptora ahora está fosforilada.
                • Esta molécula es ahora más reactiva (menos estable) que las moléculas originales no fosforiladas.
                • En cada caso, un grupo fosfato se transfiere del ATP a otra molécula y la molécula fosforilada sufre un cambio que realiza su trabajo.
                • La energía para fosforilar el ADP proviene de reacciones catabólicas en la célula.
                • Una célula muscular en funcionamiento recicla toda su reserva de ATP una vez por minuto.
                • Se consumen y regeneran más de 10 millones de moléculas de ATP por segundo por célula.
                • ΔG = 7,3 kcal / mol.

                Concepto 8.4 Las enzimas aceleran las reacciones metabólicas al reducir las barreras energéticas

                • Las reacciones químicas espontáneas pueden ocurrir tan lentamente que son imperceptibles.
                  • La hidrólisis del azúcar de mesa (sacarosa) a glucosa y fructosa es exergónica.
                    • ΔG = -7 kcal / mol
                    • Una enzima es una proteína catalítica.
                    • Para hidrolizar la sacarosa, el enlace entre la glucosa y la fructosa debe romperse y deben formarse nuevos enlaces con el hidrógeno y los iones hidroxilo del agua.
                    • En la cima, las moléculas están en una condición inestable, el estado de transición.
                    • La energía de activación se puede suministrar en forma de calor que las moléculas de reactivo absorben del entorno.
                    • Los enlaces de los reactivos se rompen solo cuando las moléculas han absorbido suficiente energía para volverse inestables y, por lo tanto, más reactivas.
                    • La absorción de energía térmica aumenta la velocidad de las moléculas reactivas, por lo que chocan con más frecuencia y fuerza.
                    • La agitación térmica de los átomos en las moléculas hace que sea más probable que se rompan los enlaces.
                    • A medida que las moléculas se asientan en nuevos arreglos de unión estables, se libera energía al entorno.
                    • En las reacciones exergónicas, la energía de activación se libera de nuevo al entorno y se libera energía adicional con la formación de nuevos enlaces.
                    • Una bujía proporciona la energía para energizar una mezcla de gasolina y oxígeno y provocar la combustión.
                    • Sin esa energía de activación, los hidrocarburos de la gasolina son demasiado estables para reaccionar con el oxígeno.
                    • Sin embargo, no hay suficiente energía a las temperaturas típicas de la célula para que la gran mayoría de moléculas orgánicas superen la joroba de la energía de activación.
                    • El calor aceleraría las reacciones, pero también desnaturalizaría las proteínas y mataría las células.
                    • Entonces se puede alcanzar el estado de transición incluso a temperaturas moderadas.
                    • Acelera las reacciones que eventualmente ocurrirían.
                    • Debido a que las enzimas son tan selectivas, determinan qué procesos químicos ocurrirán en cualquier momento.

                    Las enzimas son específicas del sustrato.

                    • El reactivo sobre el que actúa una enzima es el sustrato.
                    • La enzima se une a un sustrato, o sustratos, formando un complejo enzima-sustrato.
                    • Mientras la enzima y el sustrato están unidos, la acción catalítica de la enzima convierte el sustrato en el producto o productos.
                    • La reacción catalizada por cada enzima es muy específica.
                    • ¿Qué explica este reconocimiento molecular?
                      • La especificidad de una enzima resulta de su forma tridimensional.
                      • El sitio activo de una enzima es típicamente un bolsillo o surco en la superficie de la proteína en el que encaja el sustrato.
                      • El sitio activo generalmente está formado por solo unos pocos aminoácidos.

                      El sitio activo es el centro catalítico de una enzima.

                      • En la mayoría de los casos, los sustratos se mantienen en el sitio activo mediante interacciones débiles, como enlaces de hidrógeno y enlaces iónicos.
                        • Los grupos R de unos pocos aminoácidos en el sitio activo catalizan la conversión de sustrato en producto.
                        • Luego, el producto abandona el sitio activo.
                        • La dirección real depende de las concentraciones relativas de productos y reactivos.
                        • Las enzimas catalizan reacciones en la dirección del equilibrio.
                        • En reacciones que involucran más de un reactivo, el sitio activo junta los sustratos en la orientación correcta para que prosiga la reacción.
                        • A medida que el sitio activo se une al sustrato, puede ejercer presión sobre los enlaces que deben romperse, lo que facilita que los reactivos alcancen el estado de transición.
                        • Los grupos R en el sitio activo pueden crear un microambiente propicio para una reacción específica.
                          • Un sitio activo puede ser una bolsa de pH bajo, lo que facilita la transferencia de H + al sustrato como paso clave para catalizar la reacción.
                          • Los pasos posteriores de la reacción restauran los grupos R dentro del sitio activo a su estado original.
                          • A bajas concentraciones de sustrato, un aumento en la concentración de sustrato acelera la unión a los sitios activos disponibles.
                          • Sin embargo, existe un límite en la rapidez con la que puede ocurrir una reacción.
                          • A altas concentraciones de sustrato, se activan los sitios activos de todas las enzimas.
                            • La enzima está saturada.
                            • La velocidad de la reacción está determinada por la velocidad a la que el sitio activo puede convertir el sustrato en producto.

                            El entorno físico y químico de una célula afecta la actividad enzimática.

                            • La actividad de una enzima se ve afectada por las condiciones ambientales generales, como la temperatura y el pH.
                            • Cada enzima funciona mejor en determinadas condiciones óptimas, que favorecen la conformación más activa de la molécula enzimática.
                            • La temperatura tiene un gran impacto en la velocidad de reacción.
                              • A medida que aumenta la temperatura, las colisiones entre los sustratos y los sitios activos ocurren con mayor frecuencia a medida que las moléculas se mueven más rápidamente.
                              • A medida que la temperatura aumenta aún más, la agitación térmica comienza a romper los enlaces débiles que estabilizan la conformación activa de la proteína y la proteína se desnaturaliza.
                              • Cada enzima tiene una temperatura óptima.
                                • La mayoría de las enzimas humanas tienen temperaturas óptimas de alrededor de 35 a 40 ° C.
                                • Las bacterias que viven en aguas termales contienen enzimas con temperaturas óptimas de 70 ° C o más.
                                • Este cae entre pH 6 y 8 para la mayoría de las enzimas.
                                • Sin embargo, las enzimas digestivas del estómago están diseñadas para funcionar mejor a pH 2, mientras que las del intestino tienen un pH óptimo de 8.
                                • Los cofactores se unen de forma permanente o reversible a la enzima.
                                • Algunos cofactores inorgánicos incluyen zinc, hierro y cobre.
                                • Muchas vitaminas son coenzimas.
                                • Si los inhibidores se unen a la enzima mediante enlaces covalentes, la inhibición puede ser irreversible.
                                • Si los inhibidores se unen mediante enlaces débiles, la inhibición puede ser reversible.
                                • Estas moléculas se denominan inhibidores competitivos.
                                • La inhibición competitiva se puede superar aumentando la concentración del sustrato.
                                • La unión del inhibidor hace que la enzima cambie de forma, lo que hace que el sitio activo sea menos eficaz para catalizar la reacción.
                                • El sarín se une covalentemente al grupo R en el aminoácido serina.
                                • La serina se encuentra en el sitio activo de la acetilcolinesterasa, una enzima importante del sistema nervioso.

                                Concepto 8.5 La regulación de la actividad enzimática ayuda a controlar el metabolismo

                                El control metabólico a menudo depende de la regulación alostérica.

                                • En muchos casos, las moléculas que regulan naturalmente la actividad enzimática se comportan como inhibidores no competitivos reversibles.
                                • Las moléculas reguladoras a menudo se unen débilmente a un sitio alostérico, un receptor específico de la enzima alejado del sitio activo.
                                  • La unión de estas moléculas puede inhibir o estimular la actividad enzimática.
                                  • Cada subunidad tiene su propio sitio activo.
                                  • Los sitios alostéricos a menudo se encuentran donde se unen las subunidades.
                                  • Por ejemplo, el ATP se une a varias enzimas catabólicas alostéricamente, inhibiendo su actividad al disminuir su afinidad por el sustrato.
                                  • ADP funciona como un activador de las mismas enzimas.
                                  • El ATP y el ADP también afectan las enzimas clave en las vías anabólicas.
                                  • De esta manera, las enzimas alostéricas controlan la velocidad de las reacciones clave en las vías metabólicas.
                                  • Este mecanismo amplifica la respuesta de las enzimas a los sustratos, preparando la enzima para aceptar sustratos adicionales.
                                  • El producto actúa como inhibidor de una enzima en la vía.

                                  La localización de enzimas dentro de una célula ayuda a ordenar el metabolismo.

                                  • Las estructuras dentro de la célula ayudan a poner orden en las vías metabólicas.
                                  • Un equipo de enzimas para varios pasos de una vía metabólica puede ensamblarse como un complejo multienzimático.
                                  • El producto de la primera reacción puede pasar rápidamente a la siguiente enzima hasta que se libere el producto final.
                                  • Algunas enzimas y complejos enzimáticos tienen ubicaciones fijas dentro de las células como componentes estructurales de membranas particulares.
                                    • Otros están confinados dentro de orgánulos eucariotas encerrados en membranas.

                                    Esquema de la conferencia de Campbell / Reece Biology, séptima edición, © Pearson Education, Inc. 8-1


                                    7.19: Introducción a la energía y el metabolismo - Biología

                                    Los científicos usan el término bioenergética para describir el concepto de flujo de energía (Figura 1) a través de sistemas vivos, como las células. Los procesos celulares como la construcción y descomposición de moléculas complejas ocurren a través de reacciones químicas escalonadas. Algunas de estas reacciones químicas son espontáneas y liberan energía, mientras que otras requieren energía para continuar.

                                    Figura 1. En última instancia, la mayoría de las formas de vida obtienen su energía del sol. Las plantas usan la fotosíntesis para capturar la luz solar y los herbívoros se comen las plantas para obtener energía. Los carnívoros se comen a los herbívoros, y la eventual descomposición del material vegetal y animal contribuye a la reserva de nutrientes.

                                    Así como los seres vivos deben consumir alimentos continuamente para reponer sus suministros de energía, las células deben producir continuamente más energía para reponer la utilizada por las muchas reacciones químicas que requieren energía y que tienen lugar constantemente. En conjunto, todas las reacciones químicas que tienen lugar dentro de las células, incluidas las que consumen o generan energía, se denominan metabolismo celular.


                                    7.19: Introducción a la energía y el metabolismo - Biología

                                    Visite la fuente de la imagen destacada de esta página en el sitio web de microbios de Kenneth Todar

                                    Capítulo 1: El origen de la vida

                                    Preguntas de repaso para el Capítulo 1

                                    Introducción

                                    • Introducción a la cosmología
                                    • Breve resumen de la teoría del Big Bang
                                    • Estimación actual: El Big Bang fue hace unos 12 mil millones de años
                                    • Evidencia reciente de que el Big Bang se está acelerando
                                    • El sitio web El origen y evolución de la vida de la NASA o aquí
                                    • Otros sitios educativos seleccionados de la NASA: 1 - 2 - 3 - 4

                                    Formación del sistema solar

                                    Vida en superficies planetarias

                                    • Dr. Awramik en la Tierra Primitiva
                                    • Notas de la conferencia sobre los ciclos de la Tierra
                                    • Notas de la conferencia sobre la vida temprana
                                    • Actualización del profesor Cowen: ¿Hay o hubo vida en Marte?
                                    • Estimulante nuevo libro del bioquímico de la Universidad de Cornell, Thomas Gold, La biosfera profunda y caliente a

                                    Reconstruyendo el origen de la vida

                                    • Entrevista con el Dr. Stanley Miller, pionero en exobiología
                                    • Resumen de la hipótesis de la sopa primordial más reciente del Dr. Miller
                                    • Dr. Stanley Awramik sobre cómo comenzó la vida
                                    • Experimento de sopa primordial de Stanley Miller y aparato de reacción de descarga de chispas
                                    • Vínculos a los orígenes de la vida
                                    • Pregúntele a un astrobiólogo sobre Life Origins

                                    Hacia la primera célula viviente

                                    • Artículo de Carl Zimmer, The First Cell
                                    • Gran libro nuevo de John Maynard Smith & E & oumlrs Szathm & aacutery, Los orígenes de la vida.
                                      O su libro más técnico sobre este tema, Las principales transiciones en la evolución
                                    • Un libro de J. William Schopf, Cradle of Life: El descubrimiento de los primeros fósiles de la Tierra.


                                    Visite la fuente de las imágenes del respiradero "Black Smoker" de Deep Sea Hot
                                    y los gusanos de ventilación caliente sin intestinos, Riftia, anfitriones de simbióticos quimiosintéticos
                                    Microbios, en el sitio web Living at Extremes de Nova


                                    Ensayo sobre metabolismo (para escolares y universitarios) | Biología

                                    ¿Está buscando un ensayo sobre "Metabolismo"? Encuentre párrafos, ensayos largos y cortos sobre "Metabolismo" escritos especialmente para estudiantes de escuelas y universidades.

                                    1. Ensayo sobre la introducción al metabolismo:

                                    El término metabolismo se define como & # 8216 los procesos químicos mediante los cuales el material nutritivo se acumula en materia viva, o mediante los cuales las moléculas complejas se descomponen en sustancias más simples durante el desempeño de funciones especiales & # 8217. Las diversas reacciones que implican la síntesis de moléculas complejas se agrupan bajo anabolismo, mientras que la descomposición de moléculas complejas se conoce como catabolismo.

                                    Tanto los procesos anabólicos como los catabólicos incluyen una gran cantidad de reacciones químicas diferentes, pero hay varias características comunes. La mayoría de los procesos metabólicos ocurren dentro de las células del cuerpo, principalmente en el citoplasma, pero también dentro de orgánulos intracelulares como las mitocondrias. Las reacciones anabólicas y catabólicas implican la acción de enzimas y la utilización de energía.

                                    El metabolismo, un proceso vital para todas las formas de vida, es un proceso constante que comienza cuando se concibe un organismo y termina cuando muere. En caso de que el metabolismo se detenga, resulta en la muerte. El proceso del metabolismo es en realidad un acto de equilibrio que involucra dos tipos de actividades que continúan al mismo tiempo la acumulación de tejidos corporales y reservas de energía (anabolismo o metabolismo constructivo) y la descomposición de las reservas de energía para generar más combustible para las funciones corporales. (catabolismo o metabolismo destructivo).

                                    Casi todas las reacciones químicas en el cuerpo vivo requieren el gasto de energía, que está disponible principalmente por el catabolismo de los & # 8216macronutrientes & # 8217 grasas y carbohidratos (particularmente glucosa) y proteínas (en pequeña medida). De acuerdo con la ley de conservación de la energía, la energía total de un sistema permanece constante, aunque la energía puede transformarse en otra forma. En el metabolismo del cuerpo, la energía liberada por la oxidación de los macronutrientes se usa para una serie de reacciones químicas, en lugar de liberarse solo como calor.

                                    Una característica fundamental de los procesos anabólicos y catabólicos es la utilización de energía. La última fuente de energía para todos los sistemas vivos es la energía solar. Por lo tanto, el proceso metabólico y tímido en la tierra comienza con los productores, las plantas. Primero, una planta verde toma energía de la luz solar. La planta utiliza esta energía y la molécula de clorofila (que le da a las plantas su color verde) para producir azúcares a partir del agua y el dióxido de carbono en un proceso conocido como fotosíntesis.

                                    Los hombres y los animales, cuando comen las plantas, toman esta energía (en forma de azúcar), junto con otras sustancias químicas vitales para la formación de células. El siguiente paso del cuerpo es descomponer el azúcar para que la energía liberada pueda ser distribuida y utilizada como combustible por las células del cuerpo. Estas reacciones se facilitan mediante catalizadores biológicos (enzimas) y descomponen las proteínas en aminoácidos, las grasas en ácidos grasos y los carbohidratos en azúcares simples (por ejemplo, glucosa).

                                    Durante estos procesos, el cuerpo puede reutilizar la energía de estos compuestos para usarla o almacenarla en los tejidos corporales, especialmente en el hígado, los músculos y la grasa corporal. Durante el anabolismo, las moléculas pequeñas se transforman en moléculas más grandes y complejas de carbohidratos, proteínas y grasas.

                                    2. Ensayo sobre el metabolismo de los carbohidratos:

                                    En los animales, especialmente en los humanos, la principal fuente de carbohidratos de la dieta es el almidón de material vegetal consumido y una pequeña cantidad de glucógeno de tejido animal, así como disacáridos como la sacarosa de productos que contienen azúcar refinada y lactosa en la leche. La digestión en el intestino convierte todos los carbohidratos en monosacáridos que se transportan al hígado y se convierten en glucosa. El hígado tiene un papel central en el almacenamiento y distribución dentro del cuerpo de todos los combustibles, incluida la glucosa.

                                    El metabolismo de los carbohidratos comienza con la digestión en el intestino delgado, donde los monosacáridos se absorben en el torrente sanguíneo.

                                    Las concentraciones de azúcar en sangre están controladas por tres hormonas:.

                                    Cuando aumenta la concentración de glucosa en sangre, el páncreas secreta insulina, lo que estimula la transferencia de glucosa a las células, especialmente en el hígado y los músculos, aunque otros órganos también son capaces de metabolizar la glucosa.

                                    La glucosa en el cuerpo sufre catabolismo en todos los tejidos periféricos, particularmente en el cerebro, los músculos y los riñones para producir ATP. El exceso de glucosa se transforma en glucógeno mediante el proceso de glucogénesis (anabolismo) y se almacena como glucógeno en el hígado y el músculo o se convierte en ácidos grasos y se almacena en el tejido adiposo como triglicéridos. Las hormonas equinefrina y glucagón se secretan para estimular la conversión de glucógeno en glucosa cuando el nivel de glucosa en sangre es bajo. Este proceso se llama glucogenólisis (catabolismo).

                                    El metabolismo de la glucosa comienza con el proceso llamado glucólisis (catabolismo). Los productos finales de la glucólisis son el ácido pirúvico y el ATP. Dado que la glucólisis libera relativamente poco ATP, las reacciones posteriores continúan convirtiendo el ácido pirúvico en acetil CoA y luego en ácido cítrico en el ciclo del ácido cítrico. La mayoría de los ATP se obtienen a partir de oxidaciones en el ciclo del ácido cítrico en relación con la cadena de transporte de electrones. Durante una intensa actividad muscular, el ácido pirúvico se convierte en ácido láctico en lugar de acetil CoA. Durante el período de reposo, el ácido láctico se convierte nuevamente en ácido pirúvico. El ácido pirúvico, a su vez, se convierte de nuevo en glucosa mediante el proceso llamado gluconeogénesis (anabolismo).

                                    3. Ensayo sobre glucólisis (catabolismo):

                                    La glucólisis (vía de Embden-Meyerhof) es la vía metabólica inicial del catabolismo de carbohidratos. Es el proceso más universal mediante el cual las células de todo tipo obtienen energía de los azúcares. Todos los tejidos oxidan la glucosa para sintetizar ATP. La primera vía que inicia la oxidación completa de la glucosa se llama glucólisis. Esta vía escinde la molécula de glucosa de seis carbonos (C6H12O6) en dos moléculas del compuesto de tres carbonos piruvato (C3H3O3 & # 8211). Esta oxidación está acoplada a la producción neta de dos moléculas de ATP por glucosa y glucosa. La glucólisis convierte una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato, junto con & # 8220 reduciendo equivalentes & # 8221 en forma de coenzima NADH.

                                    La reacción global de gly & shycolysis es:

                                    Glucosa + 2 NAD + + 2 ADP + 2 PI & # 8211 & gt 2 NADH + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H2O + 4 H +

                                    En eucariotas, la glucólisis tiene lugar dentro de la célula. La glucosa ingresa a la célula a través de una difusión facilitada. El primer paso en la glucólisis es la fosforilación de la glucosa por la hexoquinasa (en el hígado, la hexoquinasa más importante es la glucoquinasa). Esta reacción contiene 1 molécula de ATP. Aunque la membrana celular es permeable a la glucosa debido a la presencia de proteínas transportadoras de glucosa, es impermeable a la glucosa 6-fosfato.

                                    A continuación, la glucosa 6-fosfato se reordena en fructosa 6-fosfato mediante la fosfo-glucosa isomerasa. (La fructosa también puede ingresar a la vía glucolítica en este punto). La fosfofructoquinasa-1 luego consume 1 ATP para formar fructosa 1,6-bisfosfato. El gasto de energía en este paso se justifica de 2 maneras: el proceso glucolítico ahora es irreversible y la energía suministrada a la molécula permite que el anillo se divida por la aldolasa en 2 moléculas & # 8211 dihidroxiacetona fosfato y gliceraldehído 3-fosfato. (La triosefosfato isomerasa convierte la molécula de di-hidroxiacetona fosfato en una molécula de gliceraldehído 3-fosfato.) Cada mol y tícula de gliceraldehído 3-fosfato es luego oxidada por una molécula de NAD + en presencia de gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, formando 1,3-bisfosfoglicerato.

                                    La fosfoglicerato quinasa luego genera una molécula de ATP mientras se forma 3-fosfoglicerato. En este paso, la glucólisis ha alcanzado el punto de equilibrio: se consumieron 2 moléculas de ATP y se sintetizaron 2 moléculas nuevas. La fosfogliceromutasa luego forma 2-fosfoglicerato enolasa, luego fosfoenolpiruvato y otra fosforilación a nivel de sustrato luego forma una molécula de piruvato y una molécula de ATP por medio de la enzima piruvato quinasa (Fig. 3.45).

                                    NAD se utiliza como aceptor de electrones en la reacción de oxidación. Este cofactor está presente sólo en cantidades limitadas y una vez reducido a NADH, como en esta reacción, debe reoxidarse a NAD para permitir la continuación de la vía.

                                    Métodos de glucólisis:

                                    Esta reoxidación se produce mediante uno de dos métodos:

                                    (i) Glucólisis anaeróbica:

                                    En ausencia de oxígeno, el piruvato se reduce a lactato que es ideal para su utilización en músculos que se ejercitan mucho, donde el suministro de oxígeno a menudo es insuficiente para satisfacer las demandas del metabolismo aeróbico. La reducción de piruvato a lactato está acoplada a la oxidación de NADH a NAD.

                                    El lactato formado se transporta a otros tejidos y es tratado por uno de los dos mecanismos y timidismos, como se convierte de nuevo en piruvato o se convierte de nuevo en glucosa en el hígado. El proceso de conversión de lactato en glucosa se llama gluconeogénesis, utiliza algunas de las reacciones de la glucólisis (pero en la dirección inversa) y algunas reacciones exclusivas de esta vía para volver a sintetizar la glucosa.

                                    La mayoría de las enzimas responsables de la gluconeogénesis se encuentran en el citoplasma, la excepción es la piruvato carboxilasa, que se encuentra en la mitocondria y la shicondria. Esta vía requiere ATP pero tiene la función de mantener una concentración de glucosa circulante en el torrente sanguíneo (incluso en ausencia de suministro dietético) y también mantener y evitar el suministro de glucosa a las fibras musculares de contracción rápida.

                                    El ciclo de Cori, que lleva el nombre de sus descubridores, Carl Cori y Gerty Cori, se refiere a la vía metabólica y timbólica en la que el lactato producido por la glucólisis anaeróbica en los músculos se mueve hacia el hígado y se convierte en glucosa, que luego regresa a los músculos y se convierte de nuevo. al lactato (fig. 3.46). Se puede demostrar mediante un cálculo complejo de los rendimientos de energía que este proceso de oxidación parcial de la glucosa a lactato en el músculo, transportándola al hígado para su conversión de nuevo en glucosa y luego reabasteciéndola al músculo, en realidad tiene un rendimiento de energía mucho mayor que los 2 ATP / glucosa producidos solo por la glucólisis.

                                    (ii) Glucólisis aeróbica:

                                    En condiciones aeróbicas, el piruvato se transporta dentro de las mitocondrias y se oxida a acetil coen y shyzima A (abreviado como & # 8220 acetil CoA ). Esta es una reacción de oxidación y utiliza NAD como aceptor de electrones. Además, el acetil CoA se oxida finalmente a CO2 por ciclo del ácido cítrico. Estas reacciones se acoplan a un proceso conocido como cadena de transporte de electrones que tiene la función de aprovechar la energía del enlace químico a través de una serie de reacciones de oxidación / reducción para la síntesis de ATP y simultáneamente re-oxidar NADH a NAD.

                                    El ciclo de Krebs, también conocido como ciclo del ácido tricarboxílico (TCA), fue reconocido por primera vez en 1937 por el hombre que lleva su nombre, el bioquímico alemán Hans Adolph Krebs, ganador del Premio Nobel en 1953. En resumen, el Krebs ciclo constituye el descubrimiento de la principal fuente de energía en todos los organismos vivos. Las reacciones del ciclo de Krebs tienen lugar en la matriz de las mitocondrias. Algunos de los pasos finales del metabolismo intermedio también tienen lugar allí.

                                    Por ejemplo, tanto en la matriz como en el citoplasma, el glutamato (el aminoácido glu y ácido tímido) pierde su grupo amino y se oxida a alfa-cetoglutarato. En condiciones aeróbicas, el producto final de la glucólisis es el ácido pirúvico convertido en acetil coenzima A (acetil CoA), que es el iniciador del ciclo del ácido cítrico. En el metabolismo de los carbohidratos, la acetil CoA es el vínculo entre la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico. El ciclo del ácido cítrico contiene las reacciones de oxidación finales, acopladas a la cadena de transporte de electrones, que producen la mayor parte del ATP en el cuerpo.

                                    Por cada molécula de glucosa que entra en la glucólisis, se producen dos moléculas de piruvato que han ganado dos NADH y dos ATP, mientras que en el ciclo de Calvin la planta utiliza aproximadamente 54 ATP para sintetizar una molécula de glucosa. El ATP se genera rompiendo los enlaces de la glucosa y capturando la mayor cantidad posible de energía almacenada en esa molécula. El ciclo CA produce muy poco ATP directamente, pero genera muchas moléculas de coenzimas reducidas NAD y FAD como NADH y FADH2.

                                    El ciclo de Krebs comienza con oxalo-acetato y se combina con Acetil CoA para completar un ciclo. Después de que el acetil CoA se oxida a CO2 y H2O, los electrones impulsan bombas de protones que generan ATP que es muy necesario para la célula. Recuerde que las moléculas de NADH son importantes porque contienen electrones extraídos que finalmente reducen el NAD +.

                                    Sin embargo, cuando los electrones no tienen suficiente energía para reducir el NAD +, se almacenan temporalmente en el FADH.2 molécula. Cada molécula de NADH es responsable de la producción de tres moléculas de ATP, mientras que FADH2 es responsable de la producción de dos moléculas de ATP.En las células procariotas, el ciclo del ácido cítrico ocurre en el citoplasma de las células eucariotas, el ciclo del ácido cítrico ocurre en la matriz de la mitocondria y la shydria.

                                    La reacción general del ciclo del ácido cítrico es:

                                    2 grupos acetilo + 6 NAD + + 2 FAD + 2 ADP + 2 PI & # 8211 & gt 4 CO2 + 6 NADH + 6H + + 2 FADH2 + 2 ATP

                                    El ciclo del ácido cítrico proporciona una serie de compuestos intermedios que donan protones y electrones a la cadena de transporte de electrones a través de las coenzimas reducidas NADH y FADH.2. La cadena de transporte de electrones genera ATP adicionales mediante fosforilación oxidativa.

                                    El ciclo de TCA consta de 8 pasos distintos, cada uno catalizado por un único enzima:

                                    I. El ciclo del ácido cítrico comienza cuando la coenzima A transfiere su grupo acetilo de 2 carbonos al compuesto de 4 carbonos, oxaloacetato, para formar la molécula de 6 carbonos, citrato.

                                    ii. El citrato se reordena para formar una forma isomérica, isocitrato (fig. 3.47).

                                    iii. El isocitrato de 6 carbonos se oxida y una molécula de CO2 se elimina produciendo la molécula de 5 carbonos α-cetoglutarato. Durante esta oxidación, NAD + se reduce a NADH + H +.

                                    iv. Se oxida el alfa-cetoglutarato, se elimina el dióxido de carbono y se agrega la coenzima A para formar el compuesto de 4 carbonos succinil-CoA. Durante esta oxidación, NAD + se reduce a NADH + H +

                                    v. Se elimina CoA de succinil-CoA para producir succinato. La energía liberada se utiliza para producir guanosina trifosfato (GTP) a partir de guanosina difosfato (GDP) y PI por fosforilación a nivel de sustrato. Luego, GTP se puede usar para producir ATP.

                                    vi. El succinato se oxida a fumarato. Durante esta oxidación, FAD se reduce a FADH2.

                                    vii. Se agrega agua al fumarato para formar malato.

                                    viii. El malato se oxida para producir oxalacetato, el compuesto de partida del ciclo del ácido cítrico. Durante esta oxidación, NAD + se reduce a NADH + H +

                                    Además de su papel en la generación de ATP por catabolismo, el ciclo del ácido cítrico también suple los metabolitos precursores (anabólicos) para diversas vías biosintéticas (fig. 3.48).

                                    (b) Cadena de transporte de electrones:

                                    Es la parte final de la fase II de la respiración aeróbica. En la respiración, la oxidación del sustrato se produce por deshidrogenación (es decir, eliminación) de átomos de hidrógeno (2H) del sustrato. La mayoría de estos átomos de hidrógeno son aceptados por NAD para formar la coenzima reducida NADH. En la respiración aeróbica 10 NADH2 se forman (2NADH2 en glucólisis + 8 NADH2 en el ciclo de Krebs) a partir de una molécula de glucosa. Además, en el ciclo de Krebs, el hidrógeno es aceptado por FAD para formar FADH2 en un paso un total de 2 FADH2 están formados por la respiración aeróbica de cada molécula de glucosa.

                                    Cada molécula de coenzima reducida así formada en la respiración aeróbica (glucólisis y ciclo de Krebs) es finalmente oxidada por el oxígeno molecular libre a través de un proceso llamado oxidación terminal (fig. 3.49).

                                    La cadena respiratoria (o ETS) está presente en la membrana interna de la mitocondria (es decir, en la membrana de las crestas). Consiste en varias enzimas y coenzimas que actúan como portadores de electrones. Incrustados en la membrana interna hay proteínas y complejos de moléculas que participan en el proceso llamado transporte de electrones. El sistema de transporte de electrones (ETS), como se le llama, acepta energía de los portadores en la matriz y la almacena en una forma que se puede utilizar para fosforilar el ADP.

                                    Se sabe que dos portadores de energía donan energía al ETS, a saber, nicotina adenina di-nucleótido (NAD) y flavina adenina di-nucleótido (FAD). NADH se une al complejo -I. Se une a un grupo protésico llamado mononucleótido de flavina (FMN) y se vuelve a oxidar inmediatamente a NAD. NAD se recicla, actuando como un transbordador de energía. FMN recibe el hidrógeno del NADH y dos electrones. También recoge un protón de la matriz. En esta forma reducida, pasa los electrones a los grupos de hierro-azufre que forman parte del complejo y fuerza a dos protones a entrar en el espacio entre membranas. El NAD reducido transporta energía al complejo I (NADH-Coenzima Q Reductasa) de la cadena de transporte de electrones. FAD es una parte unida del complejo succinato deshidrogenasa (complejo II).

                                    Los electrones no pueden atravesar el complejo 1 sin realizar la translocación de protones. Los portadores de transporte de electrones son específicos, en los que cada portador acepta electrones (y energía libre asociada) de un tipo específico de portador precedente. Los electrones pasan del complejo I a un portador (coenzima Q) incrustado por sí mismo en la membrana. Desde la coenzima Q, los electrones pasan a un complejo -III que está asociado con otro evento de translocación de protones.

                                    El complejo II, el complejo succinato deshidrogenasa, es un punto de partida independiente y no forma parte de la vía NADH. Desde el succinato, la secuencia es del Complejo II a la Coenzima Q al Complejo III al citocromo C al Complejo IV. Por lo tanto, existe una vía de transporte de electrones común más allá del punto de entrada, ya sea Complejo I o Complejo II. Los protones no se traslocan en el Complejo II. No hay suficiente energía libre disponible de la reacción de succinato deshidrogenasa para reducir NAD o para bombear protones en más de dos sitios. Desde el Complejo III, la vía pasa al citocromo C y luego al Complejo IV (complejo de citocromo oxi y tímida). Más protones son translocados por el Complejo IV, y es en este sitio donde se unen oxi y shygen, junto con los protones, y usando el par de electrones y la energía libre restante, el oxígeno se reduce a agua.

                                    El oxígeno sirve como aceptor de electrones, despejando el camino para que los portadores en la secuencia se re-oxiden para que el transporte de electrones pueda continuar. El propósito del transporte de elec & shytron es conservar energía en forma de gradiente quimiosmótico. El gradiente, a su vez, puede aprovecharse para la fosforilación de ADP así como para otros fines. Con el cese del metabolismo aeróbico, la célula se daña de forma inmediata e irreversible.


                                    27 Energía y metabolismo

                                    Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

                                    • Explicar las vías metabólicas y describir los dos tipos principales.
                                    • Discutir cómo las reacciones químicas juegan un papel en la transferencia de energía.

                                    Los científicos usan el término bioenergética para discutir el concepto de flujo de energía ((Figura)) a través de sistemas vivos, como las células. Los procesos celulares como la construcción y descomposición de moléculas complejas ocurren a través de reacciones químicas escalonadas. Algunas de estas reacciones químicas son espontáneas y liberan energía, mientras que otras requieren energía para continuar. Así como los seres vivos deben consumir alimentos continuamente para reponer lo que han usado, las células deben producir continuamente más energía para reponer la que utilizan las numerosas reacciones químicas que requieren energía y que tienen lugar constantemente. Todas las reacciones químicas que ocurren dentro de las células, incluidas las que usan y liberan energía, son el metabolismo celular.

                                    Metabolismo de los carbohidratos

                                    El metabolismo del azúcar (reacciones químicas) (un carbohidrato simple) es un ejemplo clásico de los muchos procesos celulares que usan y producen energía. Los seres vivos consumen azúcar como fuente de energía principal, porque las moléculas de azúcar tienen una energía considerable almacenada dentro de sus enlaces. La siguiente ecuación describe la descomposición de la glucosa, un azúcar simple:

                                    Los carbohidratos consumidos tienen su origen en organismos fotosintetizadores como las plantas ((Figura)). Durante la fotosíntesis, las plantas utilizan la energía de la luz solar para convertir gas dióxido de carbono (CO2) en moléculas de azúcar, como glucosa (C6H12O6). Debido a que este proceso implica sintetizar una molécula de almacenamiento de energía más grande, requiere una entrada de energía para continuar. La siguiente ecuación (observe que es la inversa de la ecuación anterior) describe la síntesis de glucosa:

                                    Durante las reacciones químicas de la fotosíntesis, la energía se presenta en forma de una molécula de muy alta energía que los científicos llaman ATP o trifosfato de adenosina. Esta es la moneda de energía primaria de todas las células. Así como el dólar es la moneda que usamos para comprar bienes, las células usan moléculas de ATP como moneda de energía para realizar un trabajo inmediato. El azúcar (glucosa) se almacena como almidón o glucógeno. Los polímeros que almacenan energía como estos se descomponen en glucosa para suministrar moléculas de ATP.

                                    Se requiere energía solar para sintetizar una molécula de glucosa durante las reacciones de fotosíntesis. En la fotosíntesis, la energía luminosa del sol se transforma inicialmente en energía química que se almacena temporalmente en las moléculas portadoras de energía ATP y NADPH (fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina). Posteriormente, la fotosíntesis utiliza la energía almacenada en ATP y NADPH para construir una molécula de glucosa a partir de seis moléculas de CO.2. Este proceso es análogo a desayunar por la mañana para adquirir energía para su cuerpo que puede utilizar más tarde en el día. En condiciones ideales, se requiere energía de 18 moléculas de ATP para sintetizar una molécula de glucosa durante las reacciones de fotosíntesis. Las moléculas de glucosa también pueden combinarse y convertirse en otros tipos de azúcar. Cuando un organismo consume azúcares, las moléculas de glucosa eventualmente se abren camino hacia la célula viva de cada organismo. Dentro de la célula, cada molécula de azúcar se descompone a través de una compleja serie de reacciones químicas. El objetivo de estas reacciones es recolectar la energía almacenada dentro de las moléculas de azúcar. La energía recolectada produce moléculas de ATP de alta energía, que realizan un trabajo, impulsando muchas reacciones químicas en la célula. La cantidad de energía necesaria para producir una molécula de glucosa a partir de seis moléculas de dióxido de carbono es de 18 moléculas de ATP y 12 moléculas de NADPH (cada una de las cuales es energéticamente equivalente a tres moléculas de ATP), o un total de 54 moléculas equivalentes necesarias para sintetizar una molécula de glucosa. . Este proceso es una forma fundamental y eficiente para que las células generen la energía molecular que necesitan.

                                    Vías metabólicas

                                    Los procesos de producción y descomposición de moléculas de azúcar ilustran dos tipos de vías metabólicas. Una vía metabólica es una serie de reacciones bioquímicas interconectadas que convierten una molécula o moléculas de sustrato, paso a paso, a través de una serie de intermediarios metabólicos, lo que finalmente produce un producto o productos finales. En el caso del metabolismo del azúcar, la primera vía metabólica sintetizaba el azúcar a partir de moléculas más pequeñas y la otra vía descomponía el azúcar en moléculas más pequeñas. Los científicos llaman a estos dos procesos opuestos —el primero requiere energía y el segundo produce energía— vías anabólicas (construcción) y catabólicas (descomposición), respectivamente. En consecuencia, la construcción (anabolismo) y la degradación (catabolismo) comprenden el metabolismo.

                                    Evolución de las vías metabólicas La complejidad del metabolismo implica más que comprender las vías metabólicas únicamente. La complejidad metabólica varía de un organismo a otro. La fotosíntesis es la vía principal en la que los organismos fotosintéticos como las plantas (las algas planctónicas realizan la mayor parte de la síntesis global) recolectan la energía del sol y la convierten en carbohidratos. El subproducto de la fotosíntesis es el oxígeno, que algunas células necesitan para realizar la respiración celular. Durante la respiración celular, el oxígeno ayuda en la descomposición catabólica de los compuestos de carbono, como los carbohidratos. Entre los productos se encuentran CO2 y ATP. Además, algunos eucariotas realizan procesos catabólicos sin oxígeno (fermentación) es decir, realizan o utilizan el metabolismo anaeróbico.

                                    Los organismos probablemente desarrollaron un metabolismo anaeróbico para sobrevivir (los organismos vivos comenzaron a existir hace unos 3.800 millones de años, cuando la atmósfera carecía de oxígeno). A pesar de las diferencias entre los organismos y la complejidad del metabolismo, los investigadores han descubierto que todas las ramas de la vida comparten algunas de las mismas vías metabólicas, lo que sugiere que todos los organismos evolucionaron a partir del mismo ancestro común antiguo ((Figura)). La evidencia indica que con el tiempo, las vías divergieron, añadiendo enzimas especializadas para permitir que los organismos se adaptaran mejor a su entorno, aumentando así sus posibilidades de sobrevivir. Sin embargo, el principio subyacente sigue siendo que todos los organismos deben recolectar energía de su entorno y convertirla en ATP para llevar a cabo funciones celulares.

                                    Vías anabólicas y catabólicas

                                    Las vías anabólicas requieren un aporte de energía para sintetizar moléculas complejas a partir de otras más simples. Sintetizar azúcar a partir de CO2 es un ejemplo. Otros ejemplos son la síntesis de proteínas grandes a partir de componentes básicos de aminoácidos y la síntesis de nuevas cadenas de ADN a partir de componentes básicos de ácidos nucleicos. Estos procesos biosintéticos son fundamentales para la vida de la célula, tienen lugar constantemente y exigen la energía que proporcionan el ATP y otras moléculas de alta energía como NADH (dinucleótido de nicotinamida y adenina) y NADPH ((Figura)).

                                    El ATP es una molécula importante para que las células tengan un suministro suficiente en todo momento. La descomposición de los azúcares ilustra cómo una sola molécula de glucosa puede almacenar suficiente energía para producir una gran cantidad de ATP, de 36 a 38 moléculas. Esta es una vía catabólica. Las vías catabólicas implican la degradación (o descomposición) de moléculas complejas en otras más simples. La energía molecular almacenada en enlaces de moléculas complejas se libera en vías catabólicas y se recolecta de tal manera que puede producir ATP. Otras moléculas que almacenan energía, como las grasas, también se descomponen a través de reacciones catabólicas similares para liberar energía y producir ATP ((Figura)).

                                    Es importante saber que las reacciones químicas de la vía metabólica no se producen de forma espontánea. Una proteína llamada enzima facilita o cataliza cada paso de la reacción. Las enzimas son importantes para catalizar todo tipo de reacciones biológicas, tanto las que requieren energía como las que la liberan.

                                    Resumen de la sección

                                    Las células realizan las funciones de la vida a través de diversas reacciones químicas. El metabolismo de una célula se refiere a las reacciones químicas que tienen lugar dentro de ella. Hay reacciones metabólicas que implican la descomposición de sustancias químicas complejas en otras más simples, como la descomposición de grandes macromoléculas. Los científicos se refieren a este proceso como catabolismo, y asociamos tales reacciones con una liberación de energía. En el otro extremo del espectro, el anabolismo se refiere a procesos metabólicos que construyen moléculas complejas a partir de otras más simples, como la síntesis de macromoléculas. Los procesos anabólicos requieren energía. La síntesis de glucosa y la degradación de la glucosa son ejemplos de vías anabólicas y catabólicas, respectivamente.

                                    Opción multiple

                                    La energía se almacena a largo plazo en los enlaces de _____ y ​​se utiliza a corto plazo para realizar el trabajo de una (n) _____ molécula.

                                    1. ATP: glucosa
                                    2. una molécula anabólica: molécula catabólica
                                    3. glucosa: ATP
                                    4. una molécula catabólica: molécula anabólica

                                    La replicación del ADN implica desenrollar dos hebras de ADN parental, copiar cada hebra para sintetizar hebras complementarias y liberar el ADN padre e hijo. ¿Cuál de las siguientes opciones describe con precisión este proceso?

                                    1. Este es un proceso anabólico.
                                    2. Este es un proceso catabólico.
                                    3. Esto es tanto anabólico como catabólico.
                                    4. Este es un proceso metabólico pero no es ni anabólico ni catabólico.

                                    Preguntas de pensamiento crítico

                                    ¿El ejercicio físico implica procesos anabólicos y / o catabólicos? Da evidencia de tu respuesta.

                                    El ejercicio físico implica procesos tanto anabólicos como catabólicos. Las células del cuerpo descomponen los azúcares para proporcionar ATP para realizar el trabajo necesario para el ejercicio, como las contracciones musculares. Eso es catabolismo. Las células musculares también deben reparar el tejido muscular dañado por el ejercicio mediante la construcción de nuevos músculos. Eso es anabolismo.

                                    Nombra dos funciones celulares diferentes que requieren energía que sean paralelas a las funciones humanas que requieren energía.

                                    Se requiere energía para el movimiento celular, a través del latido de los cilios o flagelos, así como para el movimiento humano, producido por la contracción muscular. Las células también necesitan energía para realizar la digestión, ya que los humanos necesitan energía para digerir los alimentos.

                                    Glosario


                                    Capítulo 8 y # 8211 Introducción al metabolismo Esquema de la conferencia

                                    · La totalidad de las reacciones químicas de un organismo se denomina metabolismo.

                                    · El metabolismo es una propiedad emergente de la vida que surge de las interacciones entre moléculas dentro del entorno ordenado de la célula.

                                    · Las vías metabólicas comienzan con una molécula específica, que luego se altera en una serie de pasos definidos para formar un producto específico.

                                    · Una enzima específica cataliza cada paso de la vía.

                                    · Las vías catabólicas liberan energía al descomponer moléculas complejas en compuestos más simples.

                                    ° Una vía importante de catabolismo es la respiración celular, en la que el azúcar glucosa se descompone en presencia de oxígeno en dióxido de carbono y agua.

                                    · Vías anabólicas consumen energía para construir moléculas complicadas a partir de compuestos más simples. También se denominan vías biosintéticas.

                                    ° La síntesis de proteínas a partir de aminoácidos es un ejemplo de anabolismo.

                                    · La energía liberada por las vías catabólicas se puede almacenar y luego utilizar para impulsar las vías anabólicas.

                                    · La energía es fundamental para todos los procesos metabólicos y, por lo tanto, comprender la energía es clave para comprender cómo funciona la célula viva.

                                    ° Bioenergética es el estudio de cómo los organismos gestionan sus recursos energéticos.

                                    2. Los organismos transforman la energía.

                                    · Energía es la capacidad de trabajar.

                                    ° La energía existe en varias formas y las células transforman la energía de un tipo a otro.

                                    · Energía cinética es la energía asociada con el movimiento relativo de los objetos.

                                    ° Los objetos en movimiento pueden realizar trabajo impartiendo movimiento a otra materia.

                                    ° Se pueden capturar fotones de luz y aprovechar su energía para impulsar la fotosíntesis en plantas verdes.

                                    ° Calor o energía térmica es la energía cinética asociada con el movimiento aleatorio de átomos o moléculas.

                                    · Energía potencial es la energía que posee la materia debido a su ubicación o estructura.

                                    ° Energía química es una forma de energía potencial almacenada en moléculas debido a la disposición de sus átomos.

                                    · La energía se puede convertir de una forma a otra.

                                    ° Por ejemplo, cuando un niño sube escaleras a una plataforma de buceo, está liberando energía química almacenada en sus células de la comida que comió en el almuerzo.

                                    ° La energía cinética de su movimiento muscular se convierte en energía potencial a medida que sube más alto.

                                    ° Mientras se sumerge, la energía potencial se convierte de nuevo en energía cinética.

                                    ° La energía cinética se transfiere al agua al entrar en ella.

                                    ° Parte de la energía se convierte en calor debido a la fricción.

                                    3. Las transformaciones energéticas de la vida están sujetas a dos leyes de la termodinámica.

                                    · Termodinámica es el estudio de las transformaciones energéticas.

                                    · En este campo, el término sistema se refiere a la materia en estudio y el entorno incluye todo lo que está fuera del sistema.

                                    · Un sistema cerrado, aproximado por líquido en un termo, se aísla de su entorno.

                                    · En un sistema abierto, la energía y la materia se pueden transferir entre el sistema y su entorno.

                                    · Los organismos son sistemas abiertos.

                                    ° Absorben energía (luz o energía química en forma de moléculas orgánicas) y liberan calor y productos de desecho metabólicos como urea o CO2 a su entorno.

                                    · Los primera ley de la termodinámica afirma que la energía se puede transferir y transformar, pero no se puede crear ni destruir.

                                    ° La primera ley también se conoce como principio de conservación de la energía.

                                    ° Las plantas no producen energía, transforman la energía luminosa en energía química.

                                    · Durante cada transferencia o transformación de energía, parte de la energía se convierte en calor, que es la energía asociada con el movimiento aleatorio de átomos y moléculas.

                                    · Un sistema puede utilizar el calor para realizar el trabajo sólo cuando hay una diferencia de temperatura que hace que el calor fluya de un lugar más cálido a uno más frío.

                                    ° Si la temperatura es uniforme, como en una célula viva, el calor solo puede usarse para calentar el organismo.

                                    · Las transferencias y transformaciones de energía hacen que el universo sea más desordenado debido a esta pérdida de energía utilizable.

                                    · Entropía es una cantidad utilizada como medida de desorden o aleatoriedad.

                                    ° Cuanto más aleatoria es una colección de materia, mayor es su entropía.

                                    · Los segunda ley de la termodinámica afirma que cada transferencia o transformación de energía aumenta la entropía del universo.

                                    ° Si bien el orden puede aumentar localmente, existe una tendencia imparable hacia la aleatorización del universo.

                                    ° Gran parte del aumento de entropía del universo toma la forma de aumento de calor, que es la energía del movimiento molecular aleatorio.

                                    · En la mayoría de las transformaciones de energía, las formas ordenadas de energía se convierten, al menos en parte, en calor.

                                    ° Los automóviles convierten solo el 25% de la energía de la gasolina en movimiento, el resto se pierde en forma de calor.

                                    ° Las células vivas convierten inevitablemente formas organizadas de energía en calor.

                                    · Para que un proceso ocurra por sí solo, sin ayuda externa en forma de entrada de energía, debe aumentar la entropía del universo.

                                    · La palabra espontáneo describe un proceso que puede ocurrir sin un aporte de energía.

                                    ° No es necesario que los procesos espontáneos ocurran rápidamente.

                                    ° Algunos procesos espontáneos son instantáneos, como una explosión. Algunos son muy lentos, como la oxidación de un coche viejo.

                                    · Otra forma de enunciar la segunda ley de la termodinámica es que para que un proceso ocurra espontáneamente, debe aumentar la entropía del universo.

                                    · Los sistemas vivos crean estructuras ordenadas a partir de materiales de partida menos ordenados.

                                    ° Por ejemplo, los aminoácidos se ordenan en cadenas polipeptídicas.

                                    ° La estructura de un cuerpo multicelular es organizada y compleja.

                                    · Sin embargo, un organismo también toma formas organizadas de materia y energía de su entorno y las reemplaza con formas menos ordenadas.

                                    ° Por ejemplo, un animal consume moléculas orgánicas como alimento y las cataboliza en agua y dióxido de carbono de baja energía.

                                    · A lo largo del tiempo evolutivo, los organismos complejos han evolucionado a partir de otros más simples.

                                    ° Este aumento de organización no viola la segunda ley de la termodinámica.

                                    ° La entropía de un sistema en particular, como un organismo, puede disminuir mientras la entropía total del universo —el sistema más su entorno— aumente.

                                    ° Los organismos son islas de baja entropía en un universo cada vez más aleatorio.

                                    ° La evolución del orden biológico es perfectamente coherente con las leyes de la termodinámica.

                                    4. El cambio de energía libre de una reacción nos dice si es espontánea.

                                    · ¿Cómo podemos determinar qué reacciones ocurren espontáneamente y cuáles requieren un aporte de energía?

                                    · El concepto de energía libre proporciona una función útil para medir la espontaneidad de un sistema.

                                    · Energía gratis es la parte de la energía de un sistema que puede realizar un trabajo cuando la temperatura y la presión son uniformes en todo el sistema, como en una célula viva.

                                    · La energía libre (G) en un sistema está relacionada con la entalpía total (en sistemas biológicos, equivalente a energía) (H) y la entropía (S) por esta relación:

                                    ° G = H - TS, donde T es la temperatura en unidades Kelvin.

                                    ° Los aumentos de temperatura amplifican el término de entropía.

                                    ° No toda la energía de un sistema está disponible para trabajar porque el componente de entropía debe restarse del componente de entalpía.

                                    ° Lo que queda es la energía libre disponible para trabajar.

                                    · La energía libre se puede considerar como una medida de la estabilidad de un sistema.

                                    ° Los sistemas con alto contenido de energía libre (resortes comprimidos, cargas separadas, polímeros orgánicos) son inestables y tienden a moverse hacia un estado más estable, uno con menos energía libre.

                                    ° Los sistemas que tienden a cambiar espontáneamente son los que tienen alta entalpía, baja entropía o ambas.

                                    · En cualquier proceso espontáneo, la energía libre de un sistema disminuye.

                                    · Podemos representar este cambio de energía libre desde el inicio de un proceso hasta su finalización mediante:

                                    ° DG = Gfinal state - Gstarting state

                                    · Para que un proceso sea espontáneo, el sistema debe renunciar a la entalpía (disminución de H), renunciar al orden (aumento de S) o ambas cosas.

                                    ° La DG debe ser negativa para que un proceso sea espontáneo.

                                    § Todo proceso espontáneo se caracteriza por una disminución de la energía libre del sistema.

                                    § Los procesos que tienen un GD positivo o cero nunca son espontáneos.

                                    ° Cuanto mayor sea la disminución de la energía libre, más trabajo puede realizar un proceso espontáneo.

                                    · Un sistema en equilibrio está en máxima estabilidad.

                                    ° En una reacción química en equilibrio, las velocidades de las reacciones hacia adelante y hacia atrás son iguales y no hay cambios en la concentración de productos o reactivos.

                                    ° En el equilibrio DG = 0, y el sistema no puede funcionar.

                                    ° Un proceso es espontáneo y puede realizar trabajo solo cuando se está moviendo hacia el equilibrio.

                                    ° Los movimientos que se alejan del equilibrio no son espontáneos y requieren la adición de energía de una fuente de energía externa (el entorno).

                                    · Las reacciones químicas se pueden clasificar en exergónicas o endergónicas según la energía libre.

                                    · Un reacción exergónica procede con una liberación neta de energía libre DG es negativa.

                                    · La magnitud de DG para una reacción exergónica es la cantidad máxima de trabajo que puede realizar la reacción.

                                    · Cuanto mayor es la disminución de la energía libre, mayor es la cantidad de trabajo que se puede realizar.

                                    ° Para la reacción general de la respiración celular: C6H12O6 + 6O2 - & gt 6CO2 + 6H2O

                                    ° Por cada mol (180 g) de glucosa degradada por la respiración, se ponen a disposición 686 kcal de energía para trabajar en la célula.

                                    § Los productos tienen 686 kcal menos de energía libre que los reactivos.

                                    · Un reacción endergónica es aquel que absorbe energía libre de su entorno.

                                    ° Las reacciones endergónicas almacenan energía en moléculas. DG es positivo.

                                    ° Las reacciones endergónicas no son espontáneas y la magnitud de DG es la cantidad de energía necesaria para impulsar la reacción.

                                    · Si la respiración celular libera 686 kcal, entonces la fotosíntesis, la reacción inversa, debe requerir una inversión equivalente de energía.

                                    ° Para la conversión de dióxido de carbono y agua en azúcar, DG = +686 kcal / mol.

                                    · La fotosíntesis es fuertemente endergónica, impulsada por la absorción de energía luminosa.

                                    · Las reacciones en un sistema cerrado eventualmente alcanzan el equilibrio y no pueden funcionar.

                                    ° ¡Una célula que ha alcanzado el equilibrio metabólico tiene un DG = 0 y está muerta!

                                    · El desequilibrio metabólico es una de las características definitorias de la vida.

                                    · Las células mantienen el desequilibrio porque son sistemas abiertos. El flujo constante de materiales que entran y salen de la célula evita que las vías metabólicas alcancen el equilibrio.

                                    ° Una célula continúa trabajando durante toda su vida.

                                    · Un proceso catabólico en una célula libera energía libre en una serie de reacciones, no en un solo paso.

                                    · Algunas reacciones reversibles de la respiración son constantemente "empujadas" en una dirección, ya que el producto de una reacción no se acumula sino que se convierte en el reactivo en el siguiente paso.

                                    · La luz solar proporciona una fuente diaria de energía gratuita para los organismos fotosintéticos.

                                    · Los organismos no fotosintéticos dependen de una transferencia de energía libre de organismos fotosintéticos en forma de moléculas orgánicas.

                                    5. El ATP potencia el trabajo celular acoplando reacciones exergónicas a reacciones endergónicas.

                                    · Una célula realiza tres tipos principales de trabajo:

                                    1. Trabajo mecánico, como el latido de los cilios, la contracción de las células musculares y el movimiento de los cromosomas durante la reproducción celular.

                                    2. Trabajo de transporte, el bombeo de sustancias a través de membranas contra la dirección del movimiento espontáneo.

                                    3. Trabajo químico, impulsando reacciones endergónicas como la síntesis de polímeros a partir de monómeros.

                                    · Las células gestionan sus recursos energéticos para realizar este trabajo mediante acoplamiento de energía, el uso de un proceso exergónico para impulsar uno endergónico.

                                    · En la mayoría de los casos, la fuente inmediata de energía para impulsar el trabajo celular es el ATP.

                                    · ATP (trifosfato de adenosina) es un tipo de nucleótido que consta de la base nitrogenada adenina, el azúcar ribosa y una cadena de tres grupos fosfato.

                                    · Los enlaces entre los grupos fosfato se pueden romper por hidrólisis.

                                    ° La hidrólisis del grupo fosfato final forma difosfato de adenosina.

                                    § Esta reacción libera 7.3 kcal de energía por mol de ATP en condiciones estándar (1 M de cada reactivo y producto, 25 ° C, pH 7).

                                    ° En la celda, la DG para la hidrólisis de ATP es aproximadamente -13 kcal / mol.

                                    · Si bien los enlaces fosfato del ATP a veces se denominan enlaces fosfato de alta energía, en realidad son enlaces covalentes bastante débiles.

                                    ° Sin embargo, son inestables y su hidrólisis produce energía porque los productos son más estables.

                                    · La liberación de energía durante la hidrólisis del ATP proviene del cambio químico a un estado de menor energía libre, no de los propios enlaces fosfato.

                                    · ¿Por qué la hidrólisis del ATP produce tanta energía?

                                    ° Cada uno de los tres grupos fosfato tiene una carga negativa.

                                    ° Estas tres cargas similares están apiñadas y su repulsión mutua contribuye a la inestabilidad de esta región de la molécula de ATP.

                                    · En la célula, la energía de la hidrólisis del ATP se acopla directamente a los procesos endergónicos mediante la transferencia del grupo fosfato a otra molécula.

                                    ° Esta molécula receptora ahora fosforilado.

                                    ° Esta molécula es ahora más reactiva (menos estable) que las moléculas originales no fosforiladas.

                                    · El trabajo mecánico, de transporte y químico en la célula casi siempre es impulsado por la hidrólisis de ATP.

                                    ° En cada caso, un grupo fosfato se transfiere del ATP a otra molécula y la molécula fosforilada sufre un cambio que realiza su trabajo.

                                    · El ATP es un recurso renovable que puede regenerarse mediante la adición de un grupo fosfato al ADP.

                                    ° La energía para fosforilar el ADP proviene de reacciones catabólicas en la célula.

                                    ° Una célula muscular en funcionamiento recicla toda su reserva de ATP una vez por minuto.

                                    ° Se consumen y regeneran más de 10 millones de moléculas de ATP por segundo por célula.

                                    · La regeneración de ATP es un proceso endergónico que requiere una inversión de energía.

                                    · Las vías catabólicas (exergónicas), especialmente la respiración celular, proporcionan la energía para la regeneración exergónica del ATP.

                                    · La energía potencial química almacenada temporalmente en el ATP impulsa la mayor parte del trabajo celular.

                                    B. Las enzimas son proteínas catalíticas

                                    1. Las enzimas aceleran las reacciones metabólicas al reducir las barreras energéticas.

                                    · Las reacciones químicas espontáneas pueden ocurrir tan lentamente que sean imperceptibles.

                                    ° La hidrólisis del azúcar de mesa (sacarosa) a glucosa y fructosa es exergónica.

                                    ° A pesar de esto, su azúcar permanece en su recipiente sin hidrólisis observable.

                                    ° Si añadimos una pequeña cantidad del catalizador enzimático sacarasa a una solución de azúcar, toda la sacarosa se hidrolizará en unos segundos.

                                    · A Catalizador es un agente químico que acelera la velocidad de una reacción sin ser consumido por la reacción.

                                    ° An enzima es una proteína catalítica.

                                    · Las enzimas regulan las vías metabólicas.

                                    · Toda reacción química implica romper y formar enlaces.

                                    ° Para hidrolizar la sacarosa, el enlace entre la glucosa y la fructosa debe romperse y deben formarse nuevos enlaces con el hidrógeno y los iones hidroxilo del agua.

                                    · Para alcanzar un estado en el que los enlaces se puedan romper y reformar, las moléculas reactivas deben absorber energía de su entorno. Cuando se forman los nuevos enlaces de las moléculas del producto, la energía se libera en forma de calor a medida que las moléculas adoptan formas estables con menor energía.

                                    · La inversión inicial de energía para iniciar una reacción es la energía libre de activación o energía de activación (EA).

                                    · La energía de activación es la cantidad de energía necesaria para empujar los reactivos sobre una barrera de energía para que la reacción pueda continuar.

                                    ° En la cima, las moléculas están en una condición inestable, el estado de transición.

                                    ° La energía de activación se puede suministrar en forma de calor que las moléculas reactivas absorben del entorno.

                                    ° Los enlaces de los reactivos se rompen solo cuando las moléculas han absorbido suficiente energía para volverse inestables y, por lo tanto, más reactivas.

                                    ° La absorción de energía térmica aumenta la velocidad de las moléculas reactivas, por lo que chocan con más frecuencia y fuerza.

                                    ° La agitación térmica de los átomos en las moléculas aumenta la probabilidad de que se rompan los enlaces.

                                    ° A medida que las moléculas se asientan en nuevos arreglos de enlaces estables, se libera energía al entorno.

                                    ° En las reacciones exergónicas, la energía de activación se libera al entorno y se libera energía adicional con la formación de nuevos enlaces.

                                    · Para algunos procesos, la EA no es alta y la energía térmica proporcionada por la temperatura ambiente es suficiente para que muchos reactivos alcancen el estado de transición.

                                    · En muchos casos, la EA es lo suficientemente alta como para que rara vez se alcance el estado de transición y que la reacción apenas prosiga. En estos casos, la reacción solo ocurrirá a una velocidad notable si los reactivos se calientan.

                                    ° Una bujía proporciona la energía para energizar una mezcla de gasolina y oxígeno y provocar la combustión.

                                    ° Sin esa energía de activación, los hidrocarburos de la gasolina son demasiado estables para reaccionar con el oxígeno.

                                    · Las proteínas, el ADN y otras moléculas orgánicas complejas son ricas en energía libre. Su hidrólisis es espontánea, con la liberación de grandes cantidades de energía.

                                    ° Sin embargo, no hay suficiente energía a las temperaturas típicas de la célula para que la gran mayoría de moléculas orgánicas superen la joroba de la energía de activación.

                                    · ¿Cómo se superan las barreras de las reacciones seleccionadas para permitir que las células lleven a cabo los procesos de la vida?

                                    ° El calor aceleraría las reacciones, pero también desnaturalizaría las proteínas y mataría las células.

                                    · Las enzimas aceleran las reacciones al reducir la EA.

                                    ° El estado de transición se puede alcanzar incluso a temperaturas moderadas.

                                    ° Acelera las reacciones que eventualmente ocurrirían.

                                    ° Debido a que las enzimas son tan selectivas, determinan qué procesos químicos ocurrirán en cualquier momento.

                                    2. Las enzimas son específicas del sustrato.

                                    · El reactivo sobre el que actúa una enzima es el sustrato.

                                    · La enzima se une a un sustrato, o sustratos, formando una complejo enzima-sustrato.

                                    · Mientras la enzima y el sustrato están unidos, la acción catalítica de la enzima convierte el sustrato en el producto o productos.

                                    · La reacción catalizada por cada enzima es muy específica.

                                    · ¿Qué explica este reconocimiento molecular?

                                    ° La especificidad de una enzima resulta de su forma tridimensional.

                                    · Solo una parte de la enzima se une al sustrato.

                                    ° El sitio activo de una enzima es típicamente un bolsillo o surco en la superficie de la proteína en el que encaja el sustrato.

                                    ° El sitio activo generalmente está formado por solo unos pocos aminoácidos.

                                    · La especificidad de una enzima se debe al ajuste entre el sitio activo y el sustrato.

                                    · A medida que el sustrato ingresa al sitio activo, las interacciones entre el sustrato y los aminoácidos de la proteína hacen que la enzima cambie ligeramente de forma, lo que lleva a una ajuste inducido que pone a los grupos químicos en posición de catalizar la reacción.

                                    3. El sitio activo es el centro catalítico de una enzima.

                                    · En la mayoría de los casos, los sustratos se mantienen en el sitio activo mediante interacciones débiles, como enlaces de hidrógeno y enlaces iónicos.

                                    ° Los grupos R de unos pocos aminoácidos en el sitio activo catalizan la conversión de sustrato en producto.

                                    ° El producto abandona el sitio activo.

                                    · Una sola molécula de enzima puede catalizar miles de reacciones por segundo.

                                    · Las enzimas no se ven afectadas por la reacción y son reutilizables.

                                    · La mayoría de las enzimas metabólicas pueden catalizar una reacción tanto en sentido directo como inverso.

                                    ° La dirección real depende de las concentraciones relativas de productos y reactivos.

                                    ° Las enzimas catalizan reacciones en la dirección del equilibrio.

                                    · Las enzimas utilizan una variedad de mecanismos para reducir la energía de activación y acelerar una reacción.

                                    ° En reacciones que involucran a más de un reactivo, el sitio activo junta los sustratos en la orientación correcta para que prosiga la reacción.

                                    ° A medida que el sitio activo se une al sustrato, puede ejercer presión sobre los enlaces que deben romperse, lo que facilita que los reactivos alcancen el estado de transición.

                                    ° Los grupos R en el sitio activo pueden crear un microambiente propicio para una reacción específica.

                                    § Un sitio activo puede ser una bolsa de pH bajo, lo que facilita la transferencia de H + al sustrato como paso clave para catalizar la reacción.

                                    ° Las enzimas pueden unirse covalentemente brevemente a los sustratos.

                                    § Los pasos posteriores de la reacción restauran los grupos R dentro del sitio activo a su estado original.

                                    · La velocidad a la que un número específico de enzimas convierte los sustratos en productos depende en parte de las concentraciones del sustrato.

                                    ° A bajas concentraciones de sustrato, un aumento en la concentración de sustrato acelera la unión a los sitios activos disponibles.

                                    ° Sin embargo, existe un límite en la rapidez con la que puede ocurrir una reacción.

                                    ° A altas concentraciones de sustrato, los sitios activos de todas las enzimas están comprometidos.

                                    § La velocidad de la reacción está determinada por la velocidad a la que el sitio activo puede convertir el sustrato en producto.

                                    · La única forma de aumentar la productividad en este punto es agregar más moléculas de enzima.

                                    4. El entorno físico y químico de una célula afecta la actividad enzimática.

                                    · La actividad de una enzima se ve afectada por las condiciones ambientales generales, como la temperatura y el pH.

                                    · Cada enzima funciona mejor en determinadas condiciones óptimas, que favorecen la conformación más activa de la molécula enzimática.

                                    · La temperatura tiene un gran impacto en la velocidad de reacción.

                                    ° A medida que aumenta la temperatura, las colisiones entre los sustratos y los sitios activos ocurren con mayor frecuencia a medida que las moléculas se mueven más rápidamente.

                                    ° A medida que la temperatura aumenta aún más, la agitación térmica comienza a romper los enlaces débiles que estabilizan la conformación activa de la proteína y la proteína se desnaturaliza.

                                    ° Cada enzima tiene una temperatura óptima.

                                    § La mayoría de las enzimas humanas tienen temperaturas óptimas de alrededor de 35–40 ° C.

                                    § Las bacterias que viven en aguas termales contienen enzimas con temperaturas óptimas de 70 ° C o más.

                                    · Cada enzima también tiene un pH óptimo.

                                    · El mantenimiento de la conformación activa de la enzima requiere un pH particular.

                                    ° Este cae entre pH 6 y 8 para la mayoría de las enzimas.

                                    ° Sin embargo, las enzimas digestivas del estómago están diseñadas para funcionar mejor a pH 2, mientras que las del intestino tienen un pH óptimo de 8.

                                    · Muchas enzimas requieren auxiliares no proteicos, llamados cofactores, para la actividad catalítica.

                                    ° Los cofactores se unen de forma permanente o reversible a la enzima.

                                    ° Algunos cofactores inorgánicos incluyen zinc, hierro y cobre.

                                    · Los cofactores orgánicos se denominan coenzimas.

                                    ° Muchas vitaminas son coenzimas.

                                    · La unión por inhibidores evita que las enzimas catalicen reacciones.

                                    ° Si los inhibidores se unen a la enzima mediante enlaces covalentes, la inhibición puede ser irreversible.

                                    ° Si los inhibidores se unen mediante enlaces débiles, la inhibición puede ser reversible.

                                    · Algunos inhibidores reversibles se asemejan al sustrato y compiten por unirse al sitio activo.

                                    ° Estas moléculas se llaman inhibidores competitivos.

                                    ° La inhibición competitiva se puede superar aumentando la concentración del sustrato.

                                    · Inhibidores no competitivos Impedir reacciones enzimáticas al unirse a otra parte de la molécula.

                                    ° La unión del inhibidor hace que la enzima cambie de forma, haciendo que el sitio activo sea menos eficaz para catalizar la reacción.

                                    · Las toxinas y los venenos son a menudo inhibidores enzimáticos irreversibles.

                                    · El sarín es el gas nervioso liberado por terroristas en el metro de Tokio en 1995.

                                    ° El sarín se une covalentemente al grupo R en el aminoácido serina.

                                    ° La serina se encuentra en el sitio activo de la acetilcolinesterasa, una enzima importante del sistema nervioso.

                                    C. El control del metabolismo

                                    1. El control metabólico a menudo depende de la regulación alostérica.

                                    · En muchos casos, las moléculas que regulan naturalmente la actividad enzimática se comportan como inhibidores no competitivos reversibles.

                                    · Las moléculas reguladoras a menudo se unen débilmente a un sitio alostérico, un receptor específico en la enzima lejos del sitio activo.

                                    ° La unión de estas moléculas puede inhibir o estimular la actividad enzimática.

                                    · La mayoría de las enzimas reguladas alostéricamente están formadas por dos o más cadenas polipeptídicas.

                                    ° Cada subunidad tiene su propio sitio activo.

                                    ° Los sitios alostéricos a menudo se encuentran donde se unen las subunidades.

                                    · La unión de un activador estabiliza la conformación que tiene sitios activos funcionales, mientras que la unión de un inhibidor estabiliza la forma inactiva de la enzima.

                                    · A medida que cambian las condiciones químicas de la célula, también puede cambiar el patrón de regulación alostérica.

                                    · Al unirse a enzimas clave, los reactivos y productos de la hidrólisis del ATP pueden desempeñar un papel importante en el equilibrio del flujo de tráfico entre las vías anabólicas y catabólicas.

                                    ° Por ejemplo, el ATP se une alostéricamente a varias enzimas catabólicas, inhibiendo su actividad al disminuir su afinidad por el sustrato.

                                    ° ADP funciona como un activador de las mismas enzimas.

                                    ° El ATP y el ADP también afectan las enzimas clave en las vías anabólicas.

                                    ° De esta manera, las enzimas alostéricas controlan la velocidad de las reacciones clave en las vías metabólicas.

                                    · En enzimas con múltiples subunidades catalíticas, la unión de un sustrato a un sitio activo estabiliza cambios conformacionales favorables en todas las demás subunidades, un proceso llamado cooperatividad.

                                    ° Este mecanismo amplifica la respuesta de las enzimas a los sustratos, preparando la enzima para aceptar sustratos adicionales.

                                    · Un método común de control metabólico es inhibición por retroalimentación en el que un paso temprano en una vía metabólica es desactivado por el producto final de la vía.

                                    ° El producto actúa como inhibidor de una enzima en la vía.

                                    · La inhibición por retroalimentación evita que una célula desperdicie recursos químicos al sintetizar más producto del necesario.

                                    2. La localización de enzimas dentro de una célula ayuda a ordenar el metabolismo.

                                    · Las estructuras dentro de la célula ayudan a poner orden en las vías metabólicas.

                                    · Se puede ensamblar un equipo de enzimas para varios pasos de una vía metabólica como un complejo multienzimático.

                                    · El producto de la primera reacción puede pasar rápidamente a la siguiente enzima hasta que se libere el producto final.

                                    · Algunas enzimas y complejos enzimáticos tienen ubicaciones fijas dentro de las células como componentes estructurales de membranas particulares.

                                    ° Otros están confinados dentro de orgánulos eucariotas encerrados en membranas.

                                    · El metabolismo, el conjunto de vías químicas que se cruzan, características de la vida, es una interacción coreografiada de miles de tipos diferentes de moléculas celulares.


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