2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25 - Biología

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Objetivos de aprendizaje asociados con 2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25

• Describe cómo se relacionan el genotipo y el fenotipo. Predecir un fenotipo si se le da un genotipo y los mecanismos moleculares relacionados, y viceversa.
• Describir cómo la información ambiental puede moldear el resultado transcripcional y traduccional de manera que conduzca a diferentes fenotipos y especialización celular.
• Definir y explicar los diferentes términos del vocabulario que se utilizan para describir mutaciones (punto, deleción, inserción, sinsentido, cambio de marco, nulo, pérdida de función y ganancia de función) y ser capaz de predecir su impacto en la función de la proteína.
• Utilice una tabla de codones y su conocimiento de la estructura y función de las proteínas para hacer predicciones de cómo los cambios específicos a nivel del ADN podrían influir en la estructura y función de las proteínas.
• Explica los posibles diferentes mecanismos por los cuales las mutaciones pueden provocar cambios en el fenotipo. Incluya mutaciones tanto en las regiones codificantes de proteínas como en las regiones no codificantes de proteínas en su discusión.
• Explique la influencia potencial de las mutaciones en la especificidad y afinidad de las interacciones proteína-ADN y el impacto potencial de estas mutaciones en la expresión génica.

Mutaciones

Los errores que ocurren durante la replicación del ADN no son la única forma en que pueden surgir mutaciones en el ADN. Mutaciones inducidas son aquellos que resultan de una exposición a productos químicos, rayos ultravioleta, rayos X o algún otro agente ambiental. Mutaciones espontáneas ocurrir sin exposición a ningún agente ambiental; son el resultado de reacciones bioquímicas espontáneas que tienen lugar dentro de la célula.

Las mutaciones pueden tener una amplia gama de efectos.

Algunas mutacionesno crean un impacto observable; nosotros los llamamos

mutaciones silenciosas. Mutaciones puntuales son aquellas mutaciones que afectan a un solo par de bases. Las mutaciones de nucleótidos más comunes son sustituciones,

en el que una base es reemplazada por otra

. Estos pueden ser de dos tipos, transiciones o transversiones. Sustitución de transición se refiere a una purina o pirimidina que se reemplaza por una base del mismo tipo; por ejemplo,

una purina como la adenina puede ser reemplazada por la purina guanina

. Sustitución de conversión se refiere a una purina que se reemplaza por una pirimidina, o viceversa; por ejemplo, citosina, una pirimidina,

es remplazado

por adenina, una purina. Las mutaciones también pueden

ser el resultado de

la adición de un nucleótido, conocida como inserción, o la eliminación de una base, también conocida como deleción. A veces, un fragmento de ADN de un cromosoma puede trasladarse a otro cromosoma oa otra región del mismo cromosoma;

Esto es conocido

como translocación.

Como veremos más adelante, cuando ocurre una mutación en una región codificante de una proteína, puede tener varios efectos. Los mutantes de transición o transversión pueden no producir cambios en la secuencia de la proteína (conocida como mutaciones silenciosas), cambie la secuencia de aminoácidos (conocida como mutaciones sin sentido), o crear

lo que se conoce como

un codón de parada (conocido como mutación sin sentido). Las inserciones y deleciones en secuencias codificantes de proteínas conducen a mutaciones de cambio de marco. Mutaciones sin sentido que conducen a cambios conservadores da como resultado la sustitución de aminoácidos similares pero no idénticos. Por ejemplo, el aminoácido ácido glutamato sustituido por el aminoácido ácido aspartato sería

ser considerado

conservador. No esperamos que estos tipos de mutaciones sin sentido sean tan graves como ningún conservante cambio de aminoácidos; como un glutamato sustituido por una valina. Basándonos en nuestra comprensión de la química de los grupos funcionales, podemos inferir correctamente que este

tipo de

la sustitución puede tener consecuencias funcionales graves, según la ubicación de la mutación.

Nota: reloj de vocabulario

Tenga en cuenta que el párrafo anterior tenía mucho vocabulario potencialmente nuevo; sería una buena idea aprender estos términos.

Figura 1. Las mutaciones pueden provocar cambios en la secuencia de proteínas codificada por el ADN.

Mutaciones: alguna nomenclatura y consideraciones

Mutación

Etimológicamente, el término mutación significa un cambio o alteración. En genética, una mutación es un cambio en el material genético (secuencia de ADN) de un organismo. Por extensión, un mutante es el organismo en el que se ha producido una mutación. Pero, ¿a qué se compara el cambio? La respuesta a esta pregunta es que depende. Podemos hacer la comparación con el progenitor directo (célula u organismo) oparapatrones observados en una población del organismo en cuestión. Depende principalmente del contexto específico de la discusión. Dado que los estudios genéticos a menudo miran una población (o subpoblaciones clave) de individuos, comenzamos por describir el término "tipo salvaje".

Tipo salvaje vs mutante

¿Qué entendemos por "tipo salvaje"? Dado que la definición puede depender del contexto, este concepto no es del todo sencillo. A continuación, se muestran algunos ejemplos de definiciones con las que puede encontrarse:

Posibles significadosde "tipo salvaje"

1. Un organismo que tiene una apariencia característica de la especie en una población reproductora natural (es decir, manchas de guepardo y rayas oscuras en forma de lágrimas que se extienden desde los ojos hasta la boca).
2. La forma o formas de un gen ocurre con mayor frecuencia en la naturaleza en undadoespecies.
3. Un fenotipo, genotipo o gen que predomina en una población natural de organismos o cepa de organismos en contraste con la de las formas mutantes naturales o de laboratorio.
4. Lo normal, a diferencia del gen o alelo mutante.

El hilo conductor de todas las definiciones enumeradas anteriormente se basa

sobre la "norma" para un conjunto de características

con respecto a

un rasgo específico en comparación con la población en general. En la "Era de la secuenciación previa al ADN"

las especies fueron clasificadas

basado en fenotipos comunes (cómo se veían, dónde vivían, cómo se comportaban, etc.). Una "norma"

fue establecido

para la especie en cuestión. Por ejemplo, los cuervos muestran un conjunto común de características, son aves grandes y negras que viven en regiones específicas, comen ciertos tipos de alimentos y se comportan de una manera característica determinada. Si vemos uno, sabemos

su

un cuervo basado en estas características. Si viéramos uno con la cabeza blanca, pensaríamos

ese

o es un pájaro diferente (no un cuervo) o un mutante, un cuervo que tiene alguna alteración de la norma o tipo salvaje.

En esta clase tomamos lo que es común acerca de esas diferentes definiciones y adoptamos la idea de que "tipo salvaje" es

simplemente

un estándar de referencia con el que podemos comparar a los miembros de una población.

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Posible discusión NB Punto

Si estuviera asignando rasgos de tipo salvaje para describir a un perro, ¿cuáles serían? ¿Cuál es la diferencia entre un rasgo mutante y la variación de un rasgo en una población de perros? ¿Existe un tipo salvaje para un perro que podamos usar como estándar? ¿Cómo lo haríamos?Empezar apiensa en este conceptocon respecto a¿perros?

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Figura 2. Las mutaciones pueden provocar cambios en la secuencia de proteínas codificada por el ADN que luego impactan en la apariencia externa del organismo.
(Fuente)

Las mutaciones sonsimplementecambios de la secuencia de "tipo salvaje", de referencia o parental para un organismo. Si bien el término "mutación" tiene connotaciones coloquialmente negativas,deberecuerde que el cambio no es intrínsecamente "malo". Las mutaciones (cambios en las secuencias) no debenser pensadode como "malo" o "bueno", perobastantesimplementecomo cambios y una fuente de diversidad genética y fenotípica sobre la cual puede ocurrir la evolución por selección natural. La selección natural determina en última instancia el largo plazodestinode mutaciones. Si la mutación confiere una ventaja selectiva al organismo, la mutaciónser seleccionadoy eventualmente puede volverse muy común en la población. Por el contrario, si la mutación es perjudicial, la selección natural asegurará quela mutación se perderáde la población. Si la mutación es neutra, es decir, no proporciona una ventaja o desventaja selectiva, entonces puede persistir en la población. Diferenteformas deun gen, incluidos los asociados con el "tipo salvaje" y los mutantes respectivos, en una poblaciónse denominanalelos.

Consecuencias de las mutaciones

Para un individuo, la consecuencia de mutaciones puede significar poco o puede significar vida o muerte. Algunas mutaciones deletéreas son nulo o knockearmutacionesque dan como resultado una pérdida de función del producto génico. Estas mutaciones pueden surgir por una deleción deel cualquierael gen completo, una parte del gen, o por una mutación puntual en una región crítica del gen que hace que el producto génico no sea funcional. Estos tipos de mutaciones también se denominan pérdida de función mutaciones. Alternativamente, las mutaciones pueden conducir a una modificación de una función existente (es decir, la mutación puede cambiar la eficiencia catalítica de una enzima, un cambio en la especificidad del sustrato o un cambio en la estructura). En casos raros, una mutación puede crear una función nueva o mejorada para un producto genético;esto se refiere a menudoa como ganancia de función mutación.Finalmente, pueden ocurrir mutaciones en regiones no codificantes del ADN. Estas mutaciones pueden tener una variedad de resultados, incluida la regulación alterada de la expresión génica, cambios en las tasas de replicación o propiedades estructurales del ADN y otros factores no asociados a proteínas.

Mutaciones y cáncer

Las mutaciones pueden afectar tanto a las células somáticas como a las germinales. A veces, se producen mutaciones en los genes de reparación del ADN, lo que de hecho compromete la capacidad de la célula para corregir otras mutaciones que puedan surgir. Si,como resultadode las mutaciones en los genes de reparación del ADN, muchas mutaciones se acumulan en una célula somática, pueden conducir a problemas como la división celular descontrolada que se observa en el cáncer. Los cánceres, incluidas las formas de cáncer de páncreas, cáncer de colon y cáncer colorrectal, hansido asociadocon mutaciones como estas en los genes de reparación del ADN. Si, por el contrario,se produce una mutación en la reparación del ADN en las células germinales (células sexuales), la mutaciónser pasadoa la próxima generación, comoEn el caso deenfermedades como la hemofilia y la xeroderma pigmentosa.Enel caso de la xerodermiapigmentoaslas personas con procesos de reparación del ADN comprometidos se vuelven muy sensibles a la radiación ultravioleta. En casos graves, estas personas pueden sufrir quemaduras solares graves con solo unos minutos de exposición al sol. Casi la mitad de todos los niños con esta afección desarrollan sus primeros cánceres de piel a los 10 años.

Consecuencias de los errores de replicación, transcripción y traducción

Algo clave para pensar:

Las células han desarrollado una variedad de formas de asegurarse de que los errores de ADN se detecten y se corrijan.ROMlectura de pruebas de las diversas ADN polimerasas dependientes de ADN, hasta sistemas de reparación más complejos. ¿Por qué evolucionaron tantos mecanismos para reparar errores en el ADN?Por el contrario, similarLos mecanismos de corrección de pruebas NO evolucionaron para errores en la transcripción o traducción. ¿Por qué podría ser esto? ¿Cuáles serían las consecuencias de un error en transcripción? ¿Tal error afectaría a la descendencia? ¿Sería letal para la celda? Qué pasa traducción? Haga las mismas preguntas sobre el proceso de traducción. Que pasaria siel aminoácido incorrecto se colocó accidentalmenteen el polipéptido en crecimiento durante la traducción de una proteína? Compare esto con la replicación del ADN.

Mutaciones como instrumentos de cambio

Las mutaciones son la forma en que las poblaciones pueden adaptarse a las cambiantes presiones ambientales.

Mutacionesson creados al azaren el genoma de cada organismo, y estoSucesivamentecrea diversidad genética y una plétora de alelos diferentes por gen y organismo en cada población del planeta. Si no ocurrieron mutaciones y los cromosomasfueron replicadosy transmitido con 100% de fidelidad, ¿cómo se adaptarían las células y los organismos? Si la evolución mantiene mutaciones en una población depende de si la mutación proporciona una ventaja selectiva, plantea algún costo selectivo oespor lo menos, no dañino.De hecho, mutacionesque parecen neutrales pueden persistir en la población durante muchas generaciones y solo ser significativas cuando una poblaciónes desafiadocon un nuevo reto medioambiental.En este punto,losaparentemente, mutaciones previamente neutrales pueden proporcionar una ventaja selectiva.

Ejemplo: resistencia a los antibióticos

La bacteria E. coli es sensible a un antibiótico llamado estreptomicina, que inhibe la síntesis de proteínas al unirse al ribosoma.La proteína ribosomalL12puede ser mutadode tal manera que la estreptomicina ya no se une al ribosoma e inhibe la síntesis de proteínas. Los mutantes de tipo salvaje y L12 crecen por igualbieny la mutación parece ser neutral en elausencia del antibiótico. En elpresencia del antibióticotipo salvajelas células mueren y los mutantes L12 sobreviven. Este ejemplo muestra cómo la diversidad genética es importante para que la población sobreviva. Si las mutaciones no ocurrieron al azar, cuando la poblaciónes desafiadopor un evento ambiental, como la exposición a la estreptomicina, toda la población moriría. Para la mayoría de las poblaciones, esto se convierte en un juego de números. Si la tasa de mutación es 10^-6 luego una población de 10⁷ las células tendrían 10 mutantes; una población de 10⁸ tendría 100 mutantes, etc.

Los errores no corregidos en la replicación del ADN conducen a una mutación. En este ejemplo,se pasó un error sin corregiren una célula hija bacteriana. Este error está en un gen que codifica parte del ribosoma. La mutación da como resultado una estructura 3D final diferente de la proteína ribosómica. Mientras que latipo salvajeel ribosoma puede unirse a la estreptomicina (un antibiótico que matará la célula bacteriana al inhibir la función del ribosoma); el ribosoma mutante no puede unirse a la estreptomicina.Estabacteriasesahora resistente a la estreptomicina.
Fuente: Imagen original del equipo Bis2A

Un ejemplo: lactato deshidrogenasa

Lactato deshidrogenasa (LDH), la enzima que cataliza la reducción del piruvato a ácido láctico en la fermentación, mientras que prácticamente todos los organismos tienen esta actividad, la enzima correspondiente y, por lo tanto, el gen difiere enormemente entre humanos y bacterias.Las proteínas son claramenterelacionado,realizan la misma función básica pero tienen una variedad de diferencias, desde las afinidades de unión al sustrato y las velocidades de reacción hasta los requisitos óptimos de sal y pH. Cada uno de estos atributos tieneha sido sintonizado evolutivamentepara cada organismo específico a través de múltiples rondas de mutación y selección.

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Posible discusión NB Punto

Podemos utilizar el análisis comparativo de secuencias de ADN para generar hipótesis sobre las relaciones evolutivas entre tres o más organismos. Una forma de lograr esto es comparar el ADN o las secuencias de proteínas de las proteínas que se encuentran en cada uno de los organismos que deseamos comparar. Imaginemos, por ejemplo, que comparamos las secuencias de lactato deshidrogenasa (LDH) de tres organismos diferentes. El siguiente esquema muestra las estructuras primarias de las proteínas LDH de los Organismos A, B y C. Las letras en el centro del diagrama lineal de las proteínas representan los aminoácidos en una posición única y las diferencias propuestas en cada secuencia (Atribución:Marc T. Facciotti [obra original]). Pregunta: ¿El organismo C está más estrechamente relacionado con el organismo A o B? La explicación más simple es que el organismo A es la forma más temprana, se produjo una mutación que dio lugar al organismo B. Con el tiempo, surgió una segunda mutación en el linaje B para dar lugar a la enzima que se encuentra en el organismo C. No puedo descartar otras posibilidades. ¿Puedes pensar en otras formas en que los diferentesformas de¿La enzima LDH surgió de estos tres organismos?

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Aplicación de la vida real:

Como hemos visto en el módulo "Mutaciones y mutantes", cambiar incluso un nucleótido puede tener efectos importantes en el producto traducido. Lea más sobre el trabajo de un estudiante sobre mutaciones puntuales y transgénicos aquí.

GLOSARIO

mutación inducida:

mutaciónque resulta de la exposición a productos químicos o agentes ambientales

mutación:

variación en la secuencia de nucleótidos de un genoma

reparación de desajustes:

tipo de mecanismo de reparación en el quese eliminan las bases que no coincidendespués de la replicación

reparación por escisión de nucleótidos:

tipo de mecanismo de reparación del ADN en el que la base incorrecta, junto con algunos nucleótidos corriente arriba o corriente abajo,son removidos

corrección de pruebas:

función del ADNpolen el que lee la base recién agregada antes de agregar la siguiente

mutación puntual:

mutaciónque afecta a una sola base

mutación silenciosa:

mutacióneseno se expresa

mutación espontánea:

mutaciónque tiene lugar en las celdascomo resultadode reacciones químicas que tienen lugar de forma natural sin exposición a ningún agente externo

sustitución de transición:

cuando una purinaes remplazadocon una purina o una pirimidinaes remplazadocon otra pirimidina

sustitución de transversión:

cuando una purinaes remplazadopor una pirimidina o una pirimidinaes remplazadopor una purina

2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25 - Biología

Introducción Una serie de leyes, llamadas leyes de la termodinámica, describen cómo se transfiere y dispersa la energía en una reacción. Consideramos dos de estos. La primera ley establece que la cantidad total de energía en el universo es constante. Esto significa que la energía no se puede crear ni destruir en una reacción o proceso, solo se puede transferir. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía del universo siempre está aumentando. Describimos la relevancia general de estas dos leyes y su aplicación en biología.

Leyes de la termodinámica

La termodinámica se ocupa de describir los cambios en los sistemas antes y después de un cambio. Esto generalmente implica una discusión sobre las transferencias de energía y su dispersión dentro del sistema. En casi todos los casos prácticos, estos análisis requieren que el sistema y su entorno estén completamente descritos. Por ejemplo, cuando se habla del calentamiento de una olla de agua en la estufa, el sistema puede incluir la estufa, la olla y el agua, y el medio ambiente o los alrededores pueden incluir todo lo demás. Los organismos biológicos son los que se denominan sistemas abiertos y la energía se transfiere entre ellos y su entorno.

Primera ley de la termodinámica La primera ley de la termodinámica se ocupa de la cantidad total de energía en el universo. Afirma que esta cantidad total de energía es constante. En otras palabras, siempre ha habido, y siempre habrá, exactamente la misma cantidad de energía en el universo. Según la primera ley de la termodinámica, la energía se puede transferir de un lugar a otro (módulo 4.0), pero no se puede crear ni destruir. Las transferencias de energía ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo. Las bombillas transfieren la energía de una central eléctrica en calor y fotones para producir luz. Las estufas de gas transfieren la energía almacenada en los enlaces de los compuestos químicos en calor y luz. El calor, por cierto, es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro debido a una diferencia de temperatura. Las plantas realizan una de las transferencias de energía biológicamente más útiles en la tierra: transfieren energía de los fotones de la luz solar a los enlaces químicos de las moléculas orgánicas. En cada uno de estos casos, la energía no se produce ni se destruye y debemos tratar de explicar toda la energía cuando examinamos algunas de estas reacciones.

Primera ley y la historia de la energía La primera ley de la termodinámica es engañosamente simple. Los estudiantes a menudo comprenden que la energía no se puede crear ni destruir. Sin embargo, al describir la historia energética de un proceso, a menudo cometen el error de decir cosas como "la energía se produce a partir de la transferencia de electrones del átomo A al átomo B". Si bien la mayoría de nosotros entenderemos el punto que el estudiante está tratando de hacer, se están usando las palabras equivocadas. La energía no se fabrica ni se produce, simplemente se transfiere. Para ser consistente con la primera ley, al contar una historia de energía, asegúrese de intentar rastrear explícitamente todos los lugares donde TODA la energía en el sistema al comienzo de un proceso pasa al final de un proceso.

Segunda ley de la termodinámica Un concepto importante en los sistemas físicos es el de entropía. La entropía está relacionada con las formas en que la energía se puede distribuir o dispersar dentro de las partículas de un sistema. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía siempre está aumentando en un sistema Y sus alrededores (todo lo que está fuera del sistema). Esta idea ayuda a explicar la direccionalidad de los fenómenos naturales. En general, la noción es que la direccionalidad proviene de la tendencia de la energía en un sistema a moverse hacia un estado de máxima dispersión. La segunda ley, por lo tanto, significa que en cualquier transformación debemos buscar un aumento general de entropía (o dispersión de energía), en algún lugar. Una idea que se asocia con una mayor dispersión de energía en un sistema o sus alrededores es que a medida que aumenta la dispersión, disminuye la capacidad de la energía para dirigirse hacia el trabajo.

Habrá muchos ejemplos de dónde disminuye la entropía de un sistema. Sin embargo, para ser coherentes con la segunda ley, debemos intentar encontrar algo más (probablemente un sistema estrechamente conectado en los alrededores) que deba compensar la disminución "local" de la entropía con un aumento de entropía igual o mayor.

La entropía de un sistema puede aumentar cuando: (a) gana energía (b) ocurre un cambio de estado de sólido a líquido a gas (c) ocurre una mezcla de sustancias (d) el número de partículas aumenta durante una reacción.

Un aumento del trastorno puede ocurrir de diferentes maneras. Un cubo de hielo que se derrite en una acera caliente es un ejemplo. Aquí, el hielo se muestra como un copo de nieve, con moléculas de agua organizadas y estructuradas que forman el copo de nieve. Con el tiempo, el copo de nieve se derretirá en un charco de moléculas de agua desorganizadas que se mueven libremente.
Fuente: https://www.boundless.com/physics/textbooks/boundless-physics-textbook/thermodynamics-14/entropy-119/order-to-disorder-417-6459/

Si consideramos la primera y la segunda leyes juntas (la conservación de la energía y la necesidad de que aumente la entropía si ocurre un proceso) llegamos a una conclusión útil. En cualquier proceso en el que la energía se transfiera o redistribuya dentro de un sistema, la entropía debe aumentar. Este aumento en la entropía está relacionado con lo "útil" que es la energía para realizar el trabajo (generalmente se vuelve menos disponible a medida que aumenta la entropía). Por lo tanto, podemos concluir que en cualquier transformación consideramos que si bien toda la energía debe conservarse, el aumento de cambio requerido en la entropía significa que parte de la energía se distribuirá de una manera que la hará menos útil para el trabajo. En muchos casos, particularmente en biología, parte del aumento de la entropía puede atribuirse a una transferencia de energía al calor en el medio ambiente.

Energía gratis

Si queremos describir transformaciones, por lo tanto, es útil tener una medida de (a) cuánta energía hay en un sistema y (b) la dispersión de esa energía dentro del sistema y, por supuesto, cómo cambian entre el inicio y el final. de un proceso. El concepto de energía libre, a menudo referido como energía libre de Gibbs o entalpía libre (abreviado con la letra G), en cierto sentido hace precisamente eso. La energía libre de Gibbs se puede definir de varias formas interconvertibles, pero una útil en el contexto de la biología es la entalpía (energía interna) de un sistema menos la entropía del sistema escalada por la temperatura. La diferencia de energía libre cuando tiene lugar un proceso a menudo se informa en términos del cambio (delta) de entalpía (energía interna) denotado H, menos el cambio escalado de temperatura (delta) en la entropía, denotado S. Consulte la siguiente ecuación.

La energía de Gibbs a menudo se interpreta como la cantidad de energía disponible para realizar un trabajo útil. Con un poco de movimiento de la mano, podemos interpretar esto invocando la idea presentada anteriormente de que la dispersión de energía (requerida por la Segunda Ley) asociada con un cambio positivo en la entropía de alguna manera hace que parte de la energía que se transfiera sea menos útil para realizar el trabajo. Se puede decir que esto se refleja en parte en el término T & # 8710S de la ecuación de Gibbs.

Para proporcionar una base para comparaciones justas de los cambios en la energía libre de Gibbs entre diferentes transformaciones o reacciones biológicas, el cambio de energía libre de una reacción se mide en un conjunto de condiciones experimentales estándar comunes. El cambio de energía libre estándar resultante de una reacción química se expresa como una cantidad de energía por mol del producto de reacción (ya sea en kilojulios o kilocalorías, kJ / mol o kcal / mol 1 kJ = 0.239 kcal) cuando se mide a un pH estándar, condiciones de temperatura y presión. Las condiciones estándar de pH, temperatura y presión se calculan generalmente a pH 7,0, 25 grados Celsius y 100 kilopascales (1 atm de presión), respectivamente. Es importante tener en cuenta que las condiciones celulares varían considerablemente de estas condiciones estándar, por lo que el & # 8710G real dentro de una celda diferirá considerablemente de los calculados en condiciones estándar.

Reacciones endergónicas y exergónicas

Las reacciones que tienen un & # 8710G & lt 0 significa que los productos de la reacción tienen menos energía libre que los reactivos. Dado que & # 8710G es la diferencia entre los cambios de entalpía y entropía en una reacción, un & # 8710G negativo neto puede surgir de diferentes maneras. El panel izquierdo de la Figura 2 a continuación muestra una representación gráfica común de una reacción exergónica. La energía libre se traza en el eje y y el eje x en unidades arbitrarias muestra el modelo del progreso de una reacción. Este tipo de gráfico se llama diagrama de coordenadas de reacción. En el caso de una reacción exergónica que se muestra a continuación, el cuadro indica dos cosas clave: (1) la diferencia entre la energía libre de los reactivos y los productos es negativa y (2) el progreso de la reacción requiere cierta entrada de energía libre (que se muestra como una colina de energía). Este gráfico no nos dice cómo se redistribuyó la energía en el sistema, solo que la diferencia entre entalpía y entropía es negativa. Las reacciones que tienen un & # 8710G negativo y, en consecuencia, se denominan reacciones exergónicas. Estas reacciones se producen de forma espontánea. Comprender qué reacciones químicas son espontáneas es extremadamente útil para los biólogos que están tratando de comprender si es probable que una reacción "desaparezca" o no.

Es importante tener en cuenta que el término espontáneo, en el contexto de la termodinámica, NO implica nada sobre la rapidez con la que avanza la reacción. El cambio en la energía libre solo describe la diferencia entre los estados inicial y final, NO qué tan rápido toma esa transición. Esto es algo contrario al uso cotidiano del término, que generalmente conlleva la comprensión implícita de que algo sucede rápidamente. Por ejemplo, la oxidación / oxidación del hierro es una reacción espontánea. Sin embargo, un clavo de hierro expuesto al aire no se oxida instantáneamente; puede llevar años.

Una reacción química con un & # 8710G positivo significa que los productos de la reacción tienen una energía libre más alta que los reactivos (ver el panel derecho de la Figura 2). Estas reacciones químicas se denominan reacciones endergónicas y NO son espontáneas. Una reacción endergónica no se producirá por sí sola sin la transferencia de energía a la reacción o el aumento de entropía en otro lugar.

Las reacciones exergónicas y endergónicas dan como resultado cambios en la energía libre de Gibbs. En la reacción exergónica la energía libre de los productos es menor que la de los reactivos mientras que en la endergónica la energía libre de los productos es mayor que la de los reactivos.

La construcción de moléculas complejas, como los azúcares, a partir de moléculas más simples es un proceso anabólico y endergónico. Por otro lado, el proceso catabólico, como la descomposición del azúcar en moléculas más simples, es generalmente exergónico. Como en el ejemplo anterior de óxido, mientras que la degradación de biomoléculas es generalmente espontánea, estas reacciones no necesariamente ocurren instantáneamente (rápidamente). La Figura 3 muestra algunos otros ejemplos de reacciones endergónicas y exergónicas. Pero recuerde, los términos endergónico y exergónico solo se refieren a la diferencia de energía libre entre los productos y los reactivos; no le informan sobre la velocidad de reacción (qué tan rápido sucede). El tema de la tasa se discutirá en secciones posteriores.

Se muestran algunos ejemplos de procesos endergónicos (aquellos con cambios positivos en la energía libre entre productos y reactivos) y procesos exergónicos (aquellos con cambios negativos en la energía libre entre productos y reactivos). Estos incluyen (a) una pila de abono en descomposición, (b) un polluelo que nace de un huevo fertilizado, (c) arte de arena que se destruye y (d) una bola rodando colina abajo. (crédito a: modificación del trabajo por Natalie Maynor crédito b: modificación del trabajo por USDA crédito c: modificación del trabajo por & # 8220Athlex & # 8221 / Flickr crédito d: modificación del trabajo por Harry Malsch)

Un concepto importante en el estudio del metabolismo y la energía es el de equilibrio químico. La mayoría de las reacciones químicas son reversibles. Pueden avanzar en ambas direcciones, a menudo transfiriendo energía a su entorno en una dirección y transfiriendo energía del entorno en la otra dirección. Lo mismo es cierto para las reacciones químicas involucradas en el metabolismo celular, como la descomposición y acumulación de proteínas hacia y desde aminoácidos individuales, respectivamente. Los reactivos dentro de un sistema cerrado sufrirán reacciones químicas en ambas direcciones hasta que se alcance un estado de equilibrio. Este estado de equilibrio es uno de los más bajos posibles de energía libre y un estado de máxima entropía. El equilibrio en una reacción química es el estado en el que tanto los reactivos como los productos están presentes en concentraciones que no tienen más tendencia a cambiar con el tiempo. Por lo general, este estado se produce cuando la reacción directa avanza a la misma velocidad que la reacción inversa. ¡TENGA EN CUENTA ESTA ÚLTIMA DECLARACIÓN! Equilibrio significa que las concentraciones relativas de reactivos y productos no cambian con el tiempo, PERO NO significa que no hay interconversión entre sustratos y productos; solo significa que cuando el reactivo se convierte en producto, ese producto se convierte en reactivo a la misma velocidad. .

Se requiere un reequilibrio de las concentraciones de sustrato de producto (mediante la adición o eliminación de sustrato o producto) o un cambio positivo en la energía libre, típicamente por la transferencia de energía desde fuera de la reacción, para sacar una reacción de un estado de equilibrio. En una célula viva, la mayoría de las reacciones químicas no alcanzan un estado de equilibrio; esto requeriría que alcancen su estado de energía libre más bajo. Por lo tanto, se requiere energía para mantener las reacciones biológicas fuera de su estado de equilibrio. De esta manera, los organismos vivos se encuentran en una batalla cuesta arriba y constante que requiere energía contra el equilibrio y la entropía.

En equilibrio, no piense en un sistema estático inmutable. En cambio, imagina moléculas moviéndose, en cantidades iguales, de un área a otra. Aquí, en equilibrio, las moléculas todavía se mueven de izquierda a derecha y de derecha a izquierda. Sin embargo, el movimiento neto es igual. Todavía habrá alrededor de 15 moléculas en cada lado de este matraz una vez que se alcance el equilibrio.
Fuente: https://courses.candelalearning.com/chemistryformajorsx1xmaster/chapter/entropy/