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Facultad de Ciencias Exactas. La secta
Bioenergética
La transformación de la energía lumínica en los fotótrofos y el aprovechamiento de la energía química en los quimiotrofos, exigen la formación de compuestos intermediarios de alto contenido energético que sirven como reservorio y transportador de la energía a utilizar en la realización de trabajos en las células, el principal compuesto intermediario rico en energía es el ATP. Los organismos vivos tienen la capacidad de aprovechar energía y canalizarla en trabajo biológico. Utilizan la energía química de los combustibles para conseguir la síntesis de macromoléculas complejas, también la convierten en gradientes de concentración y gradientes eléctricos, en movimiento, calor. La bioenergética es el estudio cuantitativo de las transformaciones de una forma de energía en otra. Energía libre Las células son sistemas isotérmicos. El flujo de calor no es una fuente de energía para las células porque el calor puede realizar trabajo solamente cuando pasa a una zona u objeto de menor temperatura. La energía que las células pueden y deben utilizar es la energía libre de Gibbs , que permite la predicción de la dirección de las reacciones químicas, su posición exacta de equilibrio y la cantidad de trabajo que pueden llevar a cabo, teóricamente, a temperatura y presión constante. La variación de energía libre está directamente asociada con la constante de equilibrio. La composición de un sistema de reacción tiende a continuar cambiando hasta que se llega al equilibrio. A la concentración de equilibrio de reactivos y productos las velocidades de las reacciones directa e inversa son exactamente iguales. Las concentraciones en el equilibrio, definen lo que denominamos Keq:
Keq =
[ C ]
c
[ D ]
d
[ A ]
a
[ B ]
b Cuando un sistema de reacción no está en equilibrio, la tendencia a desplazarse hacia el equilibrio representa una fuerza motriz, cuya magnitud se puede expresar como el cambio de energía libre para la
reacción, Δ G. En condiciones estándar:
G ' ° =− RTln ¿
Por lo que podemos considerar que la energía libre de Gibbs estándar es una forma de expresar la constante de equilibrio de una reacción. Es importante distinguir entre: la variación de energía libre real ΔG, y el estándar ΔG'°, ya que el criterio para la espontaneidad de una reacción es el valor de ΔG, no ΔG'°.
Δ G = ΔG ' ° + RTln
[ C ]
c
[ D ]
d
[ A ]
a
[ B ]
b )
METABOLISMO
Todos los organismos están formados por células, las cuales son aisladas o comunicadas con el ambiente a través de una membrana. Contienen enzimas que aceleran los procesos biológicos. Los organismos pueden clasificarse según de dónde obtienen energía y de dónde carbono. C, H, O, N son los principales elementos que componen la célula y es fundamental que los organismos puedan adquirir estos elementos de alguna forma. Ciclo del carbono y el oxígeno Los organismos fotosintéticos autótrofos reciben energía de la luz solar y utilizan dióxido de carbono como fuente de carbono, y producen compuestos reducidos y oxígeno, que utilizan los heterótrofos para oxidarlos y producir dióxido de carbono y metabolitos que van a utilizar los organismos fotosintéticos. Los animales producen dióxido, y las plantas producen oxígeno y compuestos reducidos, que son utilizados por los animales para obtener energía. Ciclo del nitrógeno Hay mucho nitrógeno en la atmósfera, pero el nitrógeno atmosférico es elemental y no está disponible para que lo utilicen las células.
Facultad de Ciencias Exactas. La secta Algunos tipos de células, las bacterias fijadoras de nitrógeno, atrapan el nitrógeno atmosférico en el suelo en forma de amonio/amoníaco, el cual es utilizado o metabolizado por las bacterias nitrificantes, que producen nitritos y nitratos (nutrientes inorgánicos), los cuales son reducidos por las plantas a aminoácidos. Los nitritos y nitratos se transforman en nitrógeno atmosférico o en amoníaco por la acción de bacterias desnitrificantes. Cuando los animales consumen plantas entonces consumen aminoácidos, obteniendo el nitrógeno que necesitan, y luego excretan el nitrógeno excedente como amonio/amoníaco. Mapa metabolico El metabolismo es básicamente cómo utiliza la célula los elementos básicos, cómo los combina para formar moléculas más complejas, y cómo a partir de esas moléculas complejas vuelve a los elementos básicos, y repite el ciclo. Las reacciones del metabolismo están situalizadas, es decir ocurren en el citosol, en la mitocondria, o en otras organelas. El metabolismo es la suma de dos procesos: catabólico y anabólico. Catabólico : se utilizan moléculas complejas (nutrientes, comida que se ingiere, o energía solar) para producir energía (ATP) y moléculas simples, como dióxido de carbono, amoniaco, agua, u otros productos oxidados. Es un proceso
exergónico y espontáneo ( Δ G < 0 ).
Anabólico : se utilizan los productos del proceso catabólico (ATP) para trabajos osmóticos, mecánicos (movilidad), para formar moléculas complejas, y otros destinos como producir calor. Es un proceso endergónico y no espontáneo
( Δ G > 0 ), para que ocurra hay que invertir energía proveniente del proceso
catabólico. Estas dos ramas están perfectamente acopladas, es decir que para que ocurra una debe ocurrir la otra. No puede gastarse energía sin haberse generado previamente. Todo el trabajo que ocurre en la célula, todo lo que se mueve, todo lo que crece, lo que construye, es a partir del transporte de electrones. Regulación metabólica: mantener algún parámetro celular (ej. concentración de un metabolito, como ATP y NADH) en un estado estacionario a lo largo del tiempo, aun cuando cambie el flujo de metabolitos a través de cambios en la ruta, esto se lleva a cabo variando la actividad enzimática. Esto es la homeostasis a nivel molecular. Control metabólico: un proceso que conduce a una variación en el rendimiento de una vía metabólica durante el tiempo, en respuesta a alguna señal exterior o cambio en las circunstancias. Reacciones óxido reducción La mayoría de las reacciones que veremos en el metabolismo son de óxido reducción, es decir que involucran el transporte de electrones. Las reacciones que producen energía son reacciones de oxidación. En compuestos más oxidados (mayor cantidad de oxígeno o menor cantidad de hidrógeno), hay menor energía de oxidación, ej. dióxido de carbono. En compuestos más reducidos (menor cantidad de oxígeno o mayor cantidad de hidrógeno), hay mayor energía de oxidación, ej. metano. No necesariamente tiene que estar presente el oxígeno para oxidar una molécula. Si un carbono está unido a átomo menos electronegativo es 1+. Si está unido a otro carbono es 0. Si está unido a un átomo más electronegativo 1-. Así se determina la cantidad de electrones que tiene disponible cada carbono. A medida que pierde hidrógenos, pierde electrones, es decir, se oxida. FAD y NAD Hay muchas enzimas que se encargan de catalizar las reacciones redox, pero generalmente todas constan de dos coenzimas, FAD (flavín adenín dinucleótido) y NAD+ (nicotinamín adenín dinucleótido), encargadas de transportar los electrones dentro de las células. Las dos participan en reacciones redox pero en distintas etapas. El NAD+ tiene un anillo nicotinamida (vitamina B3) que acepta iones hidronios, es decir, dos electrones y un protón, los electrones reducen el anillo, el protón se puede ubicar en dos lados diferentes dependiendo del enzima (A o B), y siempre se libera un protón. Cuando la molécula pasa de su estado oxidado (NAD+) a reducido (NADH), se produce un cambio en el patrón de absorción, que permite que las reacciones enzimáticas se puedan seguir, medir y calcular los parámetros cinéticos.
Facultad de Ciencias Exactas. La secta Los niveles de ATP y AMP son un reflejo sensible del estatus energético de una célula, de modo que cuando disminuye la razón [ATP]/[AMP], la proteína quinasa activada por AMP (AMPK) desencadena diversas respuestas celulares para aumentar [ATP] y disminuir [AMP], como por ejemplo aumentar el transporte de glucosa y activar la glucólisis y la oxidación de ácidos grasos, al tiempo que suprime los procesos que requieren energía tales como la síntesis de ácidos grasos, colesterol y proteínas. La [AMP] es un indicador mucho más sensible del estado energético de la célula que la [ATP]. ATP > ADP > AMP Si la [ATP] disminuye, el aumento relativo en la [AMP] es mucho mayor que el de la [ADP], por lo que AMP es un mejor indicador de la falta de energía y un regulador muy sensible.
