Energía y la Célula

Importancia de la energía

• Todos los seres vivos necesitan energía porque los procesos biológicos implican la realización de trabajo. Las células que forman los seres vivientes usan la energía para los procesos de crecimiento, mantenimiento y reproducción. El sol es la fuente primordial de casi toda la energía que sostiene la vida.

Importancia de la energía cont.

• Los organismos fotosintéticos capturan una diminuta porción de la energía solar en le proceso de fotosíntesis y la convierten en energía química disponible para su utilización por ellos y otros organismos. La energía se transfiere a organismos animales cuando éstos se alimentan de los organismos fotosintéticos y sus partes, haciendo de esta forma que la energía fluya de un ser vivo a otro.

Bioenergética

• La bioenergética es el área de la biología que estudia los procesos energéticos en los seres vivos. Las células obtienen energía de muchas maneras, pero rara vez esa energía puede emplearse directamente para activar procesos celulares. Por eso las células tienen mecanismos metabólicos que convierten la energía de una forma a otra.

Bioenergética cont.

• Como la mayor parte de los componentes de estos sistemas de conversión de energía surgieron muy temprano en la evolución de los seres vivos, muchos aspectos fundamentales del metabolismo energético tienden a ser muy similares en una amplia variedad de organismos. La energía en la célula puede ser convertida en forma mecánica, química y eléctrica.

Conceptos sobre energía

• Energía cinética: es la energía relacionada al movimiento.

• Energía potencial: energía almacenada y disponible para hacer trabajo.

• Primera ley de termodinámica: la energía no se crea ni se destruye aunque puede cambiarse de una forma a otra.

• Segunda ley de termodinámica: ninguna transferencia de energía es 100% eficiente, siempre hay una pérdida de energía en forma de calor al medio ambiente.

Conceptos sobre energía cont.

• Entropía: es una medida que indica el grado de desorden en un sistema; la energía organizada y utilizable tiene baja entropía, mientras que las formas desorganizadas como el calor, tienen entropía alta.

• Entalpía: se refiere a la cantidad total de energía en los enlaces de la materia, a menudo se denomina como el contenido de calor del sistema.

Metabolismo

• Es el conjunto de reacciones químicas que permiten a un organismo llevar a cabo sus actividades. Anabolismo se refiere a las diversas vías metabólicas en las cuales se sintetizan moléculas complejas a partir de otras más sencillas con una inversión o gasto de energía. Catabolismo se refiere a degradar moléculas grandes en otras más pequeñas liberando energía.

Metabolismo cont.

• Los procesos celulares de anabolismo y catabolismo ocurren de manera acoplada; de forma tal que la energía que se libera en el catabolismo, es usada en reacciones anabólicas.

Oxidación y Reducción (redox)

• Las células transfieren energía mediante la transferencia de un grupo fosfato del ATP. Otra forma de transferir energía es transfiriendo electrones. La oxidación es el proceso químico por el cual una sustancia pierde electrones, mientras la reducción es el proceso complementario en el que otra sustancia gana electrones. La sustancia que pierde electrones dona energía, la que los gana adquiere energía.

Oxidación y Reducción (redox) cont.

• Las reacciones redox a menudo ocurren en serie cuando se transfieren electrones de una molécula a otra. Estas transferencias electrónicas, equivalentes a las de energía, son parte esencial de la respiración celular, la fotosíntesis y otras reacciones químicas. Permiten liberar la energía almacenada en las moléculas de alimento para sintetizar ATP.

Oxidación y Reducción (redox) cont.

• Las reacciones redox biológicas suelen implicar la transferencia de un átomo de hidrógeno en lugar de un solo electrón. Cuando un electrón (o átomo de hidrógeno) se extrae de un compuesto orgánico, lleva consigo parte de la energía almacenada en el enlace del que era parte. Un electrón pierde energía de manera progresiva cuando se transfiere de un aceptor a otro.

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• Una de las moléculas aceptoras de hidrógeno más comunes es el dinucleótido de nicotinamida-adenina (NAD+) cuya fórmula reducida es (NADH).

• Otros aceptores de hidrógeno o de electrones son el fosfato de dinucleótido de nicotina-adenina (NADP+) y el dinucleótido de flavina-adenina (FAD) y los citocromos.

Actividad Enzimática

• Las células regulan las reacciones químicas con enzímas, que son catalizadores proteínicos (y en algunos casos RNA) que modifican (aceleran) la velocidad de las reacciones químicas sin consumirse en éstas. Las enzímas reducen la energía necesaria para que una reacción química se inicie.

Actividad Enzimática cont.

• Una reacción no acelerada por enzímas depende de que los choques entre los reactivos ocurran al azar. Debido a su estructura ordenada, una enzima es capaz de reducir la dependencia de procesos aleatorios y por lo tanto controlar la reacción. Se cree que las enzímas logran esto al formar un complejo intermedio inestable con el sustrato (sustancia sobre la que operan).

Actividad Enzimática cont.

• Cuando el complejo enzima-sustrato (o complejo ES) se descompone, se libera el producto; la molécula de enzima original se regenera y está lista para formar un nuevo complejo ES.

• Enzima + Sustrato→Complejo ES• Complejo ES→Enzima + Producto (s)• La mayor parte de las enzímas son

específicas.

Cofactores

• Algunas enzímas no pueden realizar el trabajo por si solas y requieren que otra sustancia se una a la molécula de proteína para que esta funcione como enzima. En estos casos la parte proteica se denomina apoenzima y el otro componente se conoce como cofactor. El cofactor puede ser una molécula orgánica o inorgánica.

Cofactores cont.

• Algunas enzímas requieren como cofactor un ión metálico específico. Dos cofactores inorgánicos comunes son los iones magnesio (Mg++ ) y calcio (Ca++ ). La mayor parte de los oligoelementos (Fe, Zn, Cu, Mn) funcionan como cofactores.

Coenzimas

• Un compuesto orgánico no polipeptídico que se une a la apoenzima y sirve como cofactor se denomina coenzima. Casi todas las coenzímas son moléculas de transferencia (agentes que transfieren electrones o parte de algún sustrato de una molécula a otra).

Coenzimas cont.

• NADH, NADPH y FADH2 son coenzímas de transferencia de electrones. La mayor parte de las vitaminas (compuestos orgánicos que los organismos requieren en pequeñas cantidades pero no pueden sintetizar por sí mismos) son coenzímas o componentes de coenzímas.

Energía de activación

• Al igual que todos los catalizadores, las enzímas modifican la velocidad de una reacción al disminuir la energía necesaria para iniciarla. Si las moléculas necesitan menos energía para reaccionar, una proporción mayor de reactivos reaccionará en cualquier momento dado. En consecuencia, la reacción procede con mayor rapidez.

Factores que Determinan la actividad enzimática

• Temperatura: La mayoría de la enzímas tiene una temperatura óptima, a la cuál la velocidad de reacción es mayor. En el caso de las enzímas humanas, su temperatura óptima es cercana a la temperatura corporal de (35-40ºC). Dentro de ciertos límites, las enzímas aumentan su efectividad con la temperatura. A temperaturas muy altas, las enzímas se desnaturalizan.

Factores que Determinan la actividad enzimática cont.

• pH: La mayor parte de las enzímas son activas solamente en una reducida porción de la escala de pH. El pH óptimo para la mayoría de las enzímas va de 6 a 8. La pepsina, enzima de la digestión de las proteínas, funciona mejor a un pH de 2, mientras que la tripsina, enzima desdobladora de proteínas, secretada por el páncreas, funciona mejor a pH de 8.

Factores que Determinan la actividad enzimática cont.

• Concentración de iones: La concentación de iones afecta de forma similar al pH, cada enzima tiene una concentración de iones óptima para su funcionamiento.

Factores que Determinan la actividad enzimática cont.

• Concentración de enzima y sustrato: Si el pH y la temperatura se mantienen constantes, la concentración de enzima o sustrato pueden influir en la velocidad de reacción. Cuando hay exceso de sustrato, la concentración de enzima es el factor limitante de la velocidad y así sucesivamente. La velocidad inicial de la reación es directamente proporcional a la concentración de enzima presente.