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6.2: Energía y metabolismo - Biología

6.2: Energía y metabolismo - Biología


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

Los científicos utilizan 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.

Objetivos de aprendizaje

  • Identificar diferentes tipos de vías metabólicas.
  • Distinguir entre un sistema abierto y uno cerrado
  • Enuncie la primera ley de la termodinámica.
  • Enuncie la segunda ley de la termodinámica.
  • Explica la diferencia entre energía cinética y potencial.
  • Describir reacciones endergónicas y exergónicas.
  • Discutir cómo funcionan las enzimas como catalizadores moleculares.

Vías metabólicas

Considere el metabolismo del azúcar. Este es un ejemplo clásico de uno de los muchos procesos celulares que usan y producen energía. Los seres vivos consumen azúcares como principal fuente de energía, porque las moléculas de azúcar tienen una gran cantidad de energía almacenada dentro de sus enlaces. En su mayor parte, los organismos fotosintetizadores como las plantas producen estos azúcares. Durante la fotosíntesis, las plantas usan energía (originalmente de la luz solar) para convertir gas dióxido de carbono (CO2) en moléculas de azúcar (como glucosa: C6H12O6). Consumen dióxido de carbono y producen oxígeno como producto de desecho. Esta reacción se resume como:

Debido a que este proceso implica sintetizar una molécula que almacena energía, requiere un aporte de energía para continuar. Durante las reacciones de luz de la fotosíntesis, la energía es proporcionada por una molécula llamada trifosfato de adenosina (ATP), que es la moneda de energía primaria de todas las células. Así como el dólar se usa como moneda para comprar bienes, las células usan moléculas de ATP como moneda de energía para realizar un trabajo inmediato. Por el contrario, las moléculas de almacenamiento de energía, como la glucosa, se consumen solo para descomponerse y utilizar su energía. La reacción que recolecta la energía de una molécula de azúcar en las células que requieren oxígeno para sobrevivir se puede resumir en la reacción inversa a la fotosíntesis. En esta reacción, se consume oxígeno y se libera dióxido de carbono como producto de desecho. La reacción se resume como:

Ambas reacciones implican muchos pasos.

Los procesos de producción y descomposición de moléculas de azúcar ilustran dos ejemplos de vías metabólicas. Una vía metabólica es una serie de reacciones químicas que toma una molécula inicial y la modifica, paso a paso, a través de una serie de intermediarios metabólicos, para finalmente producir un producto final. En el ejemplo 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. Estos dos procesos opuestos, el primero que requiere energía y el segundo que produce energía, se denominan vías anabólicas (construcción de polímeros) y vías catabólicas (descomposición de polímeros en sus monómeros), respectivamente. En consecuencia, el metabolismo se compone de síntesis (anabolismo) y degradación (catabolismo) (Figura 2).

Es importante saber que las reacciones químicas de las vías metabólicas no ocurren por sí solas. Cada paso de la reacción es facilitado o catalizado por una proteína llamada enzima. Las enzimas son importantes para catalizar todo tipo de reacciones biológicas, tanto las que requieren energía como las que la liberan.

Termodinámica

La termodinámica se refiere al estudio de la energía y la transferencia de energía que involucra materia física. La materia relevante para un caso particular de transferencia de energía se llama sistema, y ​​todo lo que está fuera de esa materia se llama entorno. Por ejemplo, al calentar una olla de agua en la estufa, el sistema incluye la estufa, la olla y el agua. La energía se transfiere dentro del sistema (entre la estufa, la olla y el agua). Hay dos tipos de sistemas: abiertos y cerrados. En un sistema abierto, tanto la energía como la materia pueden intercambiarse con su entorno. El sistema de la estufa está abierto porque las moléculas de agua y calor (ahora en forma de gas) se pueden perder en el aire. Si tapa la olla con agua, se convierte en un sistema cerrado. En este sistema cerrado, la materia no se puede intercambiar, pero la energía sí.

Los organismos biológicos son sistemas abiertos. La energía se intercambia entre ellos y su entorno a medida que utilizan la energía del sol para realizar la fotosíntesis o consumen moléculas que almacenan energía y liberan energía al medio ambiente haciendo trabajo y liberando calor. Como todas las cosas en el mundo físico, la energía está sujeta a leyes físicas. Las leyes de la termodinámica gobiernan la transferencia de energía en y entre todos los sistemas del universo.

En general, la energía se define como la capacidad de realizar un trabajo o de crear algún tipo de cambio. La energía existe en diferentes formas. Por ejemplo, la energía eléctrica, la energía luminosa y la energía térmica son todos tipos diferentes de energía. Para apreciar la forma en que la energía entra y sale de los sistemas biológicos, es importante comprender dos de las leyes físicas que gobiernan la energía.

La primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que la cantidad total de energía en el universo es constante y se conserva. En otras palabras, siempre ha habido, y siempre habrá, exactamente la misma cantidad de energía en el universo. La energía existe en muchas formas diferentes. Según la primera ley de la termodinámica, la energía puede transferirse de un lugar a otro o transformarse en diferentes formas, pero no puede crearse ni destruirse. Las transferencias y transformaciones de energía ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo. Las bombillas transforman la energía eléctrica en luz y energía térmica. Las estufas de gas transforman la energía química del gas natural en energía térmica. Las plantas realizan una de las transformaciones de energía biológicamente más útiles de la tierra: la de convertir la energía de la luz solar en energía química almacenada en moléculas orgánicas (Figura 3). En la (Figura 3) se muestran algunos ejemplos de transformaciones de energía.

El desafío para todos los organismos vivos es obtener energía de su entorno en formas que puedan transferir o transformar en energía utilizable para realizar su trabajo. Las células vivas han evolucionado para hacer frente a este desafío muy bien. La energía química almacenada dentro de moléculas orgánicas como azúcares y grasas se transforma a través de una serie de reacciones químicas celulares en energía dentro de moléculas de ATP. La energía en las moléculas de ATP es fácilmente accesible para realizar el trabajo. Los ejemplos de los tipos de trabajo que las células deben realizar incluyen la construcción de moléculas complejas, el transporte de materiales, la activación del movimiento de los cilios o los flagelos, la contracción de las fibras musculares para crear movimiento y la reproducción.

La segunda ley de la termodinámica

El desafío para todos los organismos vivos es obtener energía de su entorno en formas que puedan transferir o transformar en energía utilizable para realizar su trabajo. Las células vivas han evolucionado para hacer frente a este desafío. La energía química almacenada dentro de moléculas orgánicas como azúcares y grasas se transfiere y transforma a través de una serie de reacciones químicas celulares en energía dentro de moléculas de ATP. Los ejemplos de los tipos de trabajo que las células deben realizar incluyen construir moléculas complejas, transportar materiales, impulsar el movimiento de los cilios o flagelos y contraer las fibras musculares para crear movimiento.

Las tareas principales de una célula viva de obtener, transformar y utilizar energía para realizar un trabajo pueden parecer sencillas. Sin embargo, la segunda ley de la termodinámica explica por qué estas tareas son más difíciles de lo que parecen. Todas las transferencias y transformaciones de energía nunca son completamente eficientes. En cada transferencia de energía, se pierde cierta cantidad de energía en una forma inutilizable. En la mayoría de los casos, esta forma es energía térmica. Termodinámicamente, la energía térmica se define como la energía transferida de un sistema a otro que no funciona. Por ejemplo, cuando se enciende una bombilla, parte de la energía que se convierte de energía eléctrica en energía luminosa se pierde en forma de energía térmica. Asimismo, se pierde algo de energía como energía térmica durante las reacciones metabólicas celulares.

Inténtalo tú mismo

Configure un experimento simple para comprender cómo se transfiere la energía y cómo se produce un cambio en la entropía.

  1. Toma un bloque de hielo. Esta es agua en forma sólida, por lo que tiene un orden estructural alto. Esto significa que las moléculas no pueden moverse mucho y están en una posición fija. La temperatura del hielo es de 0 ° C. Como resultado, la entropía del sistema es baja.
  2. Deje que el hielo se derrita a temperatura ambiente. ¿Cuál es el estado actual de las moléculas en el agua líquida? ¿Cómo se produjo la transferencia de energía? ¿La entropía del sistema es mayor o menor? ¿Por qué?
  3. Calentar el agua hasta su punto de ebullición. ¿Qué sucede con la entropía del sistema cuando se calienta el agua?

Un concepto importante en los sistemas físicos es el de orden y desorden. Cuanta más energía pierde un sistema en su entorno, menos ordenado y más aleatorio es el sistema. Los científicos se refieren a la medida de aleatoriedad o desorden dentro de un sistema como entropía. Alta entropía significa alto desorden y poca energía. Las moléculas y las reacciones químicas también tienen una entropía variable. Por ejemplo, la entropía aumenta a medida que las moléculas en una alta concentración en un lugar se difunden y se esparcen. La segunda ley de la termodinámica dice que la energía siempre se perderá como calor en las transferencias o transformaciones de energía.

Los seres vivos están muy ordenados y requieren un aporte de energía constante para mantenerse en un estado de baja entropía.

Energía

Energía potencial y cinética

Cuando un objeto está en movimiento, hay energía asociada con ese objeto. Piense en una bola de demolición. Incluso una bola de demolición lenta puede causar mucho daño a otros objetos. La energía asociada con los objetos en movimiento se llama energía cinética (Figura 5). Una bala acelerada, una persona que camina y el movimiento rápido de moléculas en el aire (que produce calor) tienen energía cinética.

Ahora, ¿qué pasa si esa misma bola de demolición inmóvil se levanta dos pisos por encima del suelo con una grúa? Si la bola de demolición suspendida no se mueve, ¿hay energía asociada con ella? La respuesta es sí. La energía que se requería para levantar la bola de demolición no desapareció, pero ahora se almacena en la bola de demolición en virtud de su posición y la fuerza de gravedad que actúa sobre ella. Este tipo de energía se llama energía potencial (Figura 5). Si la pelota cayera, la energía potencial se transformaría en energía cinética hasta que toda la energía potencial se agotara cuando la pelota descansara en el suelo. Las bolas de demolición también se balancean como un péndulo; A través del swing, hay un cambio constante de energía potencial (más alta en la parte superior del swing) a energía cinética (más alta en la parte inferior del swing). Otros ejemplos de energía potencial incluyen la energía del agua retenida detrás de una presa o una persona a punto de saltar en paracaídas desde un avión.

La energía potencial no solo está asociada con la ubicación de la materia, sino también con la estructura de la materia. Incluso un resorte en el suelo tiene energía potencial si está comprimido; también lo hace una banda elástica que se tensa. A nivel molecular, los enlaces que mantienen unidos los átomos de las moléculas existen en una estructura particular que tiene energía potencial. Recuerde que las vías celulares anabólicas requieren energía para sintetizar moléculas complejas a partir de otras más simples y las vías catabólicas liberan energía cuando se descomponen moléculas complejas. El hecho de que la energía pueda ser liberada por la ruptura de ciertos enlaces químicos implica que esos enlaces tienen energía potencial. De hecho, hay energía potencial almacenada dentro de los enlaces de todas las moléculas de alimentos que comemos, que eventualmente se aprovecha para su uso. Esto se debe a que estos enlaces pueden liberar energía cuando se rompen. El tipo de energía potencial que existe dentro de los enlaces químicos y que se libera cuando esos enlaces se rompen se llama energía química. La energía química es responsable de proporcionar a las células vivas la energía de los alimentos. La liberación de energía ocurre cuando se rompen los enlaces moleculares dentro de las moléculas de los alimentos.

Energía libre y de activación

Después de aprender que las reacciones químicas liberan energía cuando se rompen los enlaces que almacenan energía, la siguiente pregunta importante es la siguiente: ¿Cómo se cuantifica y expresa la energía asociada con estas reacciones químicas? ¿Cómo se puede comparar la energía liberada por una reacción con la de otra reacción? Se utiliza una medida de energía libre para cuantificar estas transferencias de energía. Recuerde que de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, todas las transferencias de energía implican la pérdida de cierta cantidad de energía en una forma inutilizable como el calor. La energía libre se refiere específicamente a la energía asociada con una reacción química que está disponible después de contabilizar las pérdidas. En otras palabras, la energía libre es energía utilizable o energía que está disponible para realizar un trabajo.

Si se libera energía durante una reacción química, entonces el cambio en la energía libre, representado como ∆G (delta G) será un número negativo. Un cambio negativo en la energía libre también significa que los productos de la reacción tienen menos energía libre que los reactivos, porque liberan algo de energía libre durante la reacción. Las reacciones que tienen un cambio negativo en la energía libre y, en consecuencia, liberan energía libre se denominan reacciones exergónicas. Pensar: exergonómico significa que la energía es exiting el sistema. Estas reacciones también se denominan reacciones espontáneas y sus productos tienen menos energía almacenada que los reactivos. Debe establecerse una distinción importante entre el término espontáneo y la idea de una reacción química que ocurre inmediatamente. Contrariamente al uso cotidiano del término, una reacción espontánea no es aquella que ocurre repentina o rápidamente. La oxidación del hierro es un ejemplo de una reacción espontánea que se produce lentamente, poco a poco, con el tiempo.

Si una reacción química absorbe energía en lugar de liberar energía en equilibrio, entonces el ∆G para esa reacción será un valor positivo. En este caso, los productos tienen más energía libre que los reactivos. Por tanto, los productos de estas reacciones pueden considerarse moléculas que almacenan energía. Estas reacciones químicas se denominan reacciones endergónicas y no son espontáneas. Una reacción endergónica no se producirá por sí sola sin la adición de energía libre.

Hay otro concepto importante que debe considerarse con respecto a las reacciones endergónicas y exergónicas. Las reacciones exergónicas requieren una pequeña cantidad de energía para ponerse en marcha, antes de que puedan continuar con sus pasos de liberación de energía. Estas reacciones tienen una liberación neta de energía, pero aún requieren algo de entrada de energía al principio. Esta pequeña cantidad de entrada de energía necesaria para que ocurran todas las reacciones químicas se llama energía de activación.

Enzimas

Una sustancia que ayuda a que ocurra una reacción química se llama catalizador y las moléculas que catalizan las reacciones bioquímicas se llaman enzimas. La mayoría de las enzimas son proteínas y realizan la tarea crítica de reducir las energías de activación de las reacciones químicas dentro de la célula. La mayoría de las reacciones críticas para una célula viva ocurren con demasiada lentitud a temperaturas normales como para ser de alguna utilidad para la célula. Sin enzimas para acelerar estas reacciones, la vida no podría persistir. Las enzimas hacen esto uniéndose a las moléculas reactivas y reteniéndolas de tal manera que los procesos químicos de ruptura y formación de enlaces tengan lugar más fácilmente. Es importante recordar que las enzimas no cambian si una reacción es exergónica (espontánea) o endergónica. Esto se debe a que no cambian la energía libre de los reactivos o productos. Solo reducen la energía de activación requerida para que la reacción avance (Figura 6). Además, una enzima en sí no se modifica por la reacción que cataliza. Una vez que se ha catalizado una reacción, la enzima puede participar en otras reacciones.

Los reactivos químicos a los que se une una enzima se denominan sustratos de la enzima. Puede haber uno o más sustratos, dependiendo de la reacción química particular. En algunas reacciones, un solo sustrato reactivo se descompone en múltiples productos. En otros, dos sustratos pueden unirse para crear una molécula más grande. Dos reactivos también pueden entrar en una reacción y ambos se modifican, pero dejan la reacción como dos productos. La ubicación dentro de la enzima donde se une el sustrato se denomina sitio activo de la enzima. El sitio activo es donde ocurre la "acción". Dado que las enzimas son proteínas, existe una combinación única de cadenas laterales de aminoácidos dentro del sitio activo. Cada cadena lateral se caracteriza por diferentes propiedades. Pueden ser grandes o pequeños, débilmente ácidos o básicos, hidrófilos o hidrófobos, con carga positiva o negativa o neutrales. La combinación única de cadenas laterales crea un entorno químico muy específico dentro del sitio activo. Este entorno específico es adecuado para unirse a un sustrato químico específico (o sustratos).

Los sitios activos están sujetos a las influencias del entorno local. El aumento de la temperatura ambiental generalmente aumenta las velocidades de reacción, catalizadas por enzimas o de otro modo. Sin embargo, las temperaturas fuera de un rango óptimo reducen la velocidad a la que una enzima cataliza una reacción. Las altas temperaturas eventualmente harán que las enzimas se desnaturalicen, un cambio irreversible en la forma tridimensional y, por lo tanto, en la función de la enzima. Las enzimas también son adecuadas para funcionar mejor dentro de un cierto rango de pH y concentración de sal y, al igual que con la temperatura, el pH extremo y las concentraciones de sal pueden hacer que las enzimas se desnaturalicen.

Durante muchos años, los científicos pensaron que la unión enzima-sustrato se realizaba de una manera simple de "cerradura y llave". Este modelo afirmó que la enzima y el sustrato encajan perfectamente en un paso instantáneo. Sin embargo, la investigación actual respalda un modelo llamado ajuste inducido (Figura 7). El modelo de ajuste inducido amplía el modelo de cerradura y llave al describir una unión más dinámica entre la enzima y el sustrato. A medida que la enzima y el sustrato se unen, su interacción provoca un cambio leve en la estructura de la enzima que forma una disposición de unión ideal entre la enzima y el sustrato.

Cuando una enzima se une a su sustrato, se forma un complejo enzima-sustrato. Este complejo reduce la energía de activación de la reacción y promueve su rápida progresión de una de las múltiples formas posibles. En un nivel básico, las enzimas promueven reacciones químicas que involucran a más de un sustrato al juntar los sustratos en una orientación óptima para la reacción. Otra forma en que las enzimas promueven la reacción de sus sustratos es creando un ambiente óptimo dentro del sitio activo para que ocurra la reacción.

Intentalo

Las enzimas son componentes clave de las vías metabólicas. Comprender cómo funcionan las enzimas y cómo se pueden regular son los principios clave detrás del desarrollo de muchos de los medicamentos farmacéuticos en el mercado actual. Los biólogos que trabajan en este campo colaboran con otros científicos para diseñar fármacos.

Considere las estatinas, por ejemplo: estatinas es el nombre que se le da a una clase de medicamentos que pueden reducir los niveles de colesterol. Estos compuestos son inhibidores de la enzima HMG-CoA reductasa, que es la enzima que sintetiza el colesterol a partir de los lípidos del cuerpo. Al inhibir esta enzima, se puede reducir el nivel de colesterol sintetizado en el cuerpo. De manera similar, el acetaminofén, comercializado popularmente bajo la marca Tylenol, es un inhibidor de la enzima ciclooxigenasa. Si bien se usa para aliviar la fiebre y la inflamación (dolor), su mecanismo de acción aún no se comprende completamente.

¿Cómo se descubren las drogas? Uno de los mayores desafíos en el descubrimiento de fármacos es identificar un objetivo farmacológico. Un objetivo de un fármaco es una molécula que es literalmente el objetivo del fármaco. En el caso de las estatinas, la HMG-CoA reductasa es el fármaco diana. Los objetivos de los fármacos se identifican mediante una minuciosa investigación en el laboratorio. Identificar el objetivo por sí solo no es suficiente; Los científicos también necesitan saber cómo actúa el objetivo dentro de la célula y qué reacciones salen mal en el caso de una enfermedad. Una vez que se identifican el objetivo y la vía, comienza el proceso real de diseño del fármaco. En esta etapa, los químicos y los biólogos trabajan juntos para diseñar y sintetizar moléculas que puedan bloquear o activar una reacción en particular. Sin embargo, esto es solo el comienzo: si y cuando un prototipo de fármaco tiene éxito en el desempeño de su función, entonces se somete a muchas pruebas, desde experimentos in vitro hasta ensayos clínicos, antes de que pueda obtener la aprobación de la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. El mercado.

Muchas enzimas no funcionan de manera óptima, o incluso no funcionan en absoluto, a menos que estén unidas a otras moléculas auxiliares no proteicas específicas. Pueden unirse temporalmente a través de enlaces iónicos o de hidrógeno, o permanentemente a través de enlaces covalentes más fuertes. La unión a estas moléculas promueve la forma y función óptimas de sus respectivas enzimas. Dos ejemplos de estos tipos de moléculas auxiliares son los cofactores y las coenzimas. Los cofactores son iones inorgánicos como los iones de hierro y magnesio. Las coenzimas son moléculas auxiliares orgánicas, aquellas con una estructura atómica básica formada por carbono e hidrógeno. Al igual que las enzimas, estas moléculas participan en reacciones sin cambiar ellas mismas y, en última instancia, se reciclan y reutilizan. Las vitaminas son fuente de coenzimas. Algunas vitaminas son precursoras de coenzimas y otras actúan directamente como coenzimas. La vitamina C es una coenzima directa de múltiples enzimas que participan en la construcción del importante tejido conectivo, el colágeno. Por tanto, la función enzimática está regulada, en parte, por la abundancia de varios cofactores y coenzimas, que pueden ser suministrados por la dieta de un organismo o, en algunos casos, producidos por el organismo.

Resumen

Las células realizan las funciones de la vida a través de diversas reacciones químicas. El metabolismo de una célula se refiere a la combinación de reacciones químicas que tienen lugar dentro de ella. Las reacciones catabólicas descomponen las sustancias químicas complejas en otras más simples y están asociadas con la liberación de energía. Los procesos anabólicos construyen moléculas complejas a partir de otras más simples y requieren energía.

Al estudiar la energía, el término sistema se refiere a la materia y el medio ambiente involucrados en las transferencias de energía. La entropía es una medida del desorden de un sistema. Las leyes físicas que describen la transferencia de energía son las leyes de la termodinámica. La primera ley establece que la cantidad total de energía en el universo es constante. La segunda ley de la termodinámica establece que toda transferencia de energía implica alguna pérdida de energía en una forma inutilizable, como la energía térmica. La energía se presenta en diferentes formas: cinética, potencial y libre. El cambio en la energía libre de una reacción puede ser negativo (libera energía, exergónico) o positivo (consume energía, endergónico). Todas las reacciones requieren una entrada inicial de energía para continuar, llamada energía de activación.

Las enzimas son catalizadores químicos que aceleran las reacciones químicas al reducir su energía de activación. Las enzimas tienen un sitio activo con un entorno químico único que se adapta a reactivos químicos particulares para esa enzima, llamados sustratos. Se cree que las enzimas y los sustratos se unen de acuerdo con un modelo de ajuste inducido. La acción de la enzima está regulada para conservar los recursos y responder de manera óptima al medio ambiente.

Preguntas de práctica

  1. Observe cada uno de los procesos que se muestran en la Figura 9 y decida si es endergónico o exergónico.

6.2: Resumen del metabolismo

A lo largo de los distintos capítulos de este texto, hemos explorado el metabolismo de los carbohidratos, los lípidos y las proteínas. En la siguiente sección, compilaremos esta información para tener una idea clara de la importancia del metabolismo en la nutrición humana.

El metabolismo se define como la suma de todas las reacciones químicas necesarias para mantener la función celular y, por tanto, la vida de un organismo. El metabolismo se categoriza como catabolismo, refiriéndose a todos los procesos metabólicos involucrados en la descomposición de las moléculas, o anabolismo, que incluye todos los procesos metabólicos involucrados en la construcción de moléculas más grandes. Generalmente, los procesos catabólicos liberan energía y los procesos anabólicos consumen energía. Los objetivos generales del metabolismo son la transferencia de energía y el transporte de materia. La energía se transforma de los macronutrientes alimentarios en energía celular, que se utiliza para realizar el trabajo celular. El metabolismo transforma la materia de los macronutrientes en sustancias que una célula puede usar para crecer y reproducirse y también en productos de desecho.

En el Capítulo 5, aprendió que las enzimas son proteínas y que su trabajo es catalizar reacciones químicas. (Recuerde que la palabra cataliza significa acelerar una reacción química y reducir la energía requerida para completar la reacción química, sin que el catalizador se agote en la reacción). Sin enzimas, las reacciones químicas no ocurrirían a una velocidad lo suficientemente rápida y ocurrirían gasta demasiada energía para que exista la vida. Una vía metabólica es una serie de reacciones enzimáticas que transforman el material de partida (conocido como sustrato) en intermedios, que son los sustratos para las siguientes reacciones enzimáticas en la vía, hasta que, finalmente, un producto final es sintetizado por la última reacción enzimática. en el camino. Algunas vías metabólicas son complejas e involucran muchas reacciones enzimáticas, y otras involucran solo algunas reacciones químicas.

Para garantizar la eficiencia celular, las vías metabólicas implicadas en el catabolismo y el anabolismo están reguladas conjuntamente por el estado energético, las hormonas y los niveles de sustrato y producto final. La regulación concertada de las vías metabólicas evita que las células construyan de forma ineficaz una molécula cuando ya está disponible. Así como sería ineficiente construir una pared al mismo tiempo que se rompe, no es metabólicamente eficiente que una célula sintetice ácidos grasos y los descomponga al mismo tiempo.

El catabolismo de las moléculas de los alimentos comienza cuando los alimentos ingresan a la boca, ya que la enzima amilasa salival inicia la descomposición de los carbohidratos. Todo el proceso de digestión convierte los grandes polímeros de los alimentos en monómeros que pueden absorberse. Los carbohidratos se descomponen en monosacáridos, los lípidos se descomponen en ácidos grasos y las proteínas se descomponen en aminoácidos. Estos monómeros se absorben en el torrente sanguíneo ya sea directamente, como es el caso de los monosacáridos y aminoácidos, o reenvasados ​​en las células intestinales para su transporte por vía indirecta a través de los vasos linfáticos, como es el caso de los ácidos grasos y otras moléculas liposolubles. Una vez absorbida, la sangre transporta los nutrientes a las células. Las células que requieren energía o componentes básicos toman los nutrientes de la sangre y los procesan por vía catabólica o anabólica. Los sistemas de órganos del cuerpo requieren combustible y componentes básicos para realizar las muchas funciones del cuerpo, como digerir, absorber, respirar, bombear sangre, transportar nutrientes hacia adentro y hacia afuera, mantener la temperatura corporal y producir nuevas células. se descomponen en ácidos grasos y las proteínas se descomponen en aminoácidos. Estos monómeros se absorben en el torrente sanguíneo ya sea directamente, como es el caso de los monosacáridos y aminoácidos, o reenvasados ​​en las células intestinales para su transporte por vía indirecta a través de los vasos linfáticos, como es el caso de los ácidos grasos y otras moléculas liposolubles. Una vez absorbida, la sangre transporta los nutrientes a las células. Las células que requieren energía o componentes básicos toman los nutrientes de la sangre y los procesan por vía catabólica o anabólica. Los sistemas de órganos del cuerpo requieren combustible y componentes básicos para realizar las muchas funciones del cuerpo, como digerir, absorber, respirar, bombear sangre, transportar nutrientes hacia adentro y hacia afuera, mantener la temperatura corporal y producir nuevas células.

Figura ( PageIndex <1> ): El metabolismo se clasifica en vías metabólicas que descomponen las moléculas que liberan energía (catabolismo) y las moléculas que consumen energía al construir moléculas más grandes (anabolismo).

El metabolismo energético se refiere más específicamente a las vías metabólicas que liberan o almacenan energía. Algunas de estas son vías catabólicas, como la glucólisis (la división de la glucosa), la beta-oxidación (descomposición de los ácidos grasos) y el catabolismo de los aminoácidos. Otras son vías anabólicas e incluyen las implicadas en el almacenamiento de energía en exceso (como la glucogénesis) y la síntesis de triglicéridos (lipogénesis). La tabla ( PageIndex <1> ) resume algunas de las vías catabólicas y anabólicas y sus funciones en el metabolismo energético.

Tabla ( PageIndex <1> ): Vías metabólicas
Vías catabólicas Función Vías anabólicas Función
Glucólisis Desglose de glucosa Gluconeogénesis Sintetizar glucosa
Glucogenólisis Desglose del glucógeno Glucogénesis Sintetizar glucógeno
y beta-oxidación Desglose de ácidos grasos Lipogénesis Sintetizar triglicéridos
Proteólisis Desglose de proteínas en aminoácidos Síntesis de aminoácidos Sintetizar aminoácidos


6.2) Estructura de la hoja

Propina: permite que el agua gotee y no bloquee la luz ni dañe la hoja.

Nervadura: contiene el xilema y el floema.

Vena: contiene el xilema y el floema.

Lámina: el sitio de fotosíntesis y producción de sustancias útiles.

Cutícula: Fabricado en cera, impermeabilizando la hoja. Es secretado por células de la epidermis superior.

Epidermis superior: Estas células son delgadas y transparentes para permitir el paso de la luz. No hay cloroplastos presentes. Actúan como una barrera para los organismos patógenos.

Mesófilo Palisade: una capa de células en empalizada que realizan la mayor parte de la fotosíntesis

Mesófilo esponjoso: una capa de células esponjosas debajo de la capa de empalizada, realizan la fotosíntesis y almacenan nutrientes.

Bulto vascular: es un grupo de vasos de floema y xilema que transportan agua y minerales hacia y desde las hojas. (llamado translocación)

Epidermis inferior: Actúa como capa protectora. Los estomas están presentes para regular la pérdida de vapor de agua (llamada transpiración). Es el sitio del intercambio gaseoso dentro y fuera de la hoja.

Estomas: Cada estoma está rodeado por un par de células protectoras. Estos pueden controlar si el estoma está abierto o cerrado. El vapor de agua se desvanece durante la transpiración. El dióxido de carbono se difunde y el oxígeno se difunde durante la fotosíntesis.


Líneas de montaje cíclicas

Nacido el 25 de agosto de 1900 en Alemania, Krebs obtuvo su doctorado en medicina y comenzó su carrera investigadora trabajando con Otto Heinrich Warburg. Pionero en bioquímica, Warburg fue el inventor del manómetro, un instrumento que podía medir el oxígeno y otros gases en la sangre y otros fluidos. Warburg era uno de los principales bioquímicos del mundo y, a principios del siglo XX, su país era el mejor lugar para que los investigadores emergentes como Krebs recibieran una educación. Alemania en esta era era el centro mundial de investigación científica, especialmente en todas las áreas de la química. Las publicaciones alemanas en revistas de investigación eran tan frecuentes que los estudiantes que aspiraban a la ciencia en todo el mundo aprenderían alemán solo para estar preparados para leer los nuevos artículos. Este fue el mundo en el que Krebs alcanzó la mayoría de edad.

Krebs descubre el ciclo de la urea

Utilizando el manómetro de Warburg, Krebs hizo su primer gran descubrimiento, el ciclo de la urea (también llamado ciclo de ornitina). A fines de la década de 1920, era bien sabido que la descomposición de los aminoácidos en los animales debe liberar amoníaco (NH3). Krebs sabe que el amoníaco es tóxico, pero de alguna manera el cuerpo es capaz de convertirlo en urea, una sustancia química que se excreta fácilmente en la orina. Pensando en el estilo de la línea de montaje, Krebs y su alumno, Kurt Henseleit, propusieron un conjunto hipotético de reacciones, comenzando con la conversión de ornitina en otra sustancia química al recibir una parte de los aminoácidos que contienen el amoníaco. El manómetro permitió a Krebs analizar muestras de hígado de animales expuestos a los productos químicos intermedios que sospechaban estaban hechos de ornitina. Krebs y Henseleit pudieron probar y modificar su hipótesis, reacción por reacción. La vía de las reacciones fue un ciclo, porque, después de varios pasos, se volvió a crear la ornitina. A medida que esto sucedía, más y más amoníaco se convertía en urea. Por lo tanto, mientras los aminoácidos se descompongan continuamente en el hígado, el ciclo de la urea da vueltas y vueltas, eliminando el amoníaco para que no se acumule y mate al organismo. Fue un descubrimiento histórico que hizo a Krebs mundialmente famoso cuando publicó sus hallazgos en 1932 (Figura 4).

Figura 4: Hans Adolf Krebs

Poco después fue despedido. Como muchos otros académicos en Alemania, Krebs fue destituido de su cargo cuando los nazis llegaron al poder en 1933, ya sea porque eran judíos, como lo era Krebs, o porque se oponían a los nazis. Antes de 1933, Alemania era una potencia en todas las áreas de la ciencia con una gran cantidad de premios Nobel para los alemanes. Eso terminó abruptamente con el ascenso de Adolf Hitler.

Krebs se mudó a Inglaterra, junto con muchos otros académicos que escaparon de las tierras controladas por los nazis. Aunque no pudo traer la mayoría de sus pertenencias personales, se llevó la mayor parte de su equipo de laboratorio, incluido el manómetro de Warburg que había demostrado ser tan útil para descubrir los secretos del ciclo de la urea.

Krebs perdió su trabajo porque

La vía de la glucólisis: Embden y Meyerhof

Con el ciclo de la urea detrás de él, Krebs quería concentrarse en rastrear lo que sucedía con los carbohidratos en la célula. Mientras estaba en la Universidad de Sheffield, Krebs instaló el manómetro y comenzó a trabajar con la química. Uno de sus principales objetivos era trazar un mapa del destino final de la glucosa en presencia de oxígeno. En ese momento, la descomposición inicial de la glucosa ya se entendía, paso a paso. Conocido como glucólisis, este proceso inicial divide cada molécula de glucosa en dos moléculas más pequeñas llamadas piruvato.

Los pasos de la glucólisis fueron elaborados por dos bioquímicos, Gustav Embden y Otto Fritz Meyerhof. (Unos años después de Krebs, Meyerhof también huyó de la Alemania nazi por ser judío). A diferencia de la quema de glucosa en el laboratorio, la conversión de glucosa en piruvato en las células se controla cuidadosamente mediante enzimas. Cada paso en la vía de la glucólisis de Embden-Meyerhof tiene su propia enzima que realiza un procedimiento especializado en una molécula tras otra, como el trabajador de la fábrica en una estación de trabajo en particular.

En el curso de la descomposición de la glucosa en piruvato, la glucólisis proporciona a la célula algunos energía y no requiere oxígeno (Figura 5). Esto es bueno, ya que muchos organismos viven en ambientes donde el oxígeno ni siquiera está disponible. De hecho, hoy sabemos que las enzimas que controlan la glucólisis surgieron extremadamente temprano en la historia de la vida, antes de que hubiera gas oxígeno en los océanos o la atmósfera de la Tierra.

Figura 5: A diagram of the glycolysis process that occurs in the cytoplasm of a cell. image © RegisFrey

The understanding of glycolysis left a big question: What happens to the pyruvate after it is produced from the breakdown of glucose? By Krebs’ time, it was known that the answer depended on whether or not oxygen was available. It was also known that certain microorganisms, as well as animal muscles, produce a chemical compound called ácido láctico. The reason, it turns out, is that lactic acid is very similar to pyruvate. When no oxygen is available – or in organisms that don't have the ability to use oxygen even if it is available – pyruvate is converted to lactic acid as a waste product. This is what happens in muscle cells during intensive exercise, especially in an individual who has not warmed up sufficiently.

However, as Krebs knew, something bigger must have been happening in cells when oxygen era available. One reason warming up helps muscles is that it brings more oxygen into the muscle cells, allowing for conversion of pyruvate to something other than lactic acid. Just as your car has a catalytic converter whose function is to extract more energy from the used fuel after it has gone through the engine the first time, the cells of aerobic (oxygen-burning) organisms possess a highly efficient system to break down fuel to the ultimate end product: carbon dioxide (CO2).

The Krebs cycle

When 19 th century researchers burned sugar in the lab, they knew that oxygen was required to fuel the fire. This suggested that the metabolism of glucose also required oxygen, at least when glucose was broken down all the way to CO2 y H2O. Krebs knew that the key to understanding how most of the energy was extracted from glucose was to understand what happened to pyruvate when oxygen was present. Clearly, it was something different than what happened in the absence of oxygen. Think of a fork in the road at the point that pyruvate is created from the breakdown of glucose. Without oxygen, pyruvate is converted to lactic acid, but the presence of oxygen opens the gate to an alternate route that ends, not with lactic acid, but with CO2. All that Krebs needed to do was figure out the various steps that occurred along the way. Luckily, he still had his handy manometer, and luckily, he didn't need to start from scratch. A few reactions that Krebs was about to discover as steps in his new cycle were known already as independent reactions from research of an older biochemist, Albert Szent-Györgyi. It was Krebs who postulated that the reactions might be connected in a cycle, just like the reactions of the urea cycle that he'd discovered back in Germany.

Krebs’ research method was to let slices of beef liver soak in solutions of various chemicals. Using the Warburg manometer, Krebs could then see how the unidentified liver enzymes would change the different chemicals in the solutions. Testing the reactions one by one, he discovered that the breakdown of carbohydrates, lipids, and proteins did indeed proceed in a cyclic fashion. Bigger and more complex than the urea cycle, this cycle turned out to be the central route of all metabolic activity in the cell. Krebs identified the cycle’s reactions by 1937, although he tweaked it over the course of the following decade. Part of that tweaking led him to discover yet one more cycle, a little one called the glyoxylate cycle that acted as a bypass route for a section of the Krebs cycle.

Krebs is famous for discovering


Resumen de la sección

El cáncer es el resultado de una división celular descontrolada causada por una ruptura de los mecanismos que regulan el ciclo celular. La pérdida de control comienza con un cambio en la secuencia de ADN de un gen que codifica una de las moléculas reguladoras. Las instrucciones incorrectas conducen a una proteína que no funciona como debería. Cualquier interrupción del sistema de monitoreo puede permitir que otros errores se transmitan a las células hijas. Cada división celular sucesiva dará lugar a células hijas con aún más daño acumulado. Con el tiempo, todos los puntos de control dejan de funcionar y las células que se reproducen rápidamente desplazan a las células normales, lo que resulta en un tumor o leucemia (cáncer de la sangre).

Human papillomavirus can cause cervical cancer (Figura 1). El virus codifica E6, una proteína que se une a p53. Con base en este hecho y en lo que sabe sobre p53, ¿qué efecto cree que tiene la unión de E6 sobre la actividad de p53?

  1. E6 activa p53
  2. E6 inactiva p53
  3. E6 muta p53
  4. E6 vinculante marca p53 para degradación

Resumen

Animal diet should be balanced and meet the needs of the body. Carbohydrates, proteins, and fats are the primary components of food. Some essential nutrients are required for cellular function but cannot be produced by the animal body. These include vitamins, minerals, some fatty acids, and some amino acids. Food intake in more than necessary amounts is stored as glycogen in the liver and muscle cells, and in fat cells. Excess adipose storage can lead to obesity and serious health problems. ATP is the energy currency of the cell and is obtained from the metabolic pathways. Excess carbohydrates and energy are stored as glycogen in the body.


Arabidopsis thaliana

The Classical Genetic Map

Early genetic screens identified loci that were important for plant growth or metabolism, but did not reveal the identity of the gene that controls the phenotype. The development of a genetic map of Arabidopsis was the first breakthrough in bridging the gap between mutant phenotype and gene identity. Using a large collection of Arabidopsis mutants with visually scorable phenotypes, Marten Koorneef and William Feenstra published a comprehensive linkage map that divided the genome into 500 map units on five chromosomes. The classical map was used by geneticists to locate the chromosomal positions of new mutations. In some cases, these mapping experiments defined a small interval within a chromosome that contained the mutation of interest. Although the classical genetic map was useful, it did not allow researchers to identify the individual genes that were affected in mutant plants. To identify the affected gene, it was necessary to construct a map based on the DNA sequence of the genome.


Respuesta libre

Does physical exercise involve anabolic and/or catabolic processes? Give evidence for your answer.

Physical exercise involves both anabolic and catabolic processes. Body cells break down sugars to provide ATP to do the work necessary for exercise, such as muscle contractions. This is catabolism. Muscle cells also must repair muscle tissue damaged by exercise by building new muscle. This is anabolism.

Name two different cellular functions that require energy that parallel human energy-requiring functions.

Energy is required for cellular motion, through beating of cilia or flagella, as well as human motion, produced by muscle contraction. Cells also need energy to perform digestion, as humans require energy to digest food.


6.2: Energy and Metabolism - Biology

Metabolism is the word we use for the management of material and energy resources. Energy can be gained by breaking down complex molecules (catabolism) or energy can be used to build complex molecules (anabolism). Anabolic and catabolic processes are often combined in such a way that energy derived from anabolism can be applied to catabolism.

Energy can be transferred. It can't be created. Transfer of energy is always inefficient-some energy is always lost as heat. Free energy is the energy available to do work. There are two types of chemical reactions. Exergonic reactions proceed with a net release of free energy. Endergonic reactions absorb free energy.

I know I told you that you would not be responsible for the terms exergonic and endergonic but it still helps for you to know them so you can read the rest of these notes.

Another way to think of these reactions is to consider the relative potential energy of the products and the reactants (5.3 pg 74). Endergonic reactions require energy input to take simple, low energy reactants and build complex, high energy products. Exergonic reactions release the energy bound up in the reactants and yield simpler, low energy products. A key strategy in driving the endergonic reactions is to couple them to exergonic reactions through an energy shuttle called ATP.

What do we need this energy for? A cell does three kinds of work:

1. Mechanical work. Examples: Beating of cilia, muscle contractions, intracellular movement.

2. Transport work. Examples: Pumping substances across gradients.

3. Chemical work. Examples: synthesis of polymers from monomers.

The immediate source of energy for this work, this so called energy shuttle, is ATP, adenosine triphosphate.

ATP is a nucleoside triphosphate consisting of adenine bonded to ribose which is connected to three phosphate groups (5.4a, pg 75).

When a phosphate group is broken off the tail of an ATP molecule (by hydrolysis) the molecule becomes ADP (adenosine diphosphate). That hydrolysis is an exergonic reaction and it yields energy. The bonds holding the phosphate onto ATP are weak. They are known as high energy bonds but not because they are strong (if they were strong it would require alot of energy to break them. Think of the ATP as a spring loaded molecule with that last phosphate just jammed onto the end).

When the phosphate is removed from ATP it gets added to a molecule that is part of the endergonic reaction that we're interested in driving. Now that molecule is unstable (ie. more reactive) thus some energy has been made available for the endergonic reaction. That molecule that has had the phosphate group added to it is called a phosphorylated intermediate.

ATP is regenerated via cellular respiration in which the energy of glucose gets used to phosphorylate ADP to form ATP. Plants can also use the energy available in light to produce ATP.

Living is work. Cells are always doing work, building molecules, pumping ions, moving, etc. In order to do that work cells need energy from outside sources. Energy enters (most) ecosystems as solar energy, plants then turn it into chemical energy. All the rest of the organisms get their energy from food, which can be traced back to those plants.

Cells release the energy bound up in food by the systematic degradation of food molecules into simple, low energy waste products. Some of the chemical energy gets used to do work, some of it gets lost as heat. Breakdown pathways are called catabolic pathways. One such catabolic pathway is fermentation (no oxygen). A more prevalent pathway that is more efficient is called cellular respiration. Oxygen is combined with organic molecules to release energy.

Organic compounds + Oxygen CO2 + Water + Energy

All types of macromolecules can be broken down and used as fuel. Typically we study the degradation of glucose:

C 6 H 12 O 6 +6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + Energy (ATP + Heat)

We tend to ingest proteins, carbohydrates and fats within our diets. If we use tose types of molecules for their energy content (as opposed to using them for their A spare parts @ to build some new molecules) the molecules are broken into intermediary molecules that enter into the respiratory pathway of glucose somewere along the line.

Cellular respiration does not directly move flagella, pump solutes or do any of the cellular work. Cellular respiration generates ATP, which is in turn expended by the cell to do work. Remember that ATP is like a loaded spring. Phosphates are jammed on to the end of ADP to form ATP. That process is called phosphorylation.

There are three stages to respiration: Glycolysis, the Krebs Cycle, and the Electron Transport System. You should read modules 6.1 and 6.2 in your textbook. They cover pretty much what I have said in class about cellular respiration. Notice that even though we consider cellular respiration to be an efficient way to convert the energy in glucose to ATP (a usable form), we still don = t get all of it. (Where does the rest of the energy go?)

6.3 talks about how much energy we use for various activities. This may be of interest to you. Note they use the term A K-cal @ or A kilocalorie @ . This is the equivalent of what we refer to in everyday language as a Calorie.

Enzymes are catalysts. Catalysts are chemical agents that change the rate of a reaction without being consumed by the reaction. These are what regulate the various reactions of metabolism.

Even though many reactions are exergonic they still require some energy to get them going. This extra boost is called the activation energy. Enzymes function to lower the activation energy necessary to start reactions. They do not affect the net energy change of the equation. (5.5a&b, pg 76)

The reactant an enzyme works on is called its substrate. Enzymes are very substrate specific. They are usually proteins. Recall that proteins have specific shapes. There is a region of the enzyme called the active site where the substrate molecule(s) fit. The catalyst (enzyme) can do a number of things to facilitate the reaction. It can twist the molecules promoting bond breaking, it can serve as a template to bring to substrate molecules into proper position, it can provide a "microenvironment" conducive to promoting the reaction (eg. pH). (5.6, pg 77)

Many things effect the action of enzymes. Most enzymes function in a specific optimal range of temperature and pH. Many enzymes require the aid of cofactors. Enzyme inhibitors may interfere with the action of the enzyme by binding (either permanently or temporarily) to a site on the enzyme. The inhibitor may attach to the active site, blocking substrates (called a competitive inhibitor), or it may attach elsewhere causing a change in the shape (therefore function) of the enzyme (a noncompetitive inhibitor)(5.8, pg 78). The production of enzymes, cofactors, inhibitors, etc. is the means by which an organism controls metabolism.


Making More Viruses

Step two is to make more viruses. Once inside, the virus adds its genome blueprint to the cell. The cell doesn't know that the new blueprint is from the virus, so it follows the instructions to make virus parts. Now the cell has unknowingly become a virus factory. The virus parts come together to make full viruses that escape from the cell. Each new virus can infect another cell, repeating the infection cycle.

Proteins on the virus bind to receptors on the outside of a cell (1). Once inside, the virus releases its DNA or RNA into the cell (2) which instructs the cells to build more copies of the virus (3). These new viruses are released (4), either through budding (shown here) or through destruction of the cells.

Are Viruses Alive?

Viruses seem very smart to trick your cells during infections, but are they actually alive? It’s difficult to come up with one definition for life, but scientists agree on several characteristics that all living things share. Let’s see how viruses stack up.

First, living things must reproduce. Although viruses have a genome, they need to take over the machinery of other living cells to follow the virus genome instructions. So, viruses cannot reproduce by themselves.

Next, all living things have metabolism. Metabolism means the ability to collect and use energy. Chemical reactions in your cells constantly change molecules into forms of energy we can use. The energy you use to run and jump came from breaking big food molecules into smaller pieces that can be used or stored in the cell. Viruses are too small and simple to collect or use their own energy – they just steal it from the cells they infect. Viruses only need energy when they make copies of themselves, and they don't need any energy at all when they are outside of a cell.

Finally, living things maintain homeostasis, meaning keeping conditions inside the body stable. Your body sweats to cool you down and shivers to warm you up if its temperature changes from 98.6 ° F. Millions of adjustments throughout the day keep your temperature and the chemicals in your body balanced. Viruses have no way to control their internal environment and they do not maintain their own homeostasis.

So, since viruses cannot reproduce on their own and have no metabolism or homeostasis, they are usually not thought of as truly alive. They do have a huge effect on living things during infections, though!

¿Qué piensas? Should viruses be included with other living things? After you decide why you think they should or should not be considered alive, listen to biochemist Nick Lane and Dr. Biology discuss if they think viruses are alive.


Ver el vídeo: Mecanismos de obtención de energía Metabolismo (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Yogal

    Encuentro que no tienes razón. Puedo probarlo. Escribe en PM, discutiremos.

  2. Ives

    Estoy de acuerdo, mensaje útil

  3. Gotaxe

    En mi opinión, estás cometiendo un error. Envíeme un correo electrónico a PM, discutiremos.

  4. Kinney

    Creo que estás cometiendo un error. Vamos a discutir. Envíeme un correo electrónico a PM.



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