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Conjunto total de las reacciones químicas que ocurren en

un organismo

Rutas metabólicas- La modificación de una molécula

inicial hasta convertirla en un producto especifico

Enzyme 1 Enzyme 2 Enzyme 3

D C B A Reaction 1 Reaction 3 Reaction 2

Starting molecule

Product

Metabólismo-Reacciones metabólicas

Todos los procesos celulares requieren energía

Rutas Catabólicas- Liberación de energía por rompimiento

de moléculas

Respiración celular

Trabajo mecánico- Movimiento celular, Separación de cromosomas

Rutas anabólicas-Biosíntesis

Síntesis de compuestos orgánicos

Síntesis de proteínas a partir de aminoácidos

Metabólismo-Reacciones metabólicas

Bioenergética- Flujo de energía através de los organismos

vivos

Energía- Capacidad para producir un cambio:

Movimiento de la materia en contra de fuerzas opuestas

(trabajo)

Producir re-arreglos en la materia

Metabólismo- Energía y Bioenergética

Energía cinética – energía del movimiento

lumínica

térmica

Energía potencial – energía almacenada

debido a su posición o estructura

química

Tipos de energía

Conversión de energía

Bioluminiscencia

Conversión de energía

Subir convierte energía cinética

del movimiento muscular en

energía potencial

Menos energía potencial

en agua que en la plataforma.

Energía Cinética Energía Potencial

Conversión de Energía

http://ga.water.usgs.gov/edu/hyhowworks.html

Conversión de energía

Flujo de energía

Flujo de energía

Estudio de la energía y sus transformaciones.

Sistema – parte del universo bajo estudio

Alrededores – el resto del universo aparte del sistema

Alrededores

Sistema

Termodinámica- Bioenergética

Sistema cerrado - no

intercambia energía o

materia con sus

alrededores.

Sistema abierto – tiene la

capacidad de intercambiar

materia y energía con sus

alrededores.

Sistemas termodinámicos

(a) An isolated hydroelectric system

∆G < 0 ∆G = 0

(b) An open hydroelectric system ∆G < 0

∆G < 0

∆G < 0

∆G < 0

(c) A multistep open hydroelectric system

Alcanza equilibrio

NO Alcanzan equilibrio

(a) First law of thermodynamics

(b) Second law of thermodynamics

Chemical energy

Heat

CO2

H2O

+

Leyes de termodinámica

Para cada cambio físico o

químico, la cantidad total de

energía en el Universo

permanece constante.

La energía puede ser transferida

o transformada (cambiar de una

forma a otra).

La energía no se crea ni se

destruye.

Principio de conservación de energía

Primera Ley de Termodinámica

Leyes de termodinámica

Energía química Energía cinética

Calor

Cada transferencia o transformación aumenta el

desorden debido a la perdida de energía útil

Entropía- Medida del desorden

Leyes de termodinámica

Cada proceso o reacción que ocurre espontáneamente

aumenta la entropía del universo.

Segunda Ley de Termodinámica

Inversión constante de energía mantiene el orden en el

sistema. Aumenta orden local disminuye orden universal

Organismos vivos - Orden

Segunda Ley de Termodinámica

Segunda Ley de Termodinámica

Para que un proceso ocurra por si solo sin necesidad de

aplicar energía externa debe aumentar la entropía del

universo

Espontáneo

Aumento de entropía.

No requiere energía

Segunda Ley de Termodinámica

Reacciones termodinámicamente espontáneas

Medida de cuán posible es que ocurra una reacción.

Medidad de la dirección en la que ocurre una reacción.

Segunda Ley de Termodinámica

Las leyes de termodinámica nos

ayudan a predecir:

¿Qué eventos pueden ocurrir en la naturaleza y cuáles no?

¿Qué eventos ocurren espontáneamente y cuales

necesitan energía?

Leyes de termodinámica

La espontaneidad de un sistema se puede se puede medir

en función de su energía libre

G = H – TS

G – energía libre

H – energía total del sistema

T- temperatura

S- entropía

energía libre = energía total – energía que no es útil para realizar trabajo

Energía del sistema que puede utilizarse para

realizar trabajo cuando la temperatura y la presión

son uniformes.

Leyes de termodinámica-Energía Libre(G) y Metabolismo

G = G estado final – G estado inicial

G < 0 Espontáneo

G > 0 Necesita energía

G = 0 Equilibrio

Los procesos espontáneos disminuyen la

energía libre del sistema.

Metabolismo- Energía Libre (G)

(a) Gravitational motion (b) Diffusion (c) Chemical reaction

• More free energy (higher G)

• Less stable

• Greater work capacity

In a spontaneous change

• The free energy of the system decreases (∆G < 0) • The system becomes more stable

• The released free energy can be harnessed to do work

• Less free energy (lower G)

• More stable • Less work capacity

Metabolismo- Energía Libre (G)

Para que ocurra un proceso espontáneamente:

H – liberar energía

S – aumentar la entropía

G = G estado final – G estado inicial

G = H - TS

Metabolismo- Energía Libre (G)

Progress of the reaction

Exergónica

Energy

Amount of

energy

released (∆G<0)

Fre

e en

ergy

Progress of the reaction

Fre

e en

ergy

Energy

Amount of

energy

released (∆G>0)

Endergónica

Metabolismo- Energía Libre (G)

G = G estado final – G estado inicial

Equilibrio G = 0

Necesita energía G > 0

Espontáneo G < 0

Endergónicas

Exergónicas

Metabolismo- Energía Libre (G)

Totalidad de las reacciones químicas que

ocurren en los organismos

Trayectos metabólicos transforman la materia

y la energía

Metabolismo

Trayectos metabólicos

Reacciones químicas

Procesos en los cuales se

rompen o se forman enlaces

causando cambios en la

composición de la materia.

Metabolismo

Anabolismo – síntesis,

consumen energía.

Catabolismo – degradación,

“liberan energía”.

Metabolismo

A + B C

Reactantes Producto

Reacciones químicas y equilibrio

Metabolismo

La mayoría de las reacciones

químicas (fuera de sistemas

biológicos) son reversibles.

Equilibrio químico (dinámico)

en el cual las concentraciones de

reactantes y productos se han

estabilizado.

La velocidad de formación de

productos es igual a la velocidad

de formación de reactantes.

G = 0

A + B C

Reactantes Producto

Metabolismo

La célula se mantiene en

desequilibrio metabólico.

Metabolismo

Si una célula alcanza equilibrio

metabólico ∆G=0 y ????

C D

Reacción exergónica

G < 0

X Y

Reacción endergónica

G >0

Acoplamiento de reacciones

- transferencia de energía de

reacciones exergónicas (catabólicas)

a reacciones endergónicas

(anabólicas).

Metabolismo

Trabajos principales en la célula

Trabajo químico -Reacciones endergónicas

Trabajo de transporte

Trabajo mecánico (Mov. Muscular)

Respiración celular=- 686kcal/mol

Fotosíntesis =+686kcal/mol

Metabolismo

*Enlaces de alta energía –

altamente inestables

ATP + H2O ADP + Pi

G = -7.3 kcal/mol

Ambiente celular G = -13kcal/mol

Metabolismo- Estructura e hidrólisis ATP

ATP + H2O ADP + Pi Ambiente celular G = -13kcal/mol

Reacción exergónica

¿Para qué puedo usar la energía liberada?

La reacción de hidrólisis de ATP se puede acoplar a

reacciones cuyo G sea igual o menor que 13kcal/mol.

Metabolismo-ATP

Metabolismo-ATP- Fosforilación

(b) Coupled with ATP hydrolysis, an exergonic reaction

Ammonia displaces the phosphate group, forming glutamine.

(a) Endergonic reaction

(c) Overall free-energy change

P P

Glu

NH3

NH2

Glu i

Glu ADP +

P

ATP +

+

Glu

ATP phosphorylates glutamic acid, making the amino acid less stable.

Glu NH3

NH2

Glu +

Glutamic acid

Glutamine Ammonia

∆G = +3.4 kcal/mol

+ 2

1 Formación de un

intermediario fosforilado

mas inestable

P i ADP +

Energía de catabolismo (Procesos de liberación de energía -exergónica)

Energía para trabajo celular (Procesos de consumo de energía-endergónica)

ATP + H2O

Fosforilación de ADP requiere energía libre que proviene

de reacciones catabólicas.

Ejemplo - Célula muscular activa

10 millones de moléculas de ATP/ segundo/ célula.

ADP + Pi ATP + H2O

G = +7.3 kcal/mol

Metabolismo-Ciclo de ATP

Células musculares < 1min

10 mill ATP/S/célula)

Degradación (hidrólisis) de sucrosa

Catabólica

Exergónica

¿Cuán rápido ocurre?

Metabolismo

Sucrose (C12H22O11)

Glucose (C6H12O6) Fructose (C6H12O6)

Sucrase ∆G=-7kcal/mol

Catalizadores - Aumenta la velocidad de la reacción

Mayoría son proteínas

Se han descrito ribozimas, RNA con función de enzimas.

Enzimas

Fig. 8-14

Progress of the reaction

Products

Reactants

∆G < O

Transition state

EA

D C

B A

D

D

C

C

B

B

A

A

Energía

Energía termal

Enzimas

La enzima acelera la velocidad de la reacción

disminuyendo la energía de activación.

No altera el ∆G de la reacción solo disminuye el tiempo que le

iba a tomar a una reacción espontánea.

EA

Enzimas

Progress of the reaction

Products

Reactants

∆G is unaffected by enzyme

Course of reaction without enzyme

EA

without

enzyme EA with

enzyme is lower

Course of reaction

with enzyme

Son altamente específicas

Especificidad de sustrato. El sustrato (S)

es la molécula sobre la que el enzima ejerce

su acción catalítica.

Complejo enzima sustrato

Especificidad de acción. Cada

reacción está catalizada por un enzima

específico.

Enzimas

E + S ES E + P

Sucrose (C12H22O11)

Glucose (C6H12O6) Fructose (C6H12O6)

Sucrase

estado de transición.

La enzima actúa sobre un sustrato específico.

Sitio activo

Acoplamiento inducido de sitio activo y sustrato

Enzimas

Sitio activo

Enzimas

Fig. 8-17

Substrates

Enzyme

Productos son liberados.

Productos

El sustrato se convierte a producto

El sitio activo puede disminuir la EA y acelerar la reacción.

Actúa como templado para

la orientación del sustrato Causa inestabilidad en el

sustrato produciendo el estado de transición

provee microambiente favorable

Participa directamente en la reacción catalítica

Substrato se mantiene en el sitio activo por interacciones débiles Ej. puentes hidrogeno y enlaces iónicos.

El sitio activo queda disponible para dos moléculas nuevas de sustrato.

Enzyme-substrate complex

5

3

2

Substrato entra en el sitio

activo; la enzima cambia su

forma de manera que el sitio

activo se acople completamente

al sustrato (induced fit).

1

6

4

Enzimas

Sitio activo centro de catálisis

Mecanismos

Actúa como templado, coloca sustratos en la orientación

correcta.

Produce distorsión en el sustrato. Facilita formación de

estado de transición

Provee un microambiente adecuado (ej. Grupos R

ácidos)

Participa directamente de la reacción.

Enzimas

Cinética

Velocidad inicial, depende de la concentración

inicial de sustrato.

Saturación

Enzimas

Aumento en movimiento de moléculas y aumenta la probabilidad de

encuentro entre sustrato y enzima

Umbral de temperatura - se inhibe la enzima por rompimiento de

interacciones (Puentes hidrogeno, enlaces iónicos), la enzima se

desnaturaliza

Enzimas- Efecto de Temperatura

Optimal temperature for enzyme of thermophilic

(heat-tolerant) bacteria

Optimal temperature for typical human enzyme

(a) Optimal temperature for two enzymes

Rate

of r

eacti

on

Temperature (ºC)

0 20 40 80 60 100

Cada enzima tiene una

temperatura optima- ocurre

la conversión mas rápida de

reactivos a productos

El centro activo puede contener aminoácidos con grupos ionizados que

pueden variar con el pH.

La ionización de aminoácidos que no están en el centro activo puede

provocar modificaciones en la conformación de la enzima.

El sustrato puede verse afectado por las variaciones del pH.

Enzimas- Efecto de PH R

ate

of r

eacti

on

(b) Optimal pH for two enzymes

Optimal pH for pepsin (stomach enzyme)

Optimal pH for trypsin (intestinal enzyme)

pH

5 4 3 2 1 0 6 7 8 9 10

La mayoría tiene valores

óptimos entre 6-8.

La pepsina del estómago,

presenta un óptimo a pH=2,

Fosfatasa alcalina del

intestino un pH= 12

Enzimas-Cofactores

Estructuras no proteícas que ayudan en la actividad

catalítica de ciertas enzimas

Cofactor- Cuando se trata de iones o moléculas inorgánicas.

Zn, Fe, Cu en forma iónica

Coenzima- Cuando es una molécula orgánica.

Vitaminas( Ej. Riboflavina, tiamina y acido fólico)

(a) Normal binding (c) Noncompetitive inhibition (b) Competitive inhibition

Noncompetitive inhibitor

Active site Competitive inhibitor

Substrate

Enzyme

Regulación

Inhibición irreversible- enlaces covalentes

Inhibición reversible- interacciones débiles

Inhibidores competitivos – parecidos al sustrato normal,

compiten por el sitio activo.

Inhibidores no competitivos – se enlazan a una región diferente

del sitio activo, cambia la conformación de la enzima y el sustrato

no puede enlazarse al sitio activo.

Enzimas

Antibióticos- Penicilina

Control del metabolismo

Regulación estricta sobre los

trayectos metabólicos:

Controlando cuando y en dónde

se activan las distintas enzimas.

“prendiendo o apagando”

genes que codifican para las

enzimas.

Regulación enzimática

Enzimas- Regulación de actividad enzimática

Enzimas alostéricas

Activadores alostéricos

– se enlazan al sitio

alostérico y estabilizan la

conformación activa de

la enzima.

Inhibidores alostéricos

– se enlazan al sitio

alostérico y cambian la

conformación de la

enzima inactivándola. (a) Allosteric activators and inhibitors

Inhibitor Non- functional active site

Stabilized inactive form

Inactive form

Oscillation

Activator

Active form Stabilized active form

Regulatory site (one of four)

Allosteric enzyme with four subunits

Active site (one of four)

Enzimas- Regulación de actividad enzimática

(b) Cooperativity: another type of allosteric activation

Stabilized active form

Substrate

Inactive form

Enzimas alostéricas

Cooperatividad – En una enzima compuesta de varias unidades

una sola molécula de sustrato en una de sus unidades puede

cambiar la conformación general de la enzima de manera que

aumente la afinidad por otras moléculas de sustrato. (Ej-Hemoglobina,

aunque no es una enzima exhibe el mismo comportamiento).

Enzimas- Regulación de actividad enzimática

Inhibición por Retroalimentación

Producto final actúa como

inhibidor alostérico de su propia

ruta metabólica

Previene el malgasto de recursos

en material que no se necesita

Intermediate C

Feedback inhibition

Isoleucine used up by cell

Enzyme 1 (threonine deaminase)

End product

(isoleucine)

Enzyme 5

Intermediate D

Intermediate B

Intermediate A

Enzyme 4

Enzyme 2

Enzyme 3

Initial substrate (threonine)

Threonine in active site

Active site available

Active site of enzyme 1 no longer binds threonine; pathway is switched off.

Isoleucine binds to allosteric site

Enzimas- Regulación de actividad enzimática