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Secuencia Didáctica 1: Energía y metabolismo celular
• Metabolismo celular
• Intercambios de energía en el metabolismo
• Función de las enzimas en los procesos biológicos
METABOLISMO CELULAR.
Se conoce como metabolismo al conjunto de reacciones bioquímicas común en todos los seres vivos, que ocurren en las
células para la obtención e intercambio de materia y energía con el medio ambiente, y síntesis de macromoléculas, a
partir de compuestos sencillos con el objetivo de mantener los procesos vitales (nutrición, crecimiento, relación y
reproducción) y la homeostasis.
Todas las células que conforman el organismo de los seres vivos poseen actividad metabólica, que implica la absorción,
transformación y eliminación de sustancias. Esto les permite cumplir funciones como las de crecimiento y reproducción,
y dar respuesta a los estímulos que reciban.
Es una función vital, que si se detiene sobreviene la muerte.
La alteración del metabolismo ocasiona perdida del estado de salud. Entre las enfermedades metabólicas más frecuentes
se puede citar a la diabetes, que se produce por las alteraciones en el metabolismo de los carbohidratos, también
intervienen las grasas y proteínas. El metabolismo tiene principalmente dos finalidades:
1) Obtener energía química utilizable por la célula, que se almacena en forma de ATP, se obtiene por degradación
de los nutrientes
2) Fabricar sus propios compuestos a partir de los nutrientes, que serán utilizados para crear sus estructuras o para
almacenarlos como reserva.
La gran cantidad de reacciones metabólicas se realizan en el citosol o en el interior de los orgánulos. Éstas no son
independientes, sino que están asociadas formando las denominadas rutas metabólicas o vías metabólicas que son una
secuencia ordenada de reacciones en las que el producto final de una reacción es el sustrato inicial de la siguiente.
En una ruta un sustrato inicial (reactivo) se transforma mediante distintas reacciones que lo transforman en producto de
dicha ruta; los compuestos intermedios de la ruta se denominan metabolitos. Cada una de las reacciones de una ruta
metabólica está controlada por una enzima específica (Enzima, E1…E4). Por ejemplo, en la ruta metabólica que incluye
la secuencia de reacciones:
A es el sustrato inicial, D es el producto final, B y C son los metabolitos intermediarios de la ruta metabólica.
En dos reacciones consecutivas en que el producto de la primera es un sustrato de la segunda, como ocurre en las
siguientes reacciones:
A+B+C+D
D+E+F+G
Las reacciones catabólicas o fase destructiva
En este proceso, las células descomponen moléculas de gran tamaño (mayoritariamente de hidratos de carbono y grasas)
para obtener energía.
Es el proceso mediante el cual se produce la energía necesaria para todas las actividades. La energía producida, aparte de
ser el combustible necesario para los procesos anabólicos, permite calentar el cuerpo, moverlo y contraer los músculos.
Cuando descomponen compuestos químicos en sustancias más simples, los productos de desecho liberados en el
proceso son eliminados al exterior a través de la piel, los riñones, los pulmones y los intestinos.
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Se caracterizan por ser reacciones degradativas. Por medio de ellas compuestos complejos se transforman en otros más
sencillos.
Son reacciones oxidativas mediante las cuales se oxidan los compuestos orgánicos, liberándose electrones.
Son procesos convergentes en los cuales a partir de compuestos diferentes se obtienen siempre los mismos compuestos
(CO2, acido pirúvico, etanol, etc.), son reacciones exotérmicas. A continuación un ejemplo:
C6H12O6 + 6O2
(Glucosa)
(Oxígeno)
6CO2 + 6H2O + ATP
(Bióxido de carbono) (Agua) Trifosfato de adenosina
El anabolismo o fase constructiva
Es el conjunto de reacciones metabólicas mediante las cuales, a partir de compuestos sencillos (inorgánicos u orgánicos),
se sintetizan moléculas más complejas.
Consiste en fabricar y almacenar.
Es la base del crecimiento de nuevas células, el mantenimiento de los tejidos corporales y la creación de reservas de
energía para uso futuro.
Las moléculas sintetizadas se utilizan por las células para formar sus componentes y así poder crecer y renovarse, o son
almacenadas como reserva para su posterior utilización como fuente de energía.
Las reacciones anabólicas se caracterizan por lo siguiente:
 Son reacciones de síntesis; a partir de compuestos sencillos se sintetizan otros más complejos. Durante el
anabolismo, moléculas simples y de tamaño reducido se modifican para construir moléculas de hidratos de
carbono, proteínas y grasas más complejas y de mayor tamaño.
 Son reacciones de reducción, donde compuestos oxidados se reducen; para ello se necesitan electrones. Por
medio de estas reacciones se crean nuevos enlaces por lo que se requiere aporte de energía.
 Requieren un aporte de energía y son procesos divergentes, debido a que a partir de pocos compuestos se puede
obtener una gran variedad de productos.
Las reacciones metabólicas de los seres vivos son reacciones de oxidación y reducción o reacciones de oxido-reducción o
también llamadas reacciones redox.
En general la oxidación consiste en la pérdida de electrones y la reducción en la ganancia de electrones.
Para que un compuesto se oxide es necesario que otro se reduzca, es decir, la oxidación de un compuesto siempre va
acoplada a la reducción de otro.
Frecuentemente la pérdida o ganancia de electrones va acompañada de la pérdida o ganancia de iones hidrógeno
(H+); de forma que el efecto neto es la pérdida o ganancia de hidrógeno puesto que: e– + H+ → H.
Por consiguiente, las oxidaciones son deshidrogenaciones y las reducciones son hidrogenaciones; la mayoría de las
oxidaciones y reducciones biológicas son de este tipo.
Las oxidaciones también se denominan combustiones, y en ellas se desprende energía, mientras que en las reducciones
se requiere un aporte energético. Los procesos de óxido-reducción tienen gran importancia en el metabolismo, porque
muchas de las reacciones del catabolismo son oxidaciones en las que se liberan electrones; mientras que muchas de las
reacciones anabólicas son reducciones en las que se requieren electrones.
Los electrones son transportados desde las reacciones catabólicas de oxidación en las que se liberan, hasta las reacciones
anabólicas de reducción en las que se necesitan. Este transporte lo realizan principalmente tres moléculas:
NAD+ (nicotidamina dinucleótido),
NADP (nicotidamina dinucleótido),
FAD (flavina adenina dinucleótido); éstas no se gastan, ya que solo actúan como intermediarios. Cuando captan los
electrones se reducen y al cederlos se oxidan regenerándose de nuevo.
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INTERCAMBIOS DE ENERGÍA EN EL METABOLISMO.
La bioenergética es el estudio de los cambios de energía que acompañan a los procesos biológicos, relación que ayuda a
entender las complejidades del metabolismo, proceso global a través del cual los seres vivos adquieren y utilizan energía
libre para realizar sus diferentes funciones.
La bioenergética describe la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos.
La bioenergética se interesa sólo por los estados energéticos inicial y final de los componentes de una reacción,
no del mecanismo o del tiempo necesarios para que el cambio químico se lleve a cabo.
La bioenergética predice si un proceso es posible; la cinética cuantifica qué tan rápido ocurre la reacción.
Energía libre
La dirección y cantidad a la cual procede una reacción está determinada por el grado energía libre que dos factores
cambian durante la reacción.
Estos factores son la entalpía (DH, una medida del cambio de calor entre los reactivos y productos de la reacción) y
la entropía (DS, una medida del cambio en el desorden de los reactivos y productos)
Este proceso se realiza acoplando las reacciones exotérmicas de oxidación de nutrientes a los procesos endotérmicos
necesarios para mantener el estado vital.
De esta manera los procesos como la síntesis de componentes celulares, el transporte de sustancias a través de la
membrana contra gradientes de concentración, la contracción muscular, el movimiento de cilios y flagelos y muchas otras
funciones más, sólo pueden llevarse a cabo si se suministra la energía necesaria.
La bioenergética estudia también el procesamiento, el consumo de energía dentro de los sistemas biológicos, la
transformación y el empleo de la energía por las células.
Proporciona los principios que explican por qué algunas reacciones pueden producirse mientras que otras no. Los
sistemas no biológicos pueden utilizar la energía calorífica para realizar trabajo, pero los sistemas biológicos son
esencialmente isotérmicos y emplean la energía química para impulsar los procesos vitales. Existen dos grandes conjuntos
de reacciones metabólicas:
 Aquéllas cuya finalidad es la obtención de energía útil para la célula a partir de los nutrientes (consumidos en los
alimentos) o catabolismo, y
 Las que servirán a la célula para fabricar moléculas propias o anabolismo. Parte de la energía fabricada en el
catabolismo será consumida en el anabolismo.
Estos procesos no ocurren al mismo tiempo ni en el mismo lugar de la célula. Tiene que existir un mecanismo capaz de
almacenar y transportar la energía desde los procesos en los que se libera hasta los procesos en los que se consume.
Este mecanismo se basa en la creación y destrucción de enlaces químicos de alta energía en los que se acumula (cuando
se forman) y se libera (cuando se rompen) gran cantidad de energía.
ΔGº es el cambio en energía libre estándar. Ganancia o pérdida de energía libre, en calorías, cuando un mol de reactivo
se convierte a un mol de producto. Es la diferencia de energía libre estándar de los reactantes y la energía libre estándar
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de los productos. Representa el trabajo máximo que puede llevar a cabo una reacción química, la cantidad real de trabajo
hecho puede ser menor.
 Las reacciones con ΔGº negativo, son reacciones que desprenden energía (exotérmicas).
 Las reacciones con ΔGº positivo son reacciones que consumen energía (endotérmicas).
Por lo general las reacciones de destrucción de sustancias o reacciones catabólicas desprenden energía, mientras las
reacciones de construcción, o reacciones anabólicas requieren de energía, por eso anabolismo y catabolismo tienen que
acoplarse en un solo organizado, el metabolismo.
A continuación se presenta un cuadro de diversos tipos de reacciones y sus correspondientes G0
Tipo de reacción
Oxidaciones:
Hidrolisis:
Ionización:
C6H12O6+ 6O2→ 6CO2+ 6H2O
C3H6O3+ 3O2→ 3CO2+ 3H2O
CH32O2+ 23O2→ 16CO2+ 16H2O
C4H6O3+ H2O → 2[C2H3O2]–
C12H22O11+ H2O → 2C6H12O6
CH3COOH + H2O → H3O+ + CH3COO–
. ΔGº
Kcal= 1 Cal
- 686.0
- 326.0
-2338.0
-21.0
-7.0
+6.310
+ 0.75
Eliminación:
C4H6O5→ C4H2O2+ H2O
FUNCIÓN DE LAS ENZIMAS EN LOS PROCESOS BIOLÓGICOS.
Los principios de la termodinámica ayudan a predecir si una reacción puede ocurrir o no, pero no indican nada acerca
de la velocidad de esa reacción. Las células no pueden esperar mucho tiempo para que las moléculas de nutrientes se
desdoblen en forma espontánea, ni tampoco pueden utilizar condiciones extremas para hidrolizarlas. Las células
requieren la liberación constante de energía, y deben ser capaces de regularla para satisfacer las necesidades energéticas
del metabolismo.
Las células regulan las reacciones químicas mediante enzimas, que son proteínas que facilitan y agilizan la mayoría de las
reacciones que suceden en una célula, es decir, son catalizadores. Su función consiste en reducir la cantidad de energía
de activación necesaria para que inicie la reacción. Si estas proteínas no están presentes, las reacciones suceden muy
lentamente o no se presentan, además al acelerar las reacciones permiten que se lleven a cabo muchas veces y los
productos de la reacción se acumulen en cantidades suficientes. Las enzimas se unen a un sustrato (sustancia que inicia
en la reacción) que es específico, es decir, cada enzima tiene una sustancia (sustrato) a la que se une y no a otra; después
de la reacción quedan los productos que pueden unirse a otra enzima y continuar modificándose. Todas las enzimas que
una célula produce determinan su funcionamiento.
Casi todas las enzimas funcionan óptimamente a un pH entre 6 y 8, el nivel que prevalece en la mayor parte de los
fluidos corporales y que se mantiene dentro de las células.
La temperatura también afecta a la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas.
En resumen, la capacidad de una enzima para catalizar reacciones es controlada por: cantidad de enzima activa, niveles
de moléculas reguladoras, concentración de moléculas inhibidoras, concentración de sustrato, pH, temperatura,
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ambiente iónico, y en algunos casos la presencia de las coenzimas. Existen muchas enzimas, pero en general se clasifican
en:






Oxidorreductasas, que catalizan reacciones de óxido-reducción. Las reacciones redox se consideran como
transferencia de hidrógeno de un sustrato que se oxida a un aceptor que se reduce.
Transferasas, que pasan un grupo activo de una sustancia a otra, transfieren grupos de un compuesto donador a
un compuesto aceptor.
Hidrolasas, que rompen sustancias formadas por varios tipos de moléculas y dejan las sustancias pequeñas solas,
rompen hidrolíticamente uniones C-O, C-N, C-C y otros tipos de unión.
Isomerasas, que cambian un poco la conformación de las moléculas, catalizan cambios o geométricos o
estructurales dentro de una molécula.
Liasas, que rompen o hacen enlaces fuertes que no están en moléculas de mucha energía, rompen uniones C-O,
C-N, C-C, por eliminación dejando dobles ligaduras, o añadiendo grupos a dobles ligaduras.
Ligasas, que unen una o varias moléculas por medio de un nuevo enlace químico, catalizan la unión de dos o
más moléculas acoplada a la hidrólisis, con frecuencia la unión formada es de alta energía.
Completa el siguiente cuadro:
Enzima
Órgano donde
actúa
Lactasa
LKB1
Intestino delgado
Hígado
Enzima
Glucosa-6Fosfato
Eritrocitos
Deshidrogenasa
(G6PD).
Tripsina
Intestino
Función
Enfermedad
relacionada
Desdobla la
lactasa
a glucosa y
galactosa
Intolerancia a la
lactosa
Control de la
producción de
glucosa
Diabetes
Degradación de la
glucosa para la
obtención de
ATP
Hidroliza
proteínas
a aminoácidos
Anemia
Fibrosis quística
Síntomas
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GLOSARIO:
1º. Entalpía (del griego ἐνθάλπω [enthálpō], «agregar calor»; formado por ἐν [en], «en» y θάλπω [thálpō],
«calentar»). Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya variación expresa una
medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de
energía que un sistema intercambia con su entorno.
2º. Entropía: La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación. En
termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite
determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo, también se puede decir que mide
el grado de organización del sistema, o que es la razón de un incremento entre energía interna frente a un
incremento de temperatura del sistema. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos.
Coloquialmente, suele considerarse que la entropía es el desorden de un sistema, es decir, su grado de
homogeneidad. Un ejemplo doméstico sería el de lanzar un vaso de cristal al suelo: tenderá a romperse y a
esparcirse, mientras que jamás será posible que, lanzando trozos de cristal, se construya un vaso por sí solo.
3º. La energía libre de Gibbs: Es la energía liberada por un sistema para realizar trabajo útil a presión constante.
Ésta se representa con el símbolo G y considera ambos cambios de tal forma que:
∆G = ∆H – T∆S
http://www.jfinternational.com/mf/termodinamica.html