Unidad 03 Bioenergética[1]

La Energa en los Seres Vivos

El Flujo Energtico en la Bisfera

Energa y Metabolismo

Enzimas

Hecho el depsito que marca la ley 11.723. Prohibida su reproduccin total o parcial. 1

El presente material de trabajo ha sido diseado con el propsito de orientar al alumno en el proceso de aprendizaje de la Biologa.

El alumno podr alcanzar un ptimo rendimiento en la cursada de esta materia, cuando logre una modificacin significativa y estable de sus conocimientos y sus pautas previas en lo referente a las Ciencias Biolgicas.

Con el objeto de ayudar a superar las dificultades que suelen plantearse durante el aprendizaje de esta asignatura, se efectan algunas sugerencias acerca del uso del material didctico y de la modalidad de cursada:

- Lea atentamente los OBJETIVOS y los CONTENIDOS de cada unidad del programa. Esto le permitir saber qu se espera que usted pueda lograr mediante el aprendizaje de la unidad (Objetivos) y qu temas sern tratados durante las clases (Contenidos).

- Resuelva la totalidad de los ejercicios, problemas y actividades que se proponen en cada unidad. Para hacerlo, recurra al material denominado Marco Terico de la Unidad, donde encontrar informacin orientadora.

- No dude en acudir al docente cada vez que lo crea necesario.

- Efecte todas las Autoevaluaciones propuestas. Esto le permitir hacer una estimacin propia acerca de la evolucin de sus conocimientos.


OBJETIVOS:

- Definir energa y ejemplificar sus diferentes formas. - Enunciar las leyes de la termodinmica y describir su relacin con la biologa.

- Relacionar la bioenergtica con el ecosistema. - Comprender el concepto de metabolismo. - Distinguir entre reacciones exergnicas y endergnicas. - Diferenciar catabolismo de anabolismo. - Conocer el concepto de enzima y las caractersticas de la actividad enzimtica.

- Comprender el mecanismo de regulacin enzimtica.

CONTENIDOS:

- BIOENERGETICA: Concepto de energa y ejemplos.

- Leyes de la Termodinmica y sus aplicaciones en Biologa.

- Ecosistemas: Ciclo de la materia, flujo de energa, cadenas y redes trficas,

pirmides ecolgicas.

- Metabolismo: Catabolismo Anabolismo.

- Reacciones endergnicas y exergnicas. Energa de activacin. Acoplamiento

energtico. ATP.

- Enzimas: Definicin. Caractersticas ( termolabilidad, especificidad, pH),

actividad enzimtica, concepto y mecanismos de regulacin. Coenzimas.


ALUMNO:.................................................................................. GUIA Nro.:........................................ FECHA:......................................................................................COMISIN: .......................................

Lea atentamente: En todos los seres vivos ocurren continuamente reacciones bioqumicas indispensables para el mantenimiento de las funciones vitales. Los organismos incorporan distintas sustancias que son usadas como combustible, en los procesos metablicos que liberan la energa almacenada en diferentes compuestos orgnicos. De esta manera, la vida implica un constante intercambio de materia y energa dentro de la clula, entre las clulas y de un individuo a otro. Los procesos metablicos estn sometidos constantemente a mecanismos de autorregulacin que mantienen a los organismos en un estado de equilibrio dinmico.

1- Explique con sus palabras el concepto de ENERGA: ..................................................................................................................................................

2- Existen distintas formas de energa?. Ejemplifique. ..................................................................................................................................................

3- Ejemplifique algn proceso de transformacin de energa en los seres vivos. ..................................................................................................................................................

4- A partir de la fuente primaria de energa, arme una secuencia de aprovechamiento y transformacin energtica, que incluya a productores ,consumidores y descomponedores.

5- Explique a continuacin los siguientes enunciados:

La energa fluye unidireccionalmente

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La materia recorre el ecosistema en forma cclica

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6- Cmo se puede relacionar la materia con la energa en los seres vivos?

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7- Qu diferencia existe entre una CADENA TRFICA y una RED TRFICA? ..................................................................................................................................................

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8- Lea el Marco Terico, analice los ejemplos y elabore una nueva cadena trfica.

9- Qu son las PIRMIDES ECOLGICAS?. Qu tipos hay? Cite ejemplos. ..................................................................................................................................................

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ALUMNO:.................................................................................. GUIA Nro.:........................................ FECHA:.....................................................................................COMISIN:.........................................

10- Conoce las leyes de la termodinmica?. Explquelas con sus palabras. ..................................................................................................................................................

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11- Qu diferencia existe entre un sistema abierto, uno cerrado y otro aislado? ..................................................................................................................................................

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12- a) Para completar:

METABOLISMO....................................................................................................................... CATABOLISMO....................................................................................................................... ANABOLISMO.......................................................................................................................... REACCIONES EXERGONICAS.............................................................................................. REACCIONES ENDERGONICAS............................................................................................

b) Realice un grfico que represente la variacin de energa durante una reaccin perteneciente a una va anablica y otro para una va catablica.

13- Incluya los siguientes conceptos en un texto de no ms de tres renglones: Nutrientes (alimento) Desechos Anabolismo Catabolismo Intermediarios .

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14- a)Explique con sus palabras qu es una ENZIMA.Cul es su funcin? ...............................................................................................................................................................

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b)Indique tres caractersticas. ..................................................................................................................................................

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c)Realice un esquema de un modelo de accin enzimtica y explquelo. ..................................................................................................................................................

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d)En qu consiste el mecanismo de regulacin alostrica? ....................................................................................................................................................

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15- Cmo influyen las variaciones de pH y temperatura en la accin enzimtica? Explique brevemente.

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ALUMNO:.................................................................................. GUIA Nro.:........................................ FECHA:.......................................................................................COMISIN:..................................................

16- Qu diferencia existe entre una coenzima y un cofactor? ..........................................................................................................................................................

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15- Lea las siguientes definiciones y coloque el concepto correspondiente:

__________: Reacciones qumicas por las cuales se combinan sustancias sencillas para formar otras ms complejas.

__________: Transformaciones que permiten la utilizacin de la materia y energa.

__________: Reacciones qumicas por las cuales las sustancias complejas se convierten en otras ms sencillas con liberacin de energa.

__________: Grupo de protenas que catalizan las reacciones qumicas.

__________: Iones metlicos que acompaan la accin de una enzima.

__________: rea delimitada que contiene un conjunto de elementos que se encuentran en constante interaccin e intercambian materia y energa con el entorno.

__________: Sucesin ordenada de organismos entre los que fluye energa.

__________: Representaciones grficas de la red alimentaria.

16- Explique el /los proceso /s metablico /s evidenciados en el siguiente diagrama:


CONCLUSIN:

a) Redacte con sus palabras una sntesis integradora de los temas desarrollados en esta gua. Puede confeccionar un mapa conceptual.

b) Construya un GLOSARIO con los trminos implicados en este mdulo. c) Proponga algunas lecturas complementarias. Conoce algn material audiovisual relacionado

con esta temtica?. d) Lea atentamente el siguiente texto y subraye las ideas principales.

BIBLIOGRAFIA:

Alberts, Bruce y col. La Clula. Omega.1996. Blanco, Antonio . Qumica Biolgica. El Ateneo.1997. Curtis H. Biologa. Mdica Panamericana. 2000. Curtis H.y Barnes N. Invitacin a la biologa. Mdica Panamericana. 1997. De Robertis E.D. y De Robertis E.M. Fundamentos de Biologa celular y molecular. El Ateneo. Bs.As. 1999 Karp, Gerard. Biologa Celular. Interamericana- Mc. Graw Hill. Chile .1998. Lehninger y Nelson- Principles of Biochemistry. N York Worth Publishing. USA. 1994. Smith y Wood, Molculas Biolgicas. Addison-Wesley. Iberoamericana-USA. 1998

ALUMNO:...........................................................................................GUIA Nro.:................................ FECHA:..............................................................................................COMISIN:.....................................


INTRODUCCIN

Todos los seres vivos requieren energa para desempear sus distintas actividades tales como crecer, reproducirse, reparar tejidos, moverse, responder a estmulos, etc. La realizacin de estas actividades requiere de gran cantidad de reacciones qumicas que ocurren en los organismos. Ese conjunto de transformaciones qumicas y energticas, que posibilita la vida, constituye el METABOLISMO (ver Unidad 1). Este conjunto de reacciones qumicas ocurre en el interior de las clulas, de manera ordenada, posibilitando la elaboracin de molculas y estructuras indispensables para la subsistencia.

La vida depende de la incorporacin constante de energa, ya que los organismos no pueden crearla ni reciclarla. Esto implica que hay un flujo energtico a travs de los seres vivos y a travs de la bisfera. La fuente natural de energa para la vida es el Sol, cuya energa lumnica es captada por los organismos productores y transformada en la energa qumica de los enlaces de hidratos de carbono, durante el proceso de fotosntesis. Parte de esta energa ser transferida a los organismos consumidores y a los degradadores. La energa capturada es utilizada para diversas funciones de los organismos. Durante estos procesos, parte de esa energa se transforma en calor y se disipa al medio ambiente.

ENERGIA

La palabra energa proviene etimolgicamente del griego: en: en ; ergon: trabajo. El concepto de energa se asocia con un trabajo o actividad, con el movimiento, con su transferencia, entendemos que puede ser acumulada, y sabemos que para poder producir un cambio en el estado o movimiento de la materia necesitamos energa. Podemos decir entonces que

La energa es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo.

Es importante aclarar que tambin la energa puede estar almacenada o liberarse en forma de calor.

La energa puede manifestarse en formas muy diversas, por ejemplo:

- Energa cintica: Es la que posee un cuerpo por estar en movimiento

- Energa potencial: Es la que tiene almacenada un cuerpo y puede ser gravitatoria cuando ese cuerpo se encuentra a una determinada altura, o elstica que es la energa que almacenan los cuerpos elsticos, o bien qumica que es la energa asociada a los diferentes materiales en funcin de su estructura y composicin qumica.

- Energa elctrica: Es la energa almacenada en cuerpos cargados y liberada a travs de flujo de electrones, es decir, corrientes elctricas.

- Energa sonora: Es la energa asociada a la propagacin del sonido. Se propaga por medio de ondas mecnicas.


- Energa Lumnica: Es la energa radiante que se manifiesta en forma de luz y puede provenir de fuentes naturales o artificiales. Se propaga por medio de ondas electromagnticas.

La termodinmica es la ciencia que analiza las transformaciones de la energa. Todas las actividades del universo son regidas por las leyes de la termodinmica desde la vida y la muerte de un organismo unicelular hasta la vida y la muerte de una estrella.

Primera ley de la Termodinmica

La energa puede convertirse de una forma en otra pero no puede ser creada ni destruida En cualquier sistema la energa total permanece constante a pesar de los cambios de forma que ocurran, no se crea ni se destruye, se transforma. En una reaccin qumica, la energa de los productos de la reaccin, mas la energa liberada de la reaccin misma es igual a la energa inicial de las sustancias que reaccionan. Nosotros, por ejemplo, convertimos energa qumica en la energa trmica necesaria para mantener nuestra temperatura corporal, as como en energa mecnica, energa elctrica y en otras formas de energa qumica.

Segunda ley de la Termodinmica

En todos los intercambios y las conversiones de la energa, si no entra ni sale energa en el sistema que se estudia, la energa potencial del estado final siempre es menor que la energa potencial del estado inicial. No es posible transformar en trabajo til toda la energa involucrada en un cambio, y todos los cambios que se producen espontneamente en la naturaleza ocurren con disminucin de energa porque parte de esa energa pasa al ambiente como calor y es irrecuperable para poder realizar un trabajo. Todo cambio espontneo, como por ejemplo la cada de una piedra, ocurre simultneamente con un aumento del desorden molecular, cuando la piedra choca con el suelo se caliente, aumenta el movimiento, el desorden de las partculas de la piedra y las del suelo contra el que choco. La energa liberada como calor en una conversin energtica no se destruye sino que se pierde para los fines prcticos, deja de estar disponible para realizar trabajo til, no es aprovechada, es calor que se disipa. Esta energa cambia a una forma desordenada denominada entropa o energa intil. Todos los procesos espontneos ocurren con un aumento de la entropa. La entropa de un sistema es una medida del grado de desorden o de aleatoriedad de ese sistema. Los procesos fsicos y qumicos ocurren de forma tal que la entropa del sistema se incrementa. El universo evoluciona hacia un mximo de entropa. La segunda ley de la termodinmica es la ms interesante desde el punto de vista biolgico y no se contradice con la primera ley, ya que la energa total del universo no disminuye con el tiempo, lo que ocurre es que la cantidad de energa disponible para hacer un trabajo sufre su degradacin hasta convertirse en un movimiento molecular desordenado, aleatorio. Los seres vivos estamos en constante lucha contra la segunda ley de la termodinmica, los ecosistemas y los organismos vivos que los habitamos dependemos de un continuo

Se entiende por sistema a toda porcin del universo que se delimita para ser estudiada. Existen tres tipos de sistemas: Sistemas cerrados: permiten intercambio de energa, pero no de materia. Por ejemploun termo cerrado, que no intercambia materia con su entorno. Sistemas abiertos: son los que intercambian materia y energa con el medio. Por ejemplo, un ser vivo. Sistemas aislados: no hay intercambio de materia ni de energa. Son sistemas hipotticos.


suministro de energa que se transfiere desde los productores a los consumidores y descomponedores. En la biosfera una parte de la energa solar es captada por los organismos fotosintticos y transformada por estos en molculas orgnicas que almacenan energa qumica que es transferida al resto de los seres vivos que la consumen recorriendo as el ecosistema y parte de la misma es cedida al medio en forma de calor.

La Energa Solar

El Sol es la estrella ms cercana a la tierra y est constituido por diversos componentes y fundamentalmente por la acumulacin de grandsimas cantidades de partculas atmicas de hidrgeno y de helio a muchos millones de grados centgrados de temperatura. La presin tambin es alta, de un billn de kilogramos por centmetro cuadrado. La energa solar que llega a la tierra es producida como consecuencia de las continuas reacciones de fusin nuclear que ocurren en el ncleo esfrico del sol que es de varios miles de kilmetros de tamao. La principal de estas fusiones ocurre cuando lo ncleos de hidrgeno se unen para formar un ncleo de helio. Hay opiniones diversas sobre el grado de mezcla del ncleo de helio con los dems componentes. Como consecuencia de las reacciones que ocurren (radiacin protn-protn) que convierten el hidrgeno en helio, la energa del sol es transformada en energa radiante, que es emitida al espacio en forma de luz. El sol transforma la energa nuclear en energa radiante. La energa solar llega a la tierra en forma de radiaciones electromagnticas. De todas estas radiaciones, constituidas por los rayos infrarrojos, los rayos gamma, los rayos X, los rayos ultravioletas, y la luz visible, es solo la luz visible la nica forma de energa utilizada por los vegetales.

El Sol y los Seres Vivos

El sol es la fuente primaria de energa para todos los seres vivos. La vida sobre la tierra depende de la energa radiante del sol. Todos los seres vivos necesitan energa para realizar sus funciones. Solo una pequea cantidad de la energa lumnica que llega a la tierra es utilizada por las plantas y las algas, organismos auttrofos, para transformarla en energa qumica mediante el proceso de fotosntesis. Los hetertrofos, incapaces de poder transformar la energa lumnica en energa aprovechable, obtienen energa consumiendo alimentos, es decir alimentndose de los auttrofos o de otros hetertrofos. El calor que recibimos del sol mantiene la temperatura de la tierra, permitiendo la vida de los distintos seres vivos, pero esa energa calrica no es utilizada por las plantas o por los animales, como energa til para producir un trabajo. La energa proveniente del sol es captada por los organismos fotosintetizadores y transformada en energa qumica. Esta fluye unidireccionalmente a travs de los organismos de un nivel trfico a otro y hacia el ambiente, ya que la mayor parte de la energa qumica se utiliza en el metabolismo y se disipa en forma de calor. De la energa que llega a la tierra, la mitad no tiene la longitud de onda utilizable para poder hacer fotosntesis, y la otra mitad, del 47% al 49,9% se pierde por reflexin, absorcin pasiva y transmisin; tan solo del 0,1% al 3% es fijado por las plantas. Los porcentajes promedios del total de energa lumnica utilizada para la fotosntesis difieren muy poco entre los distintos autores.


La figura representa un modelo aceptable de los porcentajes promedio de la cantidad de energa lumnica sobre la tierra.

Distribucin de la energa lumnica sobre la tierra

ENERGA Y ECOSISTEMAS

Qu es un ecosistema?

El ecosistema o sistema ecolgico es ante todo un sistema abierto, es decir, un conjunto de elementos o partes que se encuentran en constante interaccin, intercambiando materia y energa con el entorno. El eclogo ingls A. G. Tansley consider a los animales y a las plantas, junto a los factores fsicos que los rodean, como sistemas ecolgicos y fue quien denomin a este concepto ecosistema, que l interpreta como la unidad fundamental de la organizacin ecolgica. Dicho en otras palabras, un ecosistema es un rea delimitada, en forma natural o artificial, con contornos bien definidos, dentro de los cuales las interacciones que ocurren entre los organismos, y entre los organismos y el medio fsico que los rodea, son mximas.


ECOSISTEMA

FACTORES FACTORES

ABITICOS BITICOS

BIOTOPO BIOCENOSIS

Interacciones entre los componentes de un ecosistema

Los elementos constituyentes del ecosistema son los seres vivos y los componentes no vivos de la naturaleza. Los factores biticos, son los componentes vivos, como los animales, las plantas y los microorganismos. Cabe aclarar que los individuos de la misma especie se agrupan formando poblaciones, y stas a su vez forman comunidades. El conjunto de todas las comunidades de un ecosistema se denomina biocenosis. Los factores abiticos, son los componentes no vivos, como el suelo, el agua, el aire etc. El conjunto de los factores abiticos que forman el ambiente recibe el nombre de biotopo.

Algunos ejemplos de ecosistemas

Los ecosistemas presentan tanto lmites naturales, como lmites establecidos en forma arbitraria para su estudio. Citaremos algunos ejemplos de ecosistemas naturales: un pastizal pampeano, la laguna de Chascoms, el bosque andino-patagnico, el delta del Paran, el parque Chaqueo y el ecosistema del litoral atlntico, entre otros. Dentro del ecosistema bosque podemos aislar para su estudio un rbol cado, que constituye por si mismo un ecosistema. El gran ecosistema o bien, el conjunto de todos los ecosistemas terrestres es la bisfera. Existen tambin ecosistemas artificiales, creados por el hombre, que pueden ser microecosistemas como los terrarios, los acuarios, los lumbricarios etc. o macroecosistemas, tambin creados por el hombre, como un campo de cultivo, una represa, en estanque etc. Tambin podemos citar como ejemplo a una cuidad, pero debemos aclarar que, en ese caso, no se trata de un ecosistema autosustentable porque necesita intercambiar materia y energa con ecosistemas vecinos.


Anlisis funcional del ecosistema

Desde el punto de vista funcional, un ecosistema puede analizarse apropiadamente en los siguientes aspectos:

a) Flujo de la energa: La energa lumnica es esencial para el funcionamiento de los distintos ecosistemas terrestres. Como ya hemos dicho, la energa solar llega a la tierra, y una parte de ella es captada, transformada, utilizada y devuelta, en parte, en forma de calor. Atraviesa los ecosistemas, ya que fluye unidireccionalmente, en forma irreversible y prcticamente inagotable.

b) Ciclos de la materia: La materia recorre el ecosistema en forma cclica. Los productores sintetizan materia orgnica a partir de materia inorgnica. La materia orgnica es consumida por los distintos niveles de consumidores y los restos degradados, transformados en materia inorgnica por los descomponedores, son incorporados al suelo para ser utilizados nuevamente por los productores.

c) Cadenas trficas: Es la secuencia de relaciones alimentarias a travs de las cuales pasa la materia y la energa en el ecosistema. Este concepto ser desarrollado en las siguientes pginas.

d) Desarrollo y evolucin: El ecosistema no es una organizacin esttica, sino por el contrario, se trata de un estado dinmico en el que en forma permanente se realizan transformaciones que implican una evolucin en el tiempo.

Flujo de energa en el ecosistema

En el ecosistema, el "orden" es mantenido por el constante aporte de energa. La bisfera, los distintos ecosistemas y los organismos son capaces de crear y mantener un grado elevado de orden interior por medio de una asimilacin continua de energa de til (lumnica, qumica) que se disipa al medio como energa no til (calor).

El fluir de la energa es hacia un estado cada vez menos disponible y ms disperso. La tierra dista mucho de encontrarse en un estado es estabilidad con respecto a la energa, porque hay una gran cantidad de energa potencial y diferencias de temperatura que se mantienen por la continua corriente de energa que nos llega del sol.

De toda la energa que incide sobre la tierra, solo una porcin muy pequea es absorbida por los productores que sintetizan la materia orgnica a partir de materia inorgnica, mediante la captacin de energa lumnica que transforman en energa qumica. Pero solo una parte de esta energa se transforma y transfiere al alimento, el resto de la energa qumica ser utilizada por ellos mismos y otra parte se disipa al medio en forma de calor. Los consumidores herbvoros incorporan como alimento la materia orgnica elaborada por fotosntesis, y los carnvoros se alimentan de los herbvoros o de otros carnvoros. Los descomponedores incorporan materia orgnica en estado de descomposicin o putrefaccin, convirtindola en materia inorgnica. Los consumidores y los descomponedores tambin, como aclaramos en los productores, realizan transformaciones de energa til en calor.


De toda la energa retenida por los productores, el 90% es utilizada por ellos para mantener sus funciones vitales y para su funcionamiento en general, y parte retorna al medio en forma de calor. Solo el 10% queda disponible para el consumidor herbvoro. De la energa que recibe el consumidor primario, que para l representa el 100% puesto que es todo lo que obtiene, con el 90% satisface sus propios requerimientos energticos (movimientos, funciones vitales, digestin, respiracin, excrecin, reparacin celular, etc.) y como en cada reaccin metablica parte de esa energa til se transforma en calor, solo el 10% queda retenido en su biomasa, es decir, es la cantidad de energa que pasa al consumidor de segundo orden. El proceso se repite en igual proporcin al transferirse la energa al consumidor de tercer orden, y as, hacia todos los integrantes de la cadena trfica.

Queda claro entonces, por qu afirmamos que la energa fluye en el ecosistema en una sola direccin y que es imposible su reciclado. En cada nivel trfico los organismos reciben ms energa que la que pueden convertir en biomasa. Por lo tanto, cuantos ms pasos se produzcan entre el productor y el consumidor final, la energa que queda disponible es menor. Tambin de esto se deduce la imposibilidad de que las cadenas trficas estn compuestas por muchos niveles de consumidores. Rara vez existen ms de cuatro o cinco niveles en una cadena trfica.

C A L O R S O L

PRODUCTOR CONSUMIDOR CONSUMIDOR CONSUMIDOR PRIMARIO SECUNDARIO TERCIARIO

DESCOMPONEDORES

Flujo de la energa en el ecosistema

Ciclo de la materia

Los productores utilizan sustancias inorgnicas presentes en el suelo y en el aire para poder realizar la fotosntesis y as transformar esos compuestos en sustancias orgnicas que sern utilizados por ellos mismos y por los consumidores. La materia incorporada como alimento por los distintos consumidores, servir como materia prima necesaria para poder realizar todas sus funciones vitales y les permitir obtener energa mediante la realizacin de distintos procesos metablicos.

Los descomponedores actan sobre los restos de vegetales y animales muertos


transformando sus compuestos orgnicos en sustancias inorgnicas que vuelven al suelo y al aire para poder ser nuevamente utilizados por los productores.

PRODUCTORES

MATERIA CONSUMIDORES MATERIA INORGNICA ORGNICA

DEGRADADORES

Ciclo de la Materia

Cadenas trficas

Las interrelaciones trficas (del gr.trofos: alimento) que ocurren entre los organismos, permiten que la materia y la energa estn en constante dinmica en el ecosistema. Estas interrelaciones trficas determinan una transferencia permanente de la materia y de la energa acumulada en ella, de unos seres vivos a otros, que de esta manera aseguran su supervivencia. Una cadena trfica es una sucesin ordenada de organismos, en la que cada uno de sus integrantes se alimenta del que lo precede y es comido por el que lo sigue. Toda cadena trfica comienza por los productores, que constituyen el primer nivel trfico, los organismos que se alimentan de ellos, se denominan consumidores de primer orden, son los herbvoros, y representan el segundo nivel trfico de la cadena. Estos a su vez son alimento de los consumidores de segundo orden, que son carnvoros y constituyen el tercer nivel trfico de la cadena y sirven de alimento a consumidores de tercer orden que en ese caso constituiran el cuarto nivel trfico. Todos los individuos de cada nivel, son sustrato de los descomponedores. Es innumerable la cantidad de ejemplos de cadenas trficas que podemos establecer en los distintos ecosistemas, pero daremos uno de una cadena trfica del ambiente aeroterrestre y otro del ambiente acutico:

Trigo Langosta Araa Benteveo Comadreja

D e s c o m p o n e d o r e s

Representacin grfica de una cadena trfica del ambiente aeroterrestre


Fitoplancton Pulga de Camarn Mojarra Chanchita agua

D e s c o m p o n e d o r e s

Representacin grfica de una cadena trfica del ambiente acutico

Es importante tener en cuenta para la construccin de una cadena trfica que:

Toda cadena trfica comienza por un productor. Los distintos niveles trficos se unen con flechas que van desde el que es comido

hacia el que come, desde la presa al predador, es decir en la direccin en que fluye la energa.

Los organismos descomponedores actan sobre los restos de vegetales y animales muertos, por lo tanto deben llegar a stos flechas desde todos los niveles trficos integrantes de la cadena.

La cantidad de niveles trficos no es indefinida. Ya hemos analizado de que manera ocurre la transferencia energtica entre los distintos niveles, lo que imposibilita la presencia de gran cantidad de niveles de consumidores.

A travs de una cadena trfica podemos estudiar de manera acotada a un ecosistema, pero es solo una abstraccin terica, ya que en la naturaleza, ms precisamente en los ecosistemas, las cadenas se encuentran interrelacionadas entre s constituyendo redes trficas.

Redes trficas

En la naturaleza la comunidad bitica esta muy estructurada de forma tal que se da un gran nmero de interrelaciones trficas entre los organismos. En las redes trficas, cada eslabn u organismo de una cadena se enlaza con otro eslabn u otros eslabones de otras cadenas, formndose as un entramado complejo. Tambin quedan incluidos en stas mltiples interrelaciones los organismos descomponedores.


Langosta Mantis Araa Yarar

Perdiz Sapo

Hierbas Ratn Calandria

Vizcacha Carancho

Zorro Conejo

Representacin grfica de una red trfica del ambiente terrestre

Gracias a que en un ecosistema ocurren estas interrelaciones, se asegura la estabilidad del mismo. Si por alguna razn cualquiera de los componentes de una de las cadenas de la red desapareciera, su predador no morira porque cuenta con otras alternativas de alimentacin. Supongamos que por alguna razn, por ejemplo una enfermedad, todos los consumidores primarios de una cadena desaparecieran. En la red esta situacin traer solo algunas dificultades transitorias para el conjunto de los consumidores secundarios, ya que pronto desviarn sus intereses alimentarios hacia otra fuente, establecindose otros mecanismos de regulacin en toda la red que llegar a un nuevo punto de equilibrio.

PINGUINO EMPERADOR

CALAMARES PEZ DRAGN

FITOPLANCTON PETREL LARVAS DE FOCA DE PECES WEDDEL

ZOOPLANCTON PINGUINO SKUA FOCA DE ROSS

FOCA LEOPARDO CANGREJERA MARINO

Un ejemplo de red trfica del ambiente acutico BALLENA AUL ORCA


Pirmides ecolgicas

Son la representacin grfica en forma de pirmide, de la red alimentaria. Se construyen agrupando a los organismos pertenecientes a un mismo nivel trfico. En la base de la pirmide se coloca siempre a los productores y en los escalones superiores a los sucesivos niveles trficos. Cada pirmide representa un sistema particular en un perodo de tiempo determinado y permiten la comparacin de diferentes comunidades. Segn las caractersticas que se consideren se pueden realizar tres tipos diferentes de pirmides ecolgicas:

Pirmide de nmeros. Pirmide de biomasa. Pirmide de energa.

No consideramos para la construccin de ninguna de las tres pirmides ecolgicas a los descomponedores porque su nmero es tan grande y su peso tan pequeo que no podran graficarse convenientemente. Aun en el caso de las pirmides de la energa la consideracin de stos implica problemas para su construccin.

Pirmide de nmeros:

Expresan el nmero de individuos de cada nivel trfico. Para su construccin debemos sumar el nmero de individuos de cada nivel trfico y asignarle un escaln a cada nivel. Siempre la base de la pirmide ser ocupada por los productores. Los datos empleados se toman por medio de distintos tipos de muestreos de las poblaciones vegetales y animales. Los resultados se expresan en nmero de individuos por metro cuadrado o metro cbico segn se trate de comunidades terrestres o acuticas. Este tipo de pirmide ecolgica sirve para ilustrar la estructura de la comunidad, pero no resultan apropiadas si lo que se busca es comparar distintos ecosistemas. Segn los datos recogidos estas pirmides pueden darse en forma invertida y no reflejan las interacciones reales que hay en el ecosistema en estudio.

C3 : 50 Individuos /m2 C2 : 560.000 Ind./ m2 C1 : 1.120.000 Ind./ m2 P : 3.249.000 Ind./ m2

Representacin grfica de una pirmide de nmeros

C2: Oso hormiguero, 1. C1: Hormigas, 1.350.000. P: rboles, 1

Representacin grfica de una pirmide de nmeros invertida.


Pirmide de biomasa

Para la construccin de estas pirmides es necesario saber el peso seco (una vez eliminada el agua) de una muestra de los organismos presentes en cada nivel trfico, calculando a partir de este dato la biomasa total. La magnitud representada se expresa con las unidades convenientes para cada caso, por ejemplo: gr/cm2 , kg/m2, etc.

C2: Ballena, 25.000 C1: Zooplancton, 7.900 P: Fitoplancton, 5300

Representacin grfica de una pirmide de biomasa invertida

C2: Benteveos, 4 C1: Langostas, 125 P: Maz, 524

Representacin grfica de una pirmide de biomasa

Como hemos podido observar en las figuras precedentes la utilizacin de este tipo de pirmide tiene sus limitaciones. Tanto las pirmides de nmeros como las de biomasa, pueden dar invertidas y no nos indican dinamismo, velocidad ni renovacin del ecosistema. Para representar y poder observar la dinmica de un ecosistema se utilizan las pirmides de energa.

Pirmide de la energa

Se construyen teniendo en cuenta la productividad de cada nivel trfico expresada en caloras o en kilocaloras por unidad de superficie y de tiempo. Por ej. 454.000 kcal/m2/ao. Aunque ya ha sido explicado en el fluir de la energa en los ecosistemas, recordemos que, de la energa retenida por los productores, el 90 % es usada por los organismos de este nivel trfico para su funcionamiento y que parte de esa energa se disipa al medio en forma de calor. Solo un 10 % queda disponible para el consumidor primario. El proceso de transferencia energtica se repite en igual proporcin al transferirse la energa desde los consumidores primarios a los secundarios, de stos a los terciarios y as sucesivamente. Aclaremos que no se tienen en cuenta en la transferencia de energa a los parsitos (virus, bacterias y hongos, etc), que pueden actuar sobre todos los organismos vivos de los distintos niveles trficos. Si consideramos por ejemplo que una x cantidad de plantas retienen 6500000 kcal/m2/ ao, podremos deducir qu cantidad de energa recibe el consumidor ubicado en el


ltimo nivel trfico. Supongamos que dicha cadena esta constituida por cinco niveles trficos, el consumidor primario recibir 650000 kcal/m2/ ao, de esta energa el consumidor secundario solo recibe 65000 kcal/m2/ ao, de las cuales transferir 6500 kcal/m2/ ao al consumidor

terciario; el ubicado en el ltimo nivel trfico, es decir el consumidor cuaternario, slo obtiene 650 kcal/m2/ ao. Cabe aclarar que el modelo descripto representa un ideal en cuanto a la cantidad de energa transferida de un nivel trfico a otro, debido a que la productividad de cada nivel trfico varia entre un 5 y un 20%. Se considera eficiencia ecolgica o eficiencia de la cadena alimentaria al porcentaje de energa transferido desde un nivel trfico al siguiente.

C4: 650 kcal/m2/ ao C3: 6.500 kcal/m2/ ao C2: 65.000 kcal/m2/ ao C1: 650.000 kcal/m2/ ao P: 6.500.000 kcal/m2/ ao

Energa acumulada

Representacin de una pirmide de energa. Obsrvese en negro la energa acumulada y transferida.


ENERGA Y METABOLISMO

Metabolismo

Ya hemos mencionado que la realizacin de las actividades de los seres vivos requiere de gran cantidad de reacciones qumicas que ocurren en los organismos. Ese conjunto de transformaciones qumicas y energticas, que posibilita la vida, constituye el metabolismo. Las reacciones metablicas se diferencian en dos tipos principales: las catablicas y las anablicas

Las primeras son reacciones de degradacin de molculas complejas como monosacridos, lpidos, polisacridos, etc. , y esas sustancias son transformadas en molculas ms simples como dixido de carbono, agua, amoniaco etc. Debido a que las molculas complejas poseen una cierta cantidad de energa (que se requiri para su construccin), la degradacin de las mismas libera esa energa, por lo tanto son reacciones de tipo exergnico. El conjunto de las reacciones catablicas recibe el nombre de catabolismo.

Las reacciones anablicas: son de sntesis de molculas relativamente complejas como protenas, cidos nucleicos, polisacridos, etc., a partir de molculas ms sencillas, como dixido de carbono, agua, nitratos, etc. Adems, necesitan que se les proporcione energa, por lo cual son endergnicas. El conjunto de las reacciones anablicas se denomina anabolismo.

Acoplamiento energtico

Por sus caractersticas energticas, estos dos tipos de reacciones son interdependientes o complementarias: las anablicas se realizan con parte de la energa liberada por las catablicas, es decir, estn acopladas. Este acoplamiento energtico est a cargo de una molcula intermediaria que, generalmente, es la molcula de ATP (adenosn-tri-fosfato), un nucletido libre (ver Nucletidos, Unidad 2).

Frmula qumica del ATP: una molcula de adenina (izquierda)est unida a una ribosa (glcido de cinco carbonos, en el centro de la molcula) y sta, a su vez, se une

a tres grupos fosfato.

Representacin esquemtica del ATP: las dos ltimas uniones de los grupos fosfato (P) son enlaces de alta energa por lo que no se representan con lneas rectas. Estas uniones qumicas requieren gran cantidad de energa para formarse, y, por lo tanto, liberan mucha energa cuando se desprende un fosfato .


El ATP es conocido como la moneda energtica de las clulas, pues compra energa a las reacciones catablicas que la desprenden, la transporta en sus enlaces de alta energa y las vende a las reacciones anablicas que la utilizan, desprendindose de un grupo fosfato. Se transforma, entonces, en ADP (adenosn di-fosfato) ms un fosfato inorgnico liberado.

El ATP es el intermediario que transporta la energa en sus enlaces de alta energa- liberada por la ruptura de uniones qumicas en las reacciones catablicas. La lleva a las reacciones anablicas, que la requieren para la formacin de nuevos enlaces qumicos.

La Energa en las Reacciones Qumicas

Una reaccin qumica es la transformacin de una o ms sustancias llamadas reactivos en otra u otras llamadas productos. La estructura molecular y las propiedades de reactivos y productos son diferentes.

En la naturaleza, las reacciones ocurren junto a la transferencia de calor hacia el entorno o bien la absorcin de calor desde ste. Las reacciones en que se disipa calor al ambiente se llaman exotrmicas y son equivalentes a las ya mencionadas reacciones exergnicas. Aquellas en las que hay absorcin de calor, se denominan endotrmicas y equivalen a las endergnicas. Cada reaccin qumica ocurre a una determinada velocidad. La cantidad de reactivo que se transforma en producto durante una cierta unidad de tiempo es la velocidad de la reaccin.

Para iniciar una reaccin, es necesario modificar los enlaces qumicos de las sustancias reaccionantes. Esta activacin molecular requiere cierta absorcin de energa por parte de los reactivos, que se llama energa de activacin ( Ea ). Es la energa necesaria para que se desencadene una reaccin qumica.

Las reacciones catablicas suelen ser procesos de oxidacin, mientras que las anablicas son, generalmente, reacciones de reduccin. Las molculas que se oxidan, son las que pierden electrones al romperse sus enlaces qumicos. Estos electrones son ganados por otras molculas, que entonces se reducen. Por esto, la oxidacin y la reduccin ocurren simultneamente.

REACTIVOS transformacin

PRODUCTOS


En la materia inerte, las reacciones ocurren a muy baja velocidad, ya que se necesita una gran energa de activacin para provocarlas. Una forma de aumentar la velocidad de una reaccin, radica en proporcionar energa a los reactivos para acelerar su transformacin en productos, es decir modificar la energa de activacin. Esto puede lograrse, por ejemplo, entregando calor al sistema reaccionante.

Las molculas tienen un cierto contenido energtico propio (dado, entre otras cosas, por los movimientos de sus electrones, etc. ) En el caso de las sustancias reaccionantes, se denomina Energa Inicial ( Ei ), y, en el caso de los productos, Energa Final (Ef ). En las reacciones exergnicas se libera energa, por lo que la Ef del sistema es menor que la Ei. En las reacciones endergnicas hay un suministro neto de energa y, por lo tanto, el contenido energtico de los productos ( Ef ) es mayor que el de los reactivos ( Ei ).

E a

E i

E f

ENERGA

CURSO DE LA REACCIN

REACCIN EXERGNICA

La E inicial es mayor que la E final. Necesita E de activacin para la transformacin de reactivos en productos.

ENERGA

CURSO DE LA REACCIN

E a

E i

E f

REACCIN ENDERGNICA

La E inicial es menor que la E de los productos. Requiere de un aporte neto de energa, adems de la de activacin.


Las Enzimas: catalizadores biolgicos

Como ya se ha mencionado, una forma de aumentar la velocidad de una reaccin es proporcionar energa calrica a los reactivos para acelerar su transformacin en productos. Sin embargo, esto no es posible en el caso de las reacciones metablicas de los seres vivos, ya que las altas temperaturas desnaturalizan sus protenas (ver Desnaturalizacin, Unidad 2).

En las clulas, las transformaciones qumicas son muy rpidas; ocurren en minutos o en segundos. Adems, las temperaturas de los organismos vivos no suelen sobrepasar los 45 C. Todo esto es posible debido a la presencia de las enzimas : molculas proteicas que catalizan (aceleran) las reacciones bioqumicas y regulan el metabolismo.

El mecanismo de accin de las enzimas se basa en la reduccin de la energa de activacin requerida para modificar los enlaces de las molculas reaccionantes.

Gran parte de la historia de la bioqumica es la historia de la investigacin de las enzimas. El nombre enzima (en la levadura ) no se emple hasta 1877, pero mucho antes ya se sospechaba que ciertos catalizadores biolgicos intervenan en la fermentacin del azcar para formar alcohol. La primera teora sobre la catlisis qumica, publicada por J. J. Berzelius en 1835, sealaba que la hidrlisis del almidn se cataliza por la enzima diastasa con ms eficacia que por el cido sulfrico. Luis Pasteur reconoci que la fermentacin es catalizada por enzimas y postul, en 1860, que stas se hallaban ligadas con la estructura de las clulas vivas de la levadura. Por ello, fue un logro importante que, en 1897, E. Bchner consiguiera extraer las enzimas que catalizan la fermentacin alcohlica de las clulas de levadura. Esto demostraba que las enzimas pueden actuar independientemente de la estructura celular. En 1926 J. B. Sumner aisl por vez primera la enzima ureasa en forma cristalina y demostr que los cristales se hallaban constituidos por protena, contrariamente a la opinin que prevaleca en la poca. Sus puntos de vista no fueron aceptados inmediatamente. Recin entre 1930 y 1936, Northrop aisl la pepsina cristalizada, la tripsina y la quimiotripsina, y qued bien establecida la naturaleza proteica de las enzimas.

Mecanismo de Accin Enzimtica

La Curva A representa una reaccin qumica no catalizada . La Curva B representa la misma reaccin en presencia de enzimas. La energa de activacin de B es mucho menor que la de A, por lo cual la reaccin ocurre mucho ms rpidamente.


Las enzimas disminuyen la energa de activacin de los reactivos facilitando la modificacin de sus enlaces qumicos y el desarrollo de la reaccin. Esto se logra ya que la enzima reconoce al reactivo como su sustrato, se une a l y forma un complejo. As, se facilita el choque efectivo entre molculas reaccionantes y se forma el producto. La enzima ya no reconoce al reactivo transformado y lo libera, quedando lista para catalizar una nueva transformacin. La teora supone que el enzima E se combina en primer lugar con el sustrato S para formar el complejo enzima-sustrato ES; a continuacin este ltimo se separa en una segunda etapa, para formar enzima libre y producto P:

E + S [ES] E + P

La zona de la molcula enzimtica que se une al sustrato se conoce como sitio activo de la enzima. Este sitio es sumamente especfico, determina que la enzima pueda unirse a un cierto sustrato y no a otro.

La enzima no se une en forma permanente al sustrato ni es alterada durante la reaccin. Como catalizador, slo modifica la velocidad de la reaccin, no altera las condiciones iniciales de los reactivos ni las finales de los productos. Adems, no posibilita reacciones, solo acelera

transformaciones que, de todos modos, hubieran ocurrido, pero mucho ms lentamente.

El sustrato se une al sitio activo de la molcula enzimtica, formndose el complejo enzima-sustrato. Luego, ocurre la transformacin qumica y se forman los productos, que se separan de la enzima.

Las enzimas se designan aadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato cuya transformacin catalizan. Por ejemplo, la ureasa cataliza la hidrlisis de la urea produciendo amonaco y dixido de carbono; la arginasa, cataliza la hidrlisis de la arginina a ornitina y la fosfatasa, cataliza la hidrlisis de las uniones entre fosfatos..

Sitio Activo de la Enzima

Sustrato

Complejo Enzima-Sustrato

Enzima Productos


Los sitios activos se localizan sobre la superficie de las molculas enzimticas. La forma en que se unen enzima y sustrato se explica mediante dos modelos. El ms antiguo es el Modelo Llave-Cerradura, que propone que los sitios activos de las enzimas son como cerraduras de estructura fija, mientras que los sustratos son como llaves que encajan perfectamente en ellas. Ms recientemente, se ha propuesto el Modelo de Encaje Inducido. ste propone que cuando un sustrato se combina con una enzima, pueden inducirse cambios en la forma de la molcula enzimtica, ya que los sitios activos no seran rgidos como una cerradura. Los

cambios en la conformacin de la enzima provocaran tensin en los enlaces del sustrato favoreciendo su ruptura y, por lo tanto, su transformacin en producto.

Dos modelos para explicar la interaccin enzima-sustrato.

Los principios generales de la cintica de las reacciones qumicas son aplicables a las reacciones catalizadas por las enzimas, pero stas muestran tambin un rasgo caracterstico, que no se observa en las reacciones no enzimticas: la saturacin con el sustrato. En la figura se ve el efecto de la concentracin del sustrato sobre la velocidad de la reaccin catalizada por un enzima. A una concentracin de sustrato baja, la velocidad inicial de la reaccin es casi proporcional a la concentracin del sustrato (zona 1 de la curva). Sin embargo, a medida que la concentracin de sustrato aumenta, la

Sustrato

Enzima Complejo

MODELO LLAVE-CERRADURA

MODELO ENCAJE INDUCIDO

Enzima Complejo

Sustrato

1

2

3


velocidad inicial de la reaccin disminuye y deja de ser aproximadamente proporcional a la concentracin de sustrato (zona 2). Con un aumento posterior de la concentracin del sustrato, la velocidad de la reaccin llega a ser esencialmente independiente de la concentracin de sustrato y se aproxima asintticamente a una velocidad constante (zona 3). Se dice entonces que el enzima se halla saturada con su sustrato. Esto implica que toda la enzima disponible est catalizando y, por ms que se disponga de mucho sustrato, el sistema ha llegado a una velocidad mxima de transformacin. Todas las enzimas muestran el efecto de saturacin, pero varan ampliamente con respecto a la concentracin de sustrato que se necesita para que se manifieste. El valor conocido como KM representa la concentracin de sustrato correspondiente a la mitad de la velocidad mxima de la enzima, es decir, la mitad de la velocidad mxima de transformacin de sustrato en producto. El valor del KM de una enzima indica el grado de afinidad de sta por su sustrato; en otras palabras, qu tanto sustrato necesita una enzima para actuar a una velocidad media.

Sistemas multienzimticos

Las enzimas son las unidades catalticas del metabolismo. Actan, normalmente, de modo secuencial, catalizando reacciones consecutivas conectadas por intermediarios comunes, de modo que el producto de la primer enzima es el sustrato del siguiente, y as sucesivamente. Los sistemas enzimticos pueden comprender desde 2 hasta 20 o ms enzimas actuando en una secuencia. La mayor parte de las reacciones consecutivas del metabolismo, implican transferencia enzimtica de tomos de hidrgeno, de molculas de agua o de unidades funcionales especficas como grupos amino, acetilo, fosfato, metilo, carboxilo, etc.

En los sistemas ms sencillos, las enzimas individuales estn disueltas en el citoplasma como molculas independientes, no asociadas unas con otras en ningn momento durante su actuacin. Los intermediarios en un sistema enzimtico de esta naturaleza, que son, generalmente, molculas mucho menores que las de enzimas y poseen por tanto velocidades de difusin elevadas, se difunden muy rpidamente desde una molcula enzimtica a la siguiente de la secuencia.

El efecto de saturacin condujo a algunos de los primeros investigadores a postular que la enzima y el sustrato reaccionan reversiblemente para formar un complejo durante la reaccin. L. Michaelis y M. L. Menten desarrollaron, en 1913, una teora general acerca de la accin de las enzimas, la cual, fue ampliada posteriormente por G. E. Briggs y J. B. S. Haldane. Esta teora, que es fundamental para el anlisis cuantitativo de todos los aspectos de la cintica de las enzimas, se ha desarrollado plenamente para el caso sencillo de una reaccin en la que slo hay un sustrato. La teora de Michaelis~Menten supone que el enzima E se combina en primer lugar con el sustrato S para formar el complejo enzima-sustrato ES; a continuacin este ltimo se escinde en una segunda etapa, para formar enzima libre y producto P: E + S [ES] E + P Los estudios de Michaelis y Menten sobre cintica enzimtica llevaron a desarrollar una ecuacin de velocidad para reacciones. El KM o constante de Michaelis-Menten surge de esa ecuacin.


Modificaciones de la Actividad Enzimtica

Las enzimas actan mejor cuando se encuentran en un entorno de condiciones bien definidas, llamadas condiciones ptimas, como ser una temperatura apropiada, determinado pH (grado de acidez de una solucin acuosa), una cierta concentracin de sales, etc. Cualquier variacin de esas condiciones afecta la actividad enzimtica. Por ejemplo, las enzimas presentes en nuestra saliva, trabajan a un pH casi neutro catalizando la degradacin de ciertas molculas del alimento. Cuando el bolo alimenticio llega al estmago, el pH es muy cido y esas enzimas ya no tendrn actividad all. En el estmago, actuarn otras enzimas cuyo pH ptimo es cido.

Efecto del pH

La mayora de las enzimas poseen un pH caracterstico al cual su actividad es mxima; por encima o por debajo de ese pH la actividad disminuye. Por ejemplo, la tripsina es una enzima pancretica que cataliza la ruptura de protenas y su pH ptimo es de 8,5. La pepsina, en cambio, es una enzima digestiva del estmago que tambin cataliza la ruptura de enlaces peptdicos, pero su actividad es ptima a pH cido, 2.

El pH ptimo de una enzima no es necesariamente el pH de su entorno intracelular. Esto sugiere que la relacin pH-actividad normal puede constituir un factor de control intracelular de su actividad, ya que si la enzima abandona el compartimiento en el que ejerce su accin habitual, el cambio de pH impedir que tenga actividad en otro sitio.

Efecto de la Temperatura

Normalmente las enzimas se desactivan a altas temperaturas y tienen muy poca o nula actividad cuando las temperaturas son muy bajas.

Las velocidades de casi todas las reacciones catalizadas ezimticamente tienden a incrementarse cuando se eleva la temperatura, pero dentro de ciertos lmites, ya que por encima de los 50 o 60 C la actividad se pierde. Sin embargo, ciertas bacterias pueden sobrevivir en aguas de los manantiales trmicos que se encuentran a casi 100 C.


Efecto de la temperatura sobre la actividad de una enzima. La porcin descendiente de la curva se debe a la desnaturalizacin por temperatura.

Inhibicin enzimtica

La actividad de la mayora de las enzimas puede modificarse por inhibicin, es decir, por reduccin parcial o total de la capacidad cataltica. Es causada por agentes qumicos llamados inhibidores, que se unen a la enzima en forma irreversible o reversible.

En algunos casos, molculas de estructura muy semejante a la del sustrato normal de una enzima, se acoplan al sitio activo y se combinan con la enzima; sin embargo, el parecido no es suficientemente como para sustituir por completo al sustrato en la reaccin qumica, de manera que la enzima no puede catalizar su transformacin a productos de reaccin. Este tipo de inhibicin se conoce como inhibicin competitiva, ya que sustrato e inhibidor compiten por el sitio activo de la enzima.

El inhibidor competitivo slo ocupa el sitio activo por un tiempo, de manera que la enzima no sufre daos permanentes. De hecho, la inhibicin competitiva puede invertirse por un simple aumento en la concentracin del sustrato normal.

En otros casos, el inhibidor se fija a la enzima en un sitio que no es el activo. Esos inhibidores cancelan la actividad de la enzima al modificar la conformacin de sta. Este

INHIBICIN COMPETITIVA

La interaccin normal entre enzima y sustrato (arriba) y la accin inhibitoria causada por la unin de un falso sustrato impostor al sitio activo (abajo).


tipo de inhibicin se conoce como inhibicin no competitiva Muchos inhibidores no competitivos importantes son sustancias metablicas que regulan la actividad enzimtica al combinarse de modo reversible con la enzima.

Los inhibidores irreversibles se combinan con un grupo funcional de la enzima y de esa manera la desactivan permanentemente o incluso llegan a destruirla. Muchos venenos son inhibidores irreversibles. Los gases nerviosos, por ejemplo, envenenan la enzima acetilcolinesterasa, que es fundamental para el funcionamiento de nervios y msculos. La citocromo oxidasa, una de las enzimas del sistema de transporte de electrones del mecanismo de respiracin celular, es muy susceptible al cianuro. La muerte por envenenamiento con cianuro es el resultado de la inhibicin irreversible de la citocromo oxidasa, lo que suspende el paso de electrones desde el sustrato hasta el oxgeno.

Varios insecticidas y antibiticos son inhibidores enzimticos irreversibles. La penicilina es un buen ejemplo de esos antibiticos. Este compuesto y los qumicos afines inhiben una enzima bacteriana, la transpeptidasa, cuya funcin es el establecimiento de los enlaces qumicos del material con el que se integra la pared celular bacteriana. Incapaces de formar nuevas paredes celulares, las bacterias dejan de multiplicarse. Puesto que las clulas del cuerpo humano carecen de pared celular y no utilizan la enzima en cuestin, la penicilina es innocua para el ser humano, a menos que la persona resulte alrgica al antibitico.

Las enzimas por s mismas pueden funcionar tambin como venenos si se intro-ducen en un compartimiento inadecuado del cuerpo. Basta con 1 mg de tripsina cristalina, inyectada por va intravenosa, para matar una rata: Varios tipos de venenos de serpientes, abejas y alacranes son peligrosos porque contienen enzimas que destruyen las clulas sanguneas y de otros tejidos.

Efecto Alostrico

En muchas vas metablicas el producto final de la secuencia de reacciones puede actuar como un inhibidor especfico de una enzima situada al comienzo de la secuencia o muy prxima a l, lo cual determina que la velocidad de la secuencia completa de reacciones resulte condicionada por la concentracin de producto final, en el estado estacionario. Este tipo de inhibicin se designa de diversas maneras: inhibicin por el producto final, inhibicin feed-back o retroinhibcin. La primera enzima de esta secuencia, que es inhibida por el producto final, se llama enzima alostrica, nombre propuesto por J. Monod, J. P. Changeux y F. Jacob, del Instituto Pasteur de Pars, que fueron los primeros que desarrollaron una amplia teora para la funcin de este tipo de enzimas reguladores. El trmino alostrico significa otro espacio u otra estructura;

Las enzimas alostricas poseen, adems del sitio activo, el otro sitio al que se enlaza de modo reversible y no covalente el efector o modulador. En general, el centro alostrico

INHIBICIN NO COMPETITIVA

Un inhibidor se une a la enzima en un sitio distinto del sitio activo, causando un cambio en la estructura de ste. La interaccin normal entre enzima y sustrato no puede darse.


es tan especfico para la unin del modulador, como el sitio activo lo es para la unin del sustrato. Algunos moduladores, son inhibidores, y por ello se les denomina moduladores inhibidores o negativos.

Otras enzimas alostricas pueden tener moduladores positivos o estimuladores. Cuando un enzima alostrico posee solamente un modulador especfico, se dice que es monovalente. Algunas enzimas alostricas responden a dos o ms moduladores especficos, cada uno de ellos unido a un centro especfico del enzima; se dice entonces que son polivalentes. Adems una misma enzima alostrica puede poseer tanto efectores

positivos como negativos. La primera etapa en una secuencia de reacciones, es decir, la etapa catalizada por la

enzima alostrica designa como reaccin determinante; una vez que se ha producido, se verifican todas las dems reacciones subsiguientes de la secuencia. Desde luego, cons-tituye una estrategia por parte de la clula el regular una ruta metablica en la etapa inicial, para conseguir as la mxima economa de metabolitos. Asimismo, existe la activacin alostrica efectuada por el precursor de la va metablica.

Las enzimas alostricas poseen, generalmente, pesos moleculares mucho mayores, son ms complejas y con frecuencia son protenas de estructura cuaternaria. No muestran el clsico comportamiento cintico descrito por Michaelis-Menten, sino una curva sigmoidea (con forma de letra S).

VA METABLICA Es una secuencia ordenada de reacciones en la clula. Cuando se acumula producto final Z, ste acta como modulador alostrico negativo, inhibiendo la enzima E1 y deteniendo la va. Cuando falta Z y se acumula A, ste acta como efector positivo de E n, activando la va productora de Z.

REGULACIN ALOSTRICA Estas enzimas responden a las concentraciones crecientes de los moduladores positivos, con un descenso del KM, y al incremento de las concentraciones de los moduladores negativos o inhibidores, con un incremento de la KM, aparente, de modo que a una concentracin fija no saturante del sustrato, la velocidad de reaccin aumenta en presencia de un modulador positivo o activador, y disminuye en presencia de un modulador inhibidor. La Vmax de la enzima permanece constante.

KM 1 KM 2

Vmax

Vmax


Adems de la regulacin por enzimas alostricas, existen otros mecanismos de regulacin metablica, que no sern tratados en el presente material.

Coenzimas y Cofactores

La actividad de algunas enzimas depende solamente de su estructura como protenas, mientras que otras necesitan, adems uno o ms componentes no proteicos para ejercer su funcin. stos pueden ser cofactores, si son iones metlicos, como el Mg++, Mn++, Fe++, o ser una molcula orgnica, no proteica, llamada coenzima. Algunas enzimas necesitan tanto de cofactor como de coenzima para tener actividad cataltica.

En las enzimas, cofactor metlico puede actuar como grupo puente para reunir el sustrato y la enzima, o actuar como agente estabilizante de la conformacin de la protena enzimtica en su forma catalticamente activa. En algunas enzimas, el componente metlico, por s solo, ya posee una actividad cataltica primaria, muy incrementada a su vez por la protena enzimtica; por ejemplo, la catalasa, es una enzima que cataliza la descomposicin muy rpida del perxido de hidrgeno (agua oxigenada), en agua y oxgeno y tiene hierro como cofactor.

Las coenzimas suelen contener, como parte de su estructura, una molcula de alguna de las vitaminas; stas son sustancias orgnicas que, en cantidades mnimas (trazas) , son vitales para la funcin de todas las clulas, y deben figurar en la alimentacin de los hetertrofos. Las coenzimas son intermediarios en el transporte de grupos funcionales, de tomos especficos o de electrones, que son transferidos durante la reaccin enzimtica. Los nucletidos como el NAD y el FAD actan como coenzimas en algunas reacciones de la respiracin celular y de la fotosntesis (ver Nucletidos, Unidad 2). Otro ejemplo lo constituye la Vitamina C, que acta como coenzima en una de las reacciones durante la sntesis del colgeno. La falta de esta vitamina causa la enfermedad conocida como escorbuto, debida a la deficiencia de colgeno.

Enzimas y Compartimentalizacin Celular

En las clulas eucariontes, las distintas enzimas y los sistemas multienzimticos estn localizados en distintos compartimientos, organelas o estructuras celulares. As, el sistema enzimtico para degradar la glucosa se encuentra en el citosol (porcin soluble del citoplasma), mientras que las enzimas implicadas en la oxidacin de cidos grasos, algunos aminocidos y el piruvato, se hallan en la mitocondria.

La compartimentalizacin de los sistemas enzimticos permite tambin el control y la integracin de algunas actividades intracelulares. Por ejemplo, la biosntesis de la glucosa precisa de una compleja serie de enzimas, algunas localizados en la mitocondria, y otras en el citosol. La velocidad de esta reaccin global depende no solamente de la actividad de las enzimas reguladoras en ambos compartimientos, sino tambin de las velocidades de intercambio de los intermediarios esenciales a travs de las membranas mitocondriales.


1. Explique brevemente cul es la importancia de cada uno de los aspectos que se tienen en cuenta al analizar un ecosistema desde el punto de vista funcional.

2. Considere una cadena trfica constituida por cuatro niveles trficos. Si los consumidores ubicados en el ltimo nivel reciben 980 Kcal/m2 ao, cul es la cantidad de energa retenida por los productores de dicha cadena?

3. Discuta si la Segunda Ley de la Termodinmica se contradice con la Primera. 4. Cite ejemplos de ecosistemas naturales y artificiales. 5. Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y jusifique en cada

caso su eleccin: a. La materia recorre el ecosistema en forma cclica y la energa fluye

unidireccionalmente. b. Mientras usted duerme, no realiza transformaciones de energa. c. En los consumidores, la energa solo se manifiesta como mecnica y

qumica d. Un ecosistema en equilibrio no puede prescindir de los

descomponedores 6. Explique de qu manera acta el ATP en el acoplamiento energtico 7. Qu efectos produce la temperatura sobre la actividad enzimtica? 8. Qu significa que las enzimas tienen especificidad biolgica? 9. a. Qu tipo de enzimas representa el siguiente grfico? Justifique

b. Sobre la base del mecanismo de Inhibicin Competitiva, explique cmo acta un antibitico.

10. Algunas enzimas requieren de molculas no proteicas para cumplir su funcin. . ..Indique, para la siguiente reaccin:

Enzima Gliceraldehdo 3-fosfato 3-fosfoglicerato

NAD NADH+H+

a. Qu funcin cumple el NAD? De qu tipo de molcula se trata? b. Podra tener lugar la reaccin en ausencia del NAD? Explique.

11. Redacte un prrafo breve relacionando los siguientes conceptos:

efecto de la temperatura sobre la actividad enzimtica / preservacin de alimentos en fro

PROBLEMAS de APLICACIN


1. Un ecosistema se encuentra en equilibrio si est constituido por: a. decomponedores, productores y

consumidores b. slo componentes del biotopo c. solo componentes de la biocenosis d. solo consumidores y descomponedores

2. Cul es la cantidad de energa que recibe un consumidor de tercer orden (terciario) si el productor de la cadena retiene 7.000.000 Kcal/m2 ao? a. 5.003.000 Kcal/m2 ao b. 700.000 Kcal/m2 ao c. 70.000.000 Kcal/m2 ao d. 7000 Kcal/m2 ao

3. Cul de las siguientes interrelaciones trficas asegura ms estabilidad alimentaria en un ecosistema dado? a. una cadena de cuatro niveles. b. tres cadenas interrelacionadas c. una red con 15 cadenas

interrelacionadas d. una red con 20 cadenas no

interrelacionadas

4. El ATP brinda su energa para hacer posible una reaccin : a. catablica y endergnica b. anablica y endergnica c. catablica y exergnica d. anablica y exergnica.

5. Cul de las siguientes frases referidas a las enzimas es verdadera? a. actan siempre unidas a una

coenzima b. poseen siempre la misma Ea c. no alteran la Ei ni la Ef de las

reacciones que catalizan d. no son afectadas en su actividad por

modificaciones del pH

6. Dado el siguiente grfico de cintica enzimtica, seale la frase correcta teniendo en cuenta que las curvas corresponden a una misma reaccin y enzima:

a. la curva B indica una enzima micaeliana

b. la curva B indica menor afinidad enzima/sustrato que la A

c. la curva B indica modulacin positiva d. la curva A indica mayor afinidad

enzima/sustrato que la B

7. En los compuestos qumicos la energa disponible para el metabolismo se encuentra en los: a. tomos aislados b. ncleos atmicos c. enlaces covalentes d. puentes de hidrgeno

8. Una va metablica est regulada por un proceso de feed-back o retro alimentacin negativa si: a. altas concentraciones de sustrato

inhiben la formacin de producto final b. bajas concentraciones de sustrato

activan la formacin de producto final c. bajas concentraciones de producto

final actan como inhibidor alostrico de la ltima enzima de la va

d. altas concentraciones de producto actan como inhibidor alostrico de alguna de las primeras enzimas

9. Cul de los siguientes enunciados define la funcin de la molcula de ATP? a. Molcula de reserva energtica. b. Coenzima. c. Molcula de intercambio energtico d. Cofactor.

10. Un inhibidor enzimtico competitivo: a. disminuye el valor de la Vmax b. aumenta el valor de la Vmax c. puede actuar como cofactor o

coenzima d. puede actuar como antibitico

AUTOEVALUACIN

[S]

Act.

A B


Coloque una cruz en el casillero correspondiente a la opcin correcta:

PREGUNTA OPCIN A B C D 1 x 2 x 3 X 4 X 5 X 6 X 7 X 8 X 9 X

10 X

FIRMA DEL ALUMNO:

GRILLA DE RESPUESTAS PARA LA AUTOEVALUACIN

ALUMNO:......................................................................................GUA N:........................ FECHA:.........................................................................................COMISIN: ...................

Unidad 03 Bioenergética[1]

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