Cecilia García-Salas
19047
Microbiología Industrial
Sección 21
Resumen
Fundamentos físicos del metabolismo
Introducción – “Los organismos vivos existen en un estado dinámico estable, nunca en
equilibrio con su entorno”
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Las reacciones que ocurren dentro de las células requieren de una inversión de
energía.
Las moléculas y los iones contenidos en un organismo vivo difieren en tipo y
concentración de los que se encuentran en su entorno.
Aunque la composición de un organismo cambia poco con el tiempo (al alcanzar la
madurez), las moléculas dentro del organismo no son estáticas. Estas son
sintetizadas y descompuestas continuamente por medio de reacciones químicas.
o La tasa de síntesis o ingesta de las moléculas es equilibrada con la tasa de
descomposición, consumo o conversión en otro producto, por lo que la
concentración es constante (estado dinámico estable). Mantener este estado
requiere de una inversión constante de energía.
“Los organismos transforman la energía y materia de sus alrededores”
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Definiciones:
o Sistema: Todo lo que está dentro de una región definida del espacio, como
los reactivos, productos, solventes, etc.
Aislado: No se intercambia energía ni materia entre el sistema y los
alrededores.
Cerrado: El sistema intercambia energía, pero no materia con los
alrededores.
Abierto: el sistema intercambia energía y materia con los
alrededores.
o Universo: Está constituido por el sistema y sus alrededores.
Un organismo vivo Sistema abierto, intercambia energía y materia con sus
alrededores. Obtienen energía de 2 maneras:
1. Absorben sustancias químicas (ej. glucosa) del medio ambiente y los oxidan
para poder extraer energía
2. Absorben energía de la luz solar.
Entropía: Aleatoriedad o desorden de los componentes de un sistema químico.
o Ej. Oxidación de la glucosa (produce un gas y un líquido a partir de un
sólido y un gas)
“El flujo de electrones proporciona energía a los organismos”
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Casi todos los organismos obtienen su energía (sea directa o indirectamente) de la
energía de los rayos del sol.
o Autótrofos: Los enlaces de agua se rompen por acción de la energía solar
durante la fotosíntesis, lo que libera sus electrones para la reducción de CO2
y liberación de O2 a la atmósfera.
o Heterótrofos: Obtienen la energía al oxidar los productos ricos en energía
de la fotosíntesis, almacenados en las plantas. Luego, pasan los electrones
adquiridos al O2 atmosférico para formar agua, CO2, entre otros productos.
Las reacciones son de oxidación-reducción: Un reactivo se oxida (pierde
electrones), mientras que el otro se reduce (gana electrones)
“Crear y mantener orden requiere de trabajo y energía”
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La célula debe invertir energía tanto para formar los enlaces covalentes de las
subunidades que forman una molécula, como para ordenar dichas subunidades en su
secuencia correcta.
Energía libre de Gibbs (teórica sobre los cambios de energía en reacciones
químicas):
o ∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇∆𝑆
Entalpía: Refleja el número y tipos de enlaces
• Negativa (-) para una reacción que libera calor
Entropía: Describe el cambio en la aleatoridad del sistema
• Positiva (+) para una reacción que aumenta la aleatoridad del
sistema
Temperatura absoluta: se da en Kelvin
o Si la reacción ocurre de manera espontánea, la energía libre de Gibbs es
negativa (se libera energía libre en el proceso).
Reacción endergónica: Reacción termodinámicamente desfavorable, requiere de
energía.
Reacción exergónica: Reacción termodinámicamente favorable, libera energía.
La células acoplan a las reacciones endergónicas con las exergónicas, a modo que el
proceso general sea exergónico (la suma de los cambios de energía libre sea
negativo).
Fuente de energía libre en la rotura de los enlaces fosfoanhídridos como los del
trifosfato de adenosina (ATP).
“Reacciones de enlaces de acoplamiento de energía en biología”
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Bioenergética: Estudio de las transformaciones de energía en los sistemas vivos.
Estudia el medio por el cual la energía del metabolismo o de la luz es acoplada a las
reacciones de la célula que requieren energía.
Energía libre de Gibbs: La cantidad de energía disponible para hacer trabajo (una
parte se disipa en forma de calor). Es el cambio de energía a medida que el sistema
pasa de su estado inicial hacia el equilibrio (sin cambios de T o P).
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o Magnitud depende de: la reacción química en particular y de qué tan lejos
está el sistema del equilibrio.
En sistemas cerrados, las reacciones químicas proceden espontáneamente hasta que
se alcanza el equilibrio.
En las reacciones que ocurren de manera espontánea, los productos tienen menos
energía libre que los reactivos, entonces la reacción libera energía.
“Keq y Gº son medidas de la tendencia de una reacción a proceder espontáneamente”
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Constante de equilibrio Keq:
o Valor grande: Significa que la reacción tiende a proceder hasta que los
reactivos se convierten casi por completo en productos.
o Si Keq >> 1, Gº es grande y negativa
o Si Keq << 1, Gº es grande y positiva
o
o Las concentraciones son cuando el sistema ya ha alcanzado el equilibrio.
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Energía de Gibbs estándar Gº (J/mol):
o G es una función de la energía de Gibbs estándar Gº y de un término que
expresa las concentraciones iniciales de reactivos y productos.
o Es una constante característica para cada tipo de reacción.
o
o G es una medida de la distancia de un sistema de su estado de equilibrio,
por lo que, cuando la reacción está en el equilibrio G = 0
La degradación de ATP en las células es exergónica porque todas las células vivas
mantienen una concentración de ATP muy por encima de su concentración de
equilibrio.
“Las enzimas promueven secuencias de reacciones químicas”
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Macromoléculas son menos termodinámicamente estables que sus monómeros, pero
son más cinéticamente estables: Su descomposición natural es tan lenta, que, a una
escala de tiempo relevante, estas moléculas son estables.
Enzimas: biocatalizadores que mejoran la velocidad de las reacciones químicas sin
consumirse en el proceso.
o La unión de la enzima al estado de transición es exergónica y la energía
liberada reduce la energía de activación para la reacción.
Ruta metabólica: Serie de reacciones consecutivas, el producto de una reacción es
el sustrato de la siguiente.
Catabolismo: Reacciones que degradan moléculas para formar productos más
simples, liberando energía. Esta energía se usa para la síntesis de ATP.
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Anabolismo: Reacciones que sintetizan moléculas complejas a partir de sustratos
simples, requieren de energía.
Metabolismo: La red general de rutas catalizadas por enzimas, tanto catabólicas
como anabólicas.
“El metabolismo está regulado para lograr el balance y economía”
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Las moléculas son sintetizadas en las cantidades precisas que requiere la célula en
ese preciso instante.
Inhibición por retroalimentación: El sustrato acumulado empieza a actuar como
inhibidor para alertar que ya no hay que producir más de este.