Diseño molecular de la vida: obtención y consumo de energía

TEMA 16: DISEÑO MOLECULAR DE LA VIDA: OBTENCIÓN Y CONSUMO DE ENERGÍA ¿QUÉ ES LA ENERGÍA?

La energía es la capacidad para realizar trabajo o producir cambios. Por ejemplo: mover un objeto, calentar algo, encender una luz, etc.

• Tipos básicos de energía Tenemos dos tipos principales:
• Energía potencial
• Es energía almacenada.
• Un ejemplo muy claro es el de una persona en lo alto de un trampolín: está quieta, pero tiene energía acumulada por estar en una posición elevada.
• Cuando salte, esa energía almacenada se va a transformar.
• Energía cinética
• Es la energía del movimiento, la que está “en acción”.
• En el mismo ejemplo del trampolín, al lanzarse y caer al agua, esa persona tiene energía cinética, porque está en movimiento.
• Transformación entre tipos de energía
• La energía cinética se puede transformar en potencial y viceversa.

Por ejemplo:

• Subes una cuesta en bici (usas energía cinética para ganar altura → se convierte en energía potencial).
• Luego bajas la cuesta (esa energía potencial se convierte en cinética).
• Otros tipos de energía mostrados en la imagen Además de la energía potencial y cinética, se muestran otras formas de energía que usamos en la vida diaria:
• Energía luminosa:

Es la energía que emite la luz, como la que proviene del sol.

• Energía calorífica:

Es el calor. Por ejemplo, el calor del sol o el de una estufa.

• Energía eléctrica:

Es la que hace funcionar nuestros aparatos eléctricos. Puede venir, por ejemplo, de una central hidroeléctrica (como se ve en el dibujo).

• Energía química:

Es la que está almacenada en los alimentos, en la madera, en la gasolina, etc.

Se libera cuando hay una reacción, como cuando se quema la leña o el cuerpo humano transforma la comida en energía.

LEYES DE LA TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA

➤ Primera Ley de la Termodinámica “La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”.

Esto significa que la cantidad total de energía en un sistema (por ejemplo, un coche, una célula, o el universo) siempre es la misma, aunque se transforme de una forma a otra.

Ejemplo:

En un coche, la energía química de la gasolina se convierte en:

• Energía cinética (movimiento del vehículo),
• y energía térmica (calor que se disipa por el motor).

Importante: La energía no desaparece. Solo cambia de forma.

➤ Segunda Ley de la Termodinámica “En cada transformación energética, parte de la energía se pierde en forma no utilizable”.

Es decir, no toda la energía transformada puede usarse para trabajar. Siempre se pierde algo, generalmente en forma de calor.

Ejemplo del coche:

• De 100 unidades de energía química en la gasolina,
• solo 25 unidades se usan para mover el coche (energía cinética),
• y 75 se pierden como calor.

Ningún proceso es 100% eficiente, ni siquiera en los seres vivos.

➤ Segunda Ley aplicada al orden de la materia Si no se aporta energía, el desorden (entropía) siempre aumenta.

• La entropía es una medida del desorden.
• En la naturaleza, los sistemas tienden a desordenarse si no reciben energía del exterior.

Ejemplo: Una habitación se desordena sola si no haces nada. Para mantenerla ordenada, tienes que hacer un esfuerzo (aportar energía).

¿CÓMO PUEDE EXISTIR LA VIDA SI TODO TIENDE AL DESORDEN?

Los seres vivos captan energía del entorno (como la luz solar), y gracias a eso, mantienen el orden interno.

• La vida no contradice la segunda ley de la termodinámica, porque el aumento de orden en un organismo va acompañado de un aumento del desorden (entropía) en el ambiente.
• La vida existe porque usa energía constantemente, por ejemplo, del sol.

¿Cómo se transforma la energía?

 Una reacción química es un proceso en el rompen enlaces químicos y se forman otros nuevos entre los átomos.

TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA EN REACCIONES QUÍMICAS

 Las reacciones químicas pueden ser de dos tipos: exergónicas y endergónicas.

Las reacciones químicas son procesos donde se rompen enlaces entre átomos y se forman otros nuevos, transformando sustancias.

Ejemplo:

• Quemar propano con oxígeno da lugar a:
• dióxido de carbono + agua + energía en forma de luz y calor. Dióxido Energía Propano Oxígeno de Agua (calor y luz) carbono ➤ Tipos de reacciones: Reactivos Productos (sustratos)
• Exergónicas: liberan energía (como quemar combustible).
• Endergónicas: requieren energía para realizarse (como la fotosíntesis).

CAPTACIÓN Y USO DE ENERGÍA POR LOS SERES VIVOS

➤ ¿Cómo obtienen energía los seres vivos?

Los seres vivos no crean energía: la captan del ambiente y la transforman.

• Plantas: captan energía del sol mediante la fotosíntesis.
• Animales y humanos: obtienen energía comiendo (alimentos = energía química).

Esa energía se usa para:

• Moverse,
• Mantener el orden interno,
• Hacer funcionar las células,
• Crecer y reproducirse.

USO DE LA ENERGÍA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS CELULARES

En las células ocurren miles de reacciones químicas. Todas estas reacciones están controladas y requieren o liberan energía.

Dos tipos de reacciones (repetimos, pero ahora en contexto celular):

TIPO DE REACCIÓN ENERGÍA EJEMPLO

Exergónica Libera energía Respiración celular, digestión Endergónica Requiere energía Fotosíntesis, síntesis de proteínas Estas reacciones se encadenan unas a otras para que la energía de unas alimente a otras.

REACCIONES EXERGÓNICAS Y ENDERGÓNICAS: CÓMO SE USA LA ENERGÍA EN LA VIDA

Las células realizan dos tipos de reacciones químicas según cómo manejan la energía:

➤ Reacciones exergónicas: liberan energía

• Se describen como “cuesta abajo”: van de un nivel alto de energía a uno bajo.
• El resultado es que se libera energía que puede ser usada por el organismo.

Ejemplo típico: La respiración celular:

• En ella, la glucosa se descompone y se libera energía que la célula usa para funcionar.

➤ Reacciones endergónicas: requieren energía

• Son “cuesta arriba”: pasan de sustancias con baja energía a productos de alta energía.
• No pueden ocurrir solas: necesitan un aporte de energía para llevarse a cabo.

Ejemplo: La fotosíntesis:

• Con dióxido de carbono y agua (baja energía) se forma glucosa y oxígeno (alta energía).
• Esto solo es posible gracias a la energía del sol.

Reacciones acopladas  Los seres vivos utilizan la energía producida en reacciones exergónicas para impulsar las endergónicas.

 Las reacciones a menudo se efectúan en diferentes lugares, por lo que

REACCIONES ACOPLADAS: CÓMO SE CONECTAN UNAS CON OTRAS

también se necesita alguna forma de transporte.

Las células acoplan reacciones exergónicas con reacciones endergónicas para aprovechar la energía que se libera y usarla donde se necesita.

Energía Energía ➤ ¿Qué significa “acoplar”? Sustrato 1 Producto 2

• La energía que se libera en una reacción exergónica se usa Energía directamente para alimentar una reacción endergónica.
• Este proceso no siempre ocurre en el mismo sitio, por eso muchas veces se necesita:
• Transportar energía, por ejemplo, usando el ATP.

Ejemplo real en el cuerpo:

• Se descompone glucosa (exergónica → libera energía),
• esa energía se usa para formar proteínas o mover músculos (endergónicas → requieren energía).

TRANSPORTADORES DE ENERGÍA

Las células no solo producen y consumen energía: también necesitan transportarla de un sitio a otro. Para eso utilizan unas moléculas especializadas llamadas transportadores de energía.

➤ 1. ATP (Adenosín Trifosfato)

• El ATP es el principal transportador de energía en las células, es la “moneda energética” de ellas.
• Su nombre completo es adenosín trifosfato.
• Es una molécula que almacena y transporta energía dentro de la célula.
• Cuando una célula necesita energía, rompe uno de los enlaces del ATP, liberando energía útil.
• Funciona como una especie de “batería portátil”:
• Cuando rompe uno de sus enlaces fosfato, libera energía que puede usar la célula.
• Es muy versátil: puede llevar energía a cualquier parte de la célula para:
• contraer un músculo,
• hacer funcionar una bomba celular,
• o construir una proteína.

➤ 2. NAD⁺ (Nicotinamida Adenina Dinucleótido

• Es un transportador de electrones.
• Se encuentra en forma oxidada (NAD⁺) y cuando acepta electrones, se convierte en NADH.
• Participa en muchas reacciones, sobre todo en la respiración celular, donde lleva electrones a la cadena de transporte electrónico, que es la parte donde se genera la mayor cantidad de ATP.

➤ 3. FAD (Flavina Adenina Dinucleótido)

• Funciona parecido al NAD⁺.
• También acepta electrones, convirtiéndose en FADH₂.
• Trabaja en reacciones del ciclo de Krebs, dentro de la respiración celular.

🔹 ¿Por qué son tan importantes estos transportadores?

• Permiten que la energía llegue justo donde se necesita, sin que se pierda.
• Ayudan a conectar reacciones exergónicas y endergónicas, formando parte del sistema de reacciones acopladas.
• Son fundamentales para mantener la vida celular, ya que sin ellos la célula no podría organizar ni distribuir la energía de forma eficiente.

¿CÓMO ALMACENA Y LIBERA ENERGÍA EL ATP?

El ATP (adenosín trifosfato) tiene tres grupos fosfato. La clave está en el último enlace entre estos grupos.

• Para formar el ATP a partir de ADP (adenosín difosfato) y un fosfato libre, hace falta mucha energía.
• Esta energía se capta de una reacción exergónica (por ejemplo, la descomposición de la glucosa).
• El nuevo ATP queda con esa energía guardada en el enlace que une el fosfato añadido.

➤ ¿Cómo la libera?

• Cuando la célula necesita energía, rompe el último enlace del ATP, convirtiéndolo de nuevo en ADP + fosfato.
• Esa rotura libera energía útil, que la célula usa donde lo necesita: para fabricar proteínas, mover estructuras, transportar sustancias, etc.

🔹 ¿Por qué el ATP es tan eficaz?

• Es rápido de recargar y fácil de usar.
• Es portable: se mueve fácilmente dentro de la célula.
• Es específico: solo se activa en los sitios donde hace falta energía.

REACCIONES DE OXIDACIÓN Y REDUCCIÓN (REDOX)

Estas reacciones son fundamentales en el metabolismo energético.

• Oxidación = pérdida de electrones
• Reducción = ganancia de electrones Van siempre unidas: si una sustancia se
• xida, otra se reduce. Son esenciales en procesos como la respiración celular o la fotosíntesis.
• Þ Portadores de electrones Además del ATP, hay moléculas que transportan energía en forma de electrones:
• NADH (derivado de NAD⁺)
• FADH₂ (derivado de FAD) Estos compuestos llevan electrones a la cadena de transporte electrónico, donde se produce gran parte del ATP.
• Þ Metabolismo
• El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren en un
• rganismo.
• Estas reacciones se organizan en rutas o vías metabólicas que se Metabolismo encadenan unas con otras.
• Todas estas rutas se entrecruzan y forman una red muy compleja dentro de la célula.

Las rutas metabólicas de una célula se entrecruzan formando una red muy compleja.

Catalizadores  Para aumentar la velocidad de la reacción los seres vivos utilizamos catalizadores.

 Los catalizadores aceleran las reacciones disminuyendo la energía de activación, de manera que las moléculas de reactivo tienen que absorber menos energía para alcanzar el estado de transición y

• Þ CATALIZADORES convertirse en producto.

Los catalizadores aceleran las reacciones sin consumirse. catalizador

• Disminuyen la energía de activación, haciendo que las reacciones ocurran más rápido.
• No se alteran permanentemente.
• Solo aceleran reacciones que Reacción sin catalizador ya podrían ocurrir, pero muy Reacción con catalizador lentamente.

Ejemplo cotidiano:

• En los coches, los catalizadores (hechos de platino, paladio o rodio) ayudan a transformar monóxido de carbono (muy contaminante) en dióxido de carbono.
• Þ Enzimas: los catalizadores biológicos
• Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores en los seres vivos.
• Son muy específicas: solo actúan sobre moléculas concretas (sustratos).
• Su actividad puede regularse.

Funcionamiento:

• El sustrato encaja en el centro activo del enzima.
• El enzima ayuda a transformar el sustrato en producto.
• El producto se libera, y el enzima queda libre para actuar de nuevo.

FACTORES QUE AFECTAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

➤ Temperatura

• Aumentar la temperatura acelera las reacciones hasta un punto.
• Si se supera la temperatura óptima, el enzima se desnaturaliza y pierde su función.

➤ pH

• Cada enzima tiene un pH óptimo, en el que actúa mejor.
• La mayoría funcionan bien entre pH 6 y 8, pero hay excepciones:

Efecto del pH sobre los enzimas

• La pepsina (del estómago) actúa en medios ácidos,
• La amilasa salival lo hace en medios neutros.

COFACTORES

Los cofactores son moléculas o iones que ayudan a las enzimas a funcionar.

• No son proteínas, pero se asocian con las enzimas.
• Sin ellos, algunas enzimas no pueden funcionar correctamente.
• Se pueden unir de forma:
• Permanente (formando parte de la estructura del enzima),
• o reversible (se acoplan temporalmente).

Tipos de cofactores:

• Iones metálicos: como zinc, hierro o cobre.
• Vitaminas: muchas vitaminas actúan como cofactores o se transforman en ellos. Por eso es esencial obtenerlas en la dieta.

Ejemplo: Una enzima puede estar “inactiva” sola, pero cuando se une a su cofactor, se vuelve “activa” y puede actuar sobre el sustrato.

INHIBICIÓN DE LAS VÍAS METABÓLICAS

Las células necesitan controlar cuándo y cuánto actúan sus rutas metabólicas. Para eso utilizan un sistema muy eficaz:

➤ Inhibición por el producto final

• Cuando se acumula el producto final de una ruta, este bloquea una enzima del inicio.
• Es una especie de retroalimentación negativa.
• Así, la célula evita gastar recursos produciendo algo que ya tiene en cantidad suficiente.

Ejemplo simplificado:

• A se transforma en B (por la acción de una enzima),
• luego en C, luego en D.
• Si ya hay suficiente D, este inhibe a la enzima que actúa sobre A, y toda la vía se detiene.

amizne led dadivitcA Amilasa salival Pepsina Arginasa ácido básico  Los enzimas también tienen un pH al que son más activos.

 Los valores de pH óptimos de la mayoría están entre 6 y 8, pero hay excepciones.