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MÓDULO III

Los seres vivos y la energía

Los seres vivos son el resultado de un flujo continuo de energía e intercambios de materia hasta lograr un equilibrio que les permita realizar sus funciones vitales y perpetuarse como sp. Las células incorporan nutrientes que contienen energía en sus enlaces químicos, transforman éstos en energía útil y liberan o desechan materia y energía no útiles. Un organismo pluricelular reemplaza constantemente las células que mueren, manteniendo su integridad, así como un ecosistema mantiene una regulación constante a través del nacimiento y la muerte de los organismos en las poblaciones que lo integran.
La realización de estas actividades requiere de gran cantidad de reacciones químicas que ocurren en los organismos (metabolismo)
La vida depende de la incorporación constante de energía, ya que los organismos no pueden crearla ni reciclarla. La fuente natural de energía para la vida es el sol, cuya energía lumínica es captada por los organismos productores y transformada en la energía química de los enlaces de H de C, durante el proceso de fotosíntesis. Parte de esta energía será transferida a los organismos consumidores y a los degradadores. Durante estos procesos, parte de esta energía se transforma en calor y se disipa en el medio ambiente.

Energía

1. La energía es la capacidad de realizar un trabajo o producir un cambio.
2. La energía puede estar almacenada o liberarse en forma de calor; puede ser fácilmente transformada de una forma a otra.
3. La termodinámica es la ciencia que analiza las transformaciones de la energía.
• Primera ley de la Termodinámica:
o “La energía puede convertirse de una forma a otra pero no puede ser creada ni destruida.”
o En cualquier sistema la energía total permanece constante a pesar de las transformaciones que ocurran.
• Segunda ley de la Termodinámica:
o “En toda conversión energética, la energía potencial (útil) del estado final siempre es menor que la inicial, siempre que no se quite ni suministre energía extra al sistema que se estudia.”
o Se entiende por sistema a toda porción del universo que se delimita para estudiarla. Pueden ser: -Sistemas cerrados: Permiten intercambio de energía con el medio, pero no de materia; -Sistemas abiertos: Intercambian materia y energía con el medio; -Sistemas aislados: No hay intercambio de materia ni energía con el medio.
o Todos los cambios que se producen espontáneamente en la naturaleza ocurren con disminución de energía útil, porque parte de esa energía pasa al ambiente como calor y es irrecuperable para poder realizar un trabajo. La energía liberada como calor en una conversión, no se destruye sino que se pierde. Esta energía cambia a una forma denominada entropía (energía inútil)

Energía y metabolismo
Las reacciones metabólicas pueden ser:

1. Catabólicas:
• Son reacciones de degradación de moléculas (monosacáridos, lípidos, etc. Son transformados en moléculas más simples como NH3, CO2, H2O, etc.)
• Debido a que las moléculas complejas poseen una cierta cantidad de energía (que se requirió para su construcción), la degradación de las mismas libera esa energía, por lo que se las conoce como reacciones exergónicas.
• Estas reacciones son procesos de oxidación (las moléculas pierden e- al romperse sus enlaces)
• El conjunto de las reacciones catabólicas recibe el nombre de catabolismo.

2. Anabólicas:
• Son reacciones se síntesis o formación de moléculas complejas (ác nucleicos, proteínas, etc.), a partir de moléculas más sencillas, (como H2O, CO2, nitratos, etc.)
• Estas reacciones necesitan que se les proporcione energía, por lo que son endergónicas.
• El conjunto de las reacciones anabólicas recibe el nombre de anabolismo.
• Estas reacciones son procesos de reducción (ganan los e- que se pierden en la oxidación de otras moléculas)

3. Acoplamiento energético:
• Por sus características energéticas, estos 2 tipos de reacciones están acopladas. Este acoplamiento energético está a cargo de una molécula intermediaria que, generalmente, es la molécula de ATP.



El ATP es el intermediario que transporta la energía (en sus enlaces de alta energía) liberada por la ruptura de uniones químicas en las reacciones catabólicas. La lleva a las reacciones anabólicas, que la requieren para la formación de nuevos enlaces; hace esto desprendiéndose de un grupo fosfato trasformándose así en ADP+un fosfato inorgánico liberado.



4. La energía en las reacciones químicas:
• Una reacción química de una o más sustancias llamadas reactivos en otra u otras llamadas productos.
• En la naturaleza, las reacciones ocurren con transferencia de calor hacia el entorno (reacciones exotérmicas y son equivalentes a las reacciones exergónicas) o con absorción del calor del entorno (reacciones endotérmicas y son equivalentes a las reacciones endergónicas)
• La cantidad de reactivo que se transforma en producto durante una cierta unidad de tiempo se conoce como velocidad de la reacción.
• Para iniciar una reacción es necesario modificar los enlaces químicos de las sustancias reaccionantes. Esta “activación” molecular requiere cierta absorción de energía por parte de los reactivos, que se llama energía de activación (Ea) [en la materia inerte las reacciones ucurren a muy baja velocidad ya que se necesita una gran Ea para provocarlas]
• Una forma de aumentar la velocidad de reacción radica en proporcionar energía a los reactivos para acelerar su transformación en productos (modificar la Ea) (Ej: esto puede lograrse entregando calor al sist)
• Las moléculas tienen un cierto contenido energético propio. En el caso de las sust reaccionantes se denomina energía inicial (Ei), y en el caso de los productos, Energía final (Ef) En las reacciones exergónicas la Ef del sist es menor que la Ei.



5. Las enzimas: catalizadores biológicos
• En las células, las transformaciones químicas son muy rápidas debido a la presencia de enzimas.
• Las enzimas son moléculas proteicas que catalizan (aceleran) las reacciones biológicas y regulan el metabolismo.
• El mecanismo de acción de las enzimas se basa en la reducción de la energía de activación requerida para modificar los enlaces de las moléculas reaccionantes.



• Las enzimas disminuyen la Ea de los reactivos facilitando la modificación de sus enlaces químicos y el desarrollo de la reacción. Esto se logra porque la enzima “reconoce” al reactivo como su sustrato, se une a él y forma un complejo; así se facilita el choque efectivo entre moléculas reaccionantes y se forma el producto. La enzima ya no reconoce al reactivo transformado y lo libera, quedando lista para catalizar una nueva transformación.
• La zona de la molécula enzimática que se une al sustrato se conoce como sitio activo de la enzima; es sumamente específico.
• Las enzimas se designan añadiendo el sufijo –asa al nombre del sustrato cuya transformación catalizan.
• La enzima no se une en forma permanente al sustrato, ni es alterada durante la reacción; sólo modifica la velocidad de la reacción. Tampoco altera las condiciones iniciales de los reactivos no las finales de los productos. No posibilita reacciones, solo acelera transformaciones que de todos modos hubieran ocurrido.
• En las reacciones anabólicas, las enzimas pueden reconocer más de un sustrato específico a través de su sitio activo, catalizando la formación de un producto más complejo que las moléculas reactivas. Las reacciones catabólicas están catalizadas por enzimas hidrolíticas, que actúan incorporando una molécula de H2O que rompe un enlace químico, obteniendo como producto moléculas más simples.
• Forma en que se unen enzima y sustrato:
o Modelo llave - cerradura: los sitios activos de las enzimas son como cerraduras de estr fija y los sustratos son como llaves que encajan perfectamente en ellas.
o Modelo de Encaje Inducido: cuando un sustrato se combina con una enzima, pueden inducirse cambios en la forma de la molécula enzimática, ya que los sitios activos no serían rígidos. Los cambios en la conformación de la enzima provocarían tensión en los enlaces del sustrato favoreciendo su ruptura y, por lo tanto, su transformación en producto.
• Actividad enzimática:
o Las reacciones catalizadas por enzimas muestran un rasgo característico: la saturación con el sustrato.
o -A una concentración de sustr baja, la velocidad inicial de la reacción es casi proporcional a la concentración del sustrato. -A medida que la concentración del sustrato aumenta, la velocidad de la reacción disminuye y deja de ser aprox. proporcional a la concentración del sustrato. -Con un aumento posterior de la concentración del sustr, la velocidad de la reacción llega a ser independiente de la concentración del sustr y se aproxima a una velocidad constante (el enzima se halla saturada con el sustrato; esto implica que toda la enzima disponible está catalizando, y por más que se disponga de mucho sustrato, el sist ha llegado a una velocidad máxima de transformación)



o KM representa la concentración de sustrato correspondiente a la mitad de la velocidad máxima de la enzima. (El valor de KM de una enzima indica qué tanto sustrato necesita una enzima para actuar a una velocidad media).

• Sistemas multienzimáticos:
o Actúan catalizando reacciones consecutivas conectadas por intermediarios comunes, de modo que el producto de la primer enzima es el sustrato del siguiente.
o Pueden comprender desde 2 hasta 20 ó más enzimas actuando en secuencia.
o En los sist más sencillos, las enzimas individuales están disueltas en el citoplasma como moléculas independientes, no asociadas unas con otras en ningún momento. Los intermediarios en un sist enzimático de esta naturaleza son moléculas menores que las enzimas, por lo que se difunden rápidamente desde una molécula enzimática a la siguiente de la secuencia.

• Modificaciones de la Actividad Enzimática:
o Las enzimas actúan mejor cuando se encuentran en un entorno de condiciones óptimas (t° apropiada, determinado pH, cierta concentración de sales, etc.) Cualquier variación de esas condiciones afecta la actividad enzimática.

i. Efecto del pH: la mayoría de las enzimas poseen un pH característico en el cual su actividad en máxima. El pH óptimo de una enzima no es necesariamente el pH de su entono intracelular. Esto sugiere que la relación 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 acción habitual, el cambio de pH impedirá que tenga actividad en otro sitio.

ii. Efecto de la temperatura: normalmente las enzimas se desactivan a altas t° y tienen muy poca actividad cuando la t° es baja. Las velocidades de casi todas las reacciones catalizadas enzimáticamente tienden a incrementarse cuando se eleva la t°, pero dentro de ciertos límites (encima de los 50° ó 60° la actividad se pierde)



iii. Inhibición enzimática: la actividad de la mayoría de las enzimas puede modificarse por inhibición (reducción parcial o total de la capacidad catalítica), causada por inhibidores que se unen a la enzima de forma irreversible o reversible.

 Inhibición competitiva: moléculas de estr muy parecida a la del sustr normal de una enzima, se acoplan al sitio activo y se combinan con la enzima; pero el parecido no es suficiente como para sustituir completamente al sustr, de manera que la enzima no puede catalizar su transformación a productos de reacción.
El inhibidor competitivo puede ocupar el sitio activo por un tiempo o producir una unión permanente. Esto puede evitarse aumentando la concentración del sustr normal.

 Inhibición no competitiva: un inhibidor se une a la enzima en un sitio distinto del sitio activo, causando un cambio en la estr de éste. La interacción normal entre enzima y sustr no puede darse.

Los inhibidores irreversibles se combinan con un grupo funcional de la enzima y de esa manera la desactivan permanentemente o incluso la destruyen.
Las enzimas por sí mismas pueden también funcionar como venenos si se introducen en un compartimiento inadecuado del cuerpo.

iv. Efecto alostérico:
 En muchas vías metabólicas (secuencia ordenada de reacciones en la célula) el producto final de la secuencia de reacciones puede actuar como un inhibidor específico de una enzima situada al comienzo de la secuencia, lo cual determina que la velocidad de la secuencia completa de reacciones resulte condicionada por la concentración del producto final. Esto es conocido como inhibición por el producto final, retroihnibición feed-back o retroinhibición. La primera enzima de esta secuencia, que es inhibida por el prod final, se llama enzima alostérica.
 Las enzimas alostéricas son enzimas que poseen, además del sitio activo, otro sitio al que se enlaza de modo reversible y no covalente un efector o modulador; algunos moduladores son inhibidores (por lo que se los conoce como moduladores inhibidores o negativos)
 Otras enzimas alostéricas pueden tener moduladores positivos o estimuladores. Cuando un enzima alostérico posee solamente un modulador específico, se dice que es monovalente. Algunas enzimas alostéricas responden a dos o más moduladores específicos, cada uno de ellos unido a un centro específico del enzima; se dice entonces que son polivalentes. Además, una misma enzima alostérica puede poseer tanto efectores positivos como negativos.



 La primera etapa en una secuencia de reacciones (o sea, la etapa catalizada por la enzima alostérica) se designa como reacción determinante. [También existe la activación alostérica efectuada por el precursor de la vía metabólica]
 Las enzimas moleculares generalmente poseen pesos moleculares mucho mayores, son más complejas, y con frecuencia, son proteínas de estr cuaternaria.
 Regulación alostérica: 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. La Vmax de la enzima permanece constante.



• Coenzimas y cofactores:
o Algunas enzimas necesitan, además de su estructura, uno o más componentes no proteicos para ejercer su función. Estos pueden ser: cofactores, si son iones metálicos; o una molécula orgánica, no proteica, llamada coenzima.
o El cofactor metálico puede actuar como grupo puente para reunir el sustr y la enzima, o actuar como agente estabilizante de la conformación de la proteína enzimática en su forma catalíticamente activa.
o En algunas enzima, el componente metálico, por sí solo, ya posee una actividad catalítica primaria incrementada por la proteína enzimática [Ej: la catalasa es una enzima que cataliza la descomposición del peroxido de H o agua oxigenada en H2O y O2, y tiene Fe como cofactor]
o Las coenzimas suelen contener una molécula de alguna de las vitaminas.
o Las coenzimas son intermediarios en el transporte de grupos funcionales, de át específicos o de e-, que son transferidos durante la reacción enzimática

• Enzimas y compartimentalización celular:
o En las células eucariontes, las enzimas y los sistemas multienzimáticos están localizados en compartimientos, organelas o estr celulares.
o La compartimentalización de los sist enzimáticos permite el control y la integración de algunas actividades intracelulares. La velocidad de la reacción global depende de la actividad de las enzimas reguladoras en ambos compartimentos y de las velocidades de intercambio de los intermediarios esenciales a través de las membranas mitocondriales.



Energía y Ecosistemas:

1. La energía Solar:
• La energía solar que llega a la tierra es consecuencia de las continuas reacciones de fusión nuclear que ocurren en el núcleo del sol. El sol transforma la energía nuclear en energía radiante.
• La energía solar llega a la tierra en forma de radiaciones electromagnéticas, (constituidas por los rayos infrarrojos, rayos gamma, rayos X, rayos ultravioletas y luz visible) La luz visible es la única forma de energía utilizada por los vegetales.

2. El Sol y los seres vivos:
• La energía proveniente del sol es captada por los organismos fotosintetizadotes y transformada en energía química.
• De toda la energía que llega a la tierra, solo del 0,1% al 3% es fijado por las plantas

3. ¿Qué es un ecosistema?
• Un ecosistema es un sistema abierto. Es un área 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 físico que los rodea, son máximas.
• Elementos constituyentes:
o Factores bióticos: son los componentes vivos. Los individuos de la misma sp se agrupan formando poblaciones, y éstas forman comunidades; el conjunto de todas las comunidades de un ecosistema se denomina biocenosis.
o Factores abióticos: son los componentes no vivos, como el suelo, el agua, el aire, etc. El conjunto de factores abióticos que forman el ambiente recibe el nombre de biotopo.
• Los ecosistemas presentan límites naturales o límites establecidos en forma arbitraria para su estudio.
o Ecosistemas naturales: pastizal pampeano; laguna de chascomús; bosque andino-patagónico; delta del Paraná; etc.
o Ecosistemas artificiales: microecosistemas (terrarios, acuarios, lumbricarios, etc.); macroecosistemas (campo de cultivo, represa, estanque, etc.)

4. Análisis funcional de un ecosistema:
• Flujo de la energía: la energía lumínica es esencial para el funcionamiento de los distintos ecosistemas terrestres. Fluye unidireccionalmente, en forma irreversible e inagotable.
• Ciclos de la materia: la materia recorre el ecosistema en forma cíclica. Los productores sintetizan materia orgánica a partir de materia inorgánica. La materia orgánica es consumida por los distintos consumidores, y los restos degradados, transformados en materia inorgánica por los descomponedroes, son incorporados al suelo para ser utilizados nuevamente por los productores.
• Cadenas tróficas: es la secuencia de relaciones alimentarías a través de las cuales pasa la materia y la energía en el ecosistema.
• Desarrollo y evolución: el ecosistema es un estado dinámico en el que permanentemente se realizan transformaciones.

5. Flujo de energía en el ecosistema:
• En el ecosistema, el “orden” es mantenido por el constante aporte de energía.
• De toda la energía que incide sobre la tierra, solo una pequeña porción es absorbida por los productores que sintetizan la materia orgánica a partir de materia inorgánica. Pero solo una parte de esta energía se transforma y transfiere al alimento, el resto de la energía química será utilizada por ellos mismos, y otra parte se disipa en el medio en forma de calor.
• De toda la energía retenida por los productores, el 90% es utilizada para mantener sus funciones vitales, y parte retorna al medio en forma de calor. Solo el 10% queda disponible para el consumidor herbívoro. De la energía que recibe el consumidor primario, el 90% satisface sus propios requerimientos energéticos y parte de esa energía útil se transforma en calor; solo el 10% queda retenido en su biomasa y pasa al consumidor de segundo orden. El proceso ser repite en igual proporción a lo largo de la cadena trófica.
• Cuantos más pasos se produzcan entre el productor y el consumidor final, la energía que queda disponible es menor.

6. Ciclo de la materia:
• Los productores utilizan sustancias inorgánicas presentes en el suelo y el aire para poder realizar la fotosíntesis.
• La materia incorporada como alimento por los distintos consumidores, servirá como materia prima necesaria para poder realizar todas sus funciones vitales.
• Los descomponedores actúan sobre los restos de vegetales y animales muertos, transformando sus compuestos orgánicas en sust inorgánicas que vuelven al suelo y al aire para poder ser nuevamente utilizados por los productores.

7. Cadena tróficas:
• Las interrelaciones tróficas que ocurren entre los organismos permiten que la materia y la energía estén en constante dinámica en el ecosistema.
• Una cadena trófica es una sucesión ordenada de organismos, en la que cada uno de sus integradas se alimenta del que lo precede y es comido por el que lo sigue.
• Comienza por los productores; los organismos que se alimentan de ellos se denominan consumidores de primer orden (herbívoros); estos son a su vez alimento de los consumidores de segundo oren (carnívoros), quienes sirven de alimento a consumidores de tercer orden. Todos los individuos de cada nivel son sustrato de los descomponedores.



8. Redes tróficas:
• En los ecosistemas, las cadenas se encuentran interrelacionadas entre sí construyendo redes tróficas.



• Gracias a que en un ecosistema ocurren estas interrelaciones, se asegura la estabilidad del mismo. Si cualquiera de los componentes de una de las cadenas de la red desapareciera, su predador no moriría porque cuanta con otras alternativas de alimentación.

9. Pirámides ecológicas:
• Son la representación gráfica en forma de pirámide de la red alimentaria.
• En la base de la pirámide se coloca siempre a los productores y en los escalones superiores a los sucesivos niveles tróficos.
• Cada pirámide representa un sist particular en un período de tiempo determinado y permiten la comparación de diferentes comuinidades.
• Hay 3 tipos:
o Pirámide de números:
i. Expresan el número de individuos de cada nivel trófico.
ii. Para hacerla hay que sumar el número de individuos de cada nivel trófico y asignarle un escalón a cada nivel.
iii. Los datos empleados se toman por medio de muestreos.
iv. Los resultados se expresan en número de individuos por m2 ó m3 (dependiendo si son comunidades terrestres o acuáticas.)
v. Esta pirámide sirve para ilustrar la estr de a comunidad.



o Pirámide de biomasa:
i. Es necesario saber el peso seco de una muestra de organismos presentes en cada nivel trófico, calculando la biomasa total.
ii. La magnitud se expresa en gr/cm2; kg/m2; etc.



Tanto las pirámides de números como las de biomasa pueden ser invertidas y no indican dinamismo, velocidad ni renovación del ecosistema.
Para representar y observar la dinámica de un ecosistema se utilizan las pirámides de energía.


o Pirámide de energía:
i. Se construyen teniendo en cuenta la productividad de cada nivel trófico, expresada en calorías o kilocalorías por unidad de sup y tiempo (Ej: 454.000 kcal/m2/año)
ii. El proceso de transferencia energética se repite en igual proporción al transferirse la energía desde los consumidores primarios a los secundarios, de los secundarios a los terciarios, y así sucesivamente.
iii. Se considera eficiencia ecológica o eficiencia de la cadena alimentaria ala porcentaje de energía transferido de un nivel trófico al siguiente.