martes, 15 de marzo de 2011

Ciclo de la materia y flujo de energía en la naturaleza

La vida en la tierra depende del flujo de la energía proveniente del sol. La cantidad de energía que el sol entrega a la tierra es de unas 13 X 10 (número 13 seguido de 23 ceros) calorías por año. Resulta difícil imaginar una cantidad tan grande. Por ejemplo, la cantidad de energía solar que llega a la Tierra todos los días es de unos 1.500 millones de veces mayor que la cantidad de electricidad generada por año en Estados Unidos.
Más o menos la tercera parte de esta energía se refleja al espacio como luz (lo mismo sucede con la luna) y gran parte de los dos tercios restantes son absorbidos por la Tierra y convertidos en calor. Parte de esta energía calórica absorbida sirve para evaporar las aguas de los océanos y producir nubes que, a su vez, originan lluvia y nieve. La energía solar, en combinación con otros factores, también es la causante de los movimientos de aire y agua que contribuyen a establecer las modalidades climáticas en toda la superficie de la Tierra.
Una pequeña fracción _menos del 1%_ de la energía solar que llega a la tierra se convierte, por medio de una serie de transformaciones que realizan las células de las plantas y otros organismos fotosintéticos, en energía que propulsa todos los procesos de la vida. Los sistemas vivientes convierten una forma de energía en otra, de modo que la energía radiante proveniente del sol se transforma en la energía química y mecánica que todo lo que tiene vida utiliza.
Este flujo de energía es la esencia de la vida. A la evolución se la puede contemplar como una competencia entre los organismos por el uso más eficiente de los recursos energéticos. A las células se las puede interpretar mejor como un complejo de sistemas transformadores de energía. En el otro extremo de la escala biológica, la estructura de un ecosistema (es decir, los organismos vivientes de una comunidad y los factores inanimados con los cuales interaccionan) o de la biosfera misma, es determinada por las relaciones en términos de intercambios energéticos de los grupos de organismos que la componen.

Propuesta de trabajo Nº1:

Responda las siguientes preguntas...
¿Cuáles son los procesos transformadores de la energía llevados a cabo en la célula?
¿Cuáles son los procesos principales del flujo de la energía en la biosfera?


Leyes de la Termodinámica

Primera ley

La primera ley de la termodinámica simplemente dice que la energía se puede cambiar de una forma a otra, pero no se la puede crear ni destruir.

Propuesta de trabajo Nº2:

Anote distintas formas de manifestación de la energía que se le ocurra.

La energía total de cualquier sistema se mantiene invariable, a pesar de cualquier cambio de forma que experimente esa energía.
La electricidad es una forma de energía, lo mismo que la luz. La energía eléctrica puede convertirse en energía luminosa (p. ej. Haciendo pasar corriente eléctrica por el filamento de tungsteno de una lamparita). A su vez, la energía luminosa puede convertirse en energía eléctrica, transformación esta que es el primer paso esencial de la fotosíntesis.
La energía puede almacenarse en diversas formas y convertirse después en otras.


Segunda ley

En todas las transformaciones de la energía, alguna energía útil se convierte en calor y se disipa. En el motor de un automóvil, por ejemplo, el calor generado por el roce y perdido con los gases de escape, a diferencia del calor que permanece confinado en el motor mismo, no puede producir trabajo es decir, no puede mover los pistones ni hacer girar los engranajes- porque se disipa hacia el medio circundante, pero, sin embargo, forma parte de la ecuación total. En el motor de gasolina un 75% de la energía que contenía el combustible se transfiere al medio circundante como calor. Del mismo modo, el calor generado por los animales de ¨sangre caliente¨ se disipa hacia el aire o el agua circundante.
La energía que se libera como calor en una conversión energética no se ha destruido siempre existe en el movimiento aleatorio de los átomos y moléculas- pero se ¨pierde¨ para todo fin práctico. Deja de estar disponible para realizar trabajo útil. Esto nos lleva a la segunda ley de la termodinámica, que dice que en todos los procesos naturales, la energía en una forma para realizar trabajo eventualmente se disipa en el medio circundante. Otra manera de enunciar esto es que el desorden o aleatoriedad de todo sistema natural tiende a aumentar. Este desorden o aleatoriedad se conoce como entropía.
Propuesta de trabajo Nº3:
Analice los párrafos siguientes y establezca con qué principios (leyes) de la Termodinámica se relacionan:
1. Los cocodrilos deben pasar largos ratos con sus bocas abiertas para perder el exceso de calor. Estos animales son poiquilotermos (no pueden regular la temperatura corporal)........................
2. Todas las plantas, utilizan la energía luminosa del sol como materia prima para fabricar compuestos orgánicos ricos en energía, y en este proceso, reacciona en presencia de clorofila y se transforma en energía química...........................

Oxidación- Reducción

Los electrones de los átomos poseen distintas cantidades de energía potencial según su distancia del núcleo y la atracción de éste último para los electrones. Con un aporte de energía, el electrón sube a un nivel energético más alto, pero sin la energía adicional el electrón permanece en el nivel energético más bajo disponible para él.
En esencia, las reacciones químicas son transformaciones energéticas en las cuales la energía almacenada en los enlaces químicos se transfiere a los otros enlaces químicos recién formados. En tales transferencias, los electrones pasan de un nivel energético a otro.
Estas reacciones, de gran importancia en los sistemas vivientes, se conocen como reacciones de oxidación-reducción (o redox) La pérdida de un electrón se conoce cono oxidación y se dice que el átomo o molécula que pierde un electrón se ha oxidado. El motivo por el cual dicha pérdida se llama oxidación, es que la mayoría de las veces el aceptor de electrones es el oxígeno, que atrae los electrones con gran fuerza.
Por el contrario, reducción es la ganancia de un electrón. La oxidación y la reducción siempre son simultáneas.
En los sistemas vivientes podemos clasificar las reacciones de oxidación y reducción de la siguiente manera:

1. reacciones que captan energía (fotosíntesis)
2. reacciones que liberan energía (glucólisis y respiración)


En la glucólisis, la oxidación completa de la molécula de glucosa libera 686 kilocalorías de energía (por el contrario la reducción del dióxido de carbono para formar una molécula de glucosa almacena 686 kilocalorías de energía en los enlaces químicos de la glucosa) Si toda esta energía se liberase de pronto, la mayor parte se disiparía como calor. No sólo carecería de utilidad para la célula, sino que la alta temperatura producida le sería letal. En cambio, en los sistemas vivientes han surgido mecanismos que regulan estas reacciones químicas de modo que la energía se almacena en determinados enlaces químicos, a partir de los cuales se la puede liberar en cantidades pequeñas a medida que la célula la necesita. Estos mecanismos reguladores, que sólo requieren unos pocos tipos de moléculas, permiten que las células empleen la energía con eficiencia, sin alterar los delicados equilibrios que caracterizan un sistema viviente.
Para entender cómo funcionan estos mecanismos debemos examinar con mayor detenimiento las proteínas que se conocen como enzimas y también una pequeña molécula que almacena energía, el adenosina trifosfato, que se abrevia ATP.
Enzimas
Definición
Son catalizadores biológicos proteicos. Su poder catalítico es mucho mayor que el de los catalizadores inorgánicos.
Las células pueden realizar reacciones químicas a gran velocidad, a temperatura relativamente baja y PH biológico merced a las enzimas. Las enzimas que una célula elabora determinan las funciones biológicas de la misma, ya que una célula sólo puede llevar a cabo una reacción química, a un ritmo razonable, si tiene una enzima específica para catalizar esa reacción. Sin enzimas las reacciones serían tan lentas, que difícilmente se llevarían a cabo.

Nomenclatura y clasificación
Las enzimas se clasifican en seis clases:
1. Oxidorreductasas: reacciones de óxido-reducción.
2. Tranferasas: transferencias de grupos funcionales de una sustancia a otra.
3. Hidrolasas: hidrólisis de sustancias.
4. Liasas: ruptura de moléculas por procesos distintos a 3.
5. Isomerasas: interconversión de isómeros.
6. Ligasas: unión de compuestos.
Propiedades de las Enzimas
1. Por ser catalizadores:
Eficientes en pequeñas cantidades.
No se modifican durante la reacción.
No afectan el equilibrio de la reacción.
2. Por ser catalizadores biológicos:
Composición química específica (son proteínas con estructura terciaria y cuaternaria)
Componentes del citoplasma vivo y sintetizadas en el mismo.
Específicas: para cada reacción hay una enzima determinada.
Sujetas a regulación: están reguladas en cantidad y función.

Sustrato: Es la molécula o moléculas sobre la cual actúa la enzima.
Sitio Activo: Es el sitio de la enzima donde se fija el sustrato. En el sitio activo intervienen unos pocos a.a. de la enzima:

Algunos pueden ser continuos en la cadena primaria
También hay a.a. alejados en la cadena primaria que se acercan merced al intrincado plegamiento de la estructura terciaria.
A.a. de distintas cadenas de polipéptidos.
El sitio activo no solo tiene forma 3D complementaria del sustrato, sino que también posee una serie complementaria de áreas con carga eléctrica, hidrofóbicas e hidrofílicas.
El sitio activo no solo reconoce al sustrato y la acopla, sino que también lo orienta en una determinada dirección.
Enzimas y PH
Las enzimas poseen un PH característico donde su actividad es máxima: por encima o debajo de ese PH la actividad disminuye.
La relación PH – actividad enzimática, constituye un factor de regulación intracelular de la actividad enzimática.
Inhibición de las enzimas
Pueden ser:
Reversibles:
§ Competitiva: el S y el I compiten por el sitio activo de la enzima. El resultado de la competencia depende de cuántas moléculas de cada tipo hay.
§ Acompetitiva: el I se combina con el complejo enzima-sustrato para formar un complejo inactivo enzima-sustrato-inhibidor, el cual no experimenta su transformación posterior en producto.
§ No competitiva: El I se fija a la enzima en un sitio de la molécula que no es el activo. Puede combinarse con la enzima libre o con el complejo enzima-sustrato. Es reversible, pero no por la cantidad de sustrato.
Irreversibles: Ciertas sustancias inhiben a las enzimas en forma irreversible, sea fijándose permanentemente de manera covalente o desnaturalizándolas.
Especificidad sustrato-enzima
El grado de especificidad es variado:
Especificidad casi absoluta a una sustancia.
Todas clases de moléculas con un común denominador estructural.
Especificidad relativamente amplia, actúan sobre diferentes sustratos de la estructura relacionada, aunque lo hacen a velocidades ampliamente diferentes.


Efecto del pH y de la temperatura sobre la actividad enzimática
1. Efecto del pH: afecta al estado de disociación de los grupos, aunque todas las proteínas no se ven afectadas de igual forma porque algunas no tienen grupos disociables. La mayor parte de los enzimas tienen un pH óptimo. Si hay pequeños cambios de pH no se desnaturaliza el enzima. El pH puede afectar de dos maneras:
La unión del sustrato es mejor o peor que antes.
Que afecte a la velocidad catalítica de la reacción.
La velocidad enzimática se mide en M/t y la actividad enzimática en mol/t, y la unidad internacional  mol/min, cantidad de enzima que transforma un micromol de sustrato en producto en un minuto en condiciones óptimas. Otra unidad es la cantidad enzimática que se requiere para transformar 1 mol/s y se la llama katal.
2. Efecto de la temperatura: La velocidad de las reacciones enzimáticas aumenta por lo general con la temperatura, dentro del intervalo en que la enzima es estable y activa.
La velocidad por lo general se duplica por cada 10 C° de aumento de temperatura.
Sin embargo las enzimas se desnaturalizan cuando la elevación de la temperatura sobrepasa cierta temperatura límite. La cual a su vez es la temperatura óptima de trabajo.
A bajas temperatura, las reacciones disminuyen mucho o se detienen, pero la acción catalítica reaparece cuando la temperatura se eleva a valores normales.
Existe una temperatura máxima a la cual la proteína se desnaturaliza y deja de ser funcional. La mayor parte de las enzimas se desnaturalizan a unos 50ºC. La ribonucleasa se desnaturaliza a temperaturas superiores a los 70ºC.
El ATP
Aunque son muy diversas las biomoléculas que contienen energía almacenada en sus enlaces, es el ATP (adenosín trifosfato) la molécula que interviene en todas las transacciones de energía que se llevan a cabo en las células; por ella se la califica como ¨moneda universal de energía¨
El ATP está formado por adenina, ribosa y tres grupos fosfatos, contiene enlaces de alta energía entre los grupos fosfato; al romperse dichos enlaces se libera la energía almacenada. En la mayoría de las reacciones celulares el ATP se hidroliza a ADP, rompiéndose un sólo enlace y quedando un grupo fosfato libre, que suele transferirse a otra molécula en lo que se conoce como fosforilación; sólo en algunos casos se rompen los dos enlaces resultando AMP + 2 grupos fosfato. El sistema ATP <-> ADP es el sistema universal de intercambio de energía en las células.
La fotosíntesis es uno de los procesos metabólicos de los que se valen las células para obtener energía.
Es un proceso complejo, mediante el cual los seres vivos poseedores de clorofila y otros pigmentos, captan energía luminosa procedente del sol y la transforman en energía química (ATP) y en compuestos reductores (NADPH), y con ellos transforman el agua y el CO2 en compuestos orgánicos reducidos (glucosa y otros), liberando oxígeno:
CO2+H2O+Luz glucosa+O2



Fotosíntesis
La energía captada en la fotosíntesis y el poder reductor adquirido en el proceso, hacen posible la reducción y la asimilación de los bioelementos necesarios, como nitrógeno y azufre, además de carbono, para formar materia viva.
La radiación luminosa llega a la tierra en forma de"pequeños paquetes", conocidos como cuantos o fotones. Los seres fotosintéticos captan la luz mediante diversos pigmentos fotosensibles, entre los que destacan por su abundancia las clorofilas y carotenos.
Al absorber los pigmentos la luz, electrones de sus moléculas adquieren niveles energéticos superiores, cuando vuelven a su nivel inicial liberan la energía que sirve para activar una reacción química: una molécula de pigmento se oxida al perder un electrón que es recogido por otra sustancia, que se reduce. Así la clorofila puede transformar la energía luminosa en energía química.
En la fotosíntesis se diferencian dos etapas, con dos tipos de reacciones:
1. Fase luminosa: en el tilacoide en ella se producen transferencias de electrones.
2. Fase oscura: en el estroma. En ella se realiza la fijación de carbono.


Fase luminosa

Los hechos que ocurren en la fase luminosa de la fotosíntesis se pueden resumir en estos puntos:
1. Síntesis de ATP o fotofosforilación que puede ser:
o acíclica o abierta
o cíclica o cerrada
2. Síntesis de poder reductor NADPH.
3. Fotolisis del agua.(Estos procesos puedes verlo en los esquemas propuestos y están explicados en el texto adjunto)
Los pigmentos presentes en los tilacoides de los cloroplastos se encuentran organizados en fotosistemas(conjuntos funcionales formados por más de 200 moléculas de pigmentos); la luz captada en ellos por pigmentos que hacen de antena, es llevada hasta la molécula de "clorofila diana" que es la molécula que se oxida al liberar un electrón, que es el que irá pasando por una serie de transportadores, en cuyo recorrido liberará la energía.
Existen dos tipos de fotosistemas, el fotosistema I (FSI), está asociado a moléculas de clorofila que absorben a longitudes de ondas largas (700 nm) y se conoce como P700. El fotosistema II (FSII), está asociado a moléculas de clorofila que absorben a 680 nm. por eso se denomina P680.
La luz es recibida en el FSII por la clorofila P680 que se oxida al liberar un electrón que asciende a un nivel superior de energía; ese electrón es recogido por una sustancia aceptora de electrones que se reduce, la Plastoquinona (PQ) y desde ésta va pasando a lo largo de una cadena transportadora de electrones, entre los que están varios citocromos (cyt b/f) y así llega hasta la plastocianina (PC) que se los cederá a moléculas de clorofila del FSI.
En el descenso por esta cadena, con oxidación y reducción en cada paso, el electrón va liberando la energía que tenía en exceso; energía que se utiliza para bombear protones de hidrógeno desde el estroma hasta el interior de los tilacoides, generando un gradiente electroquímico de protones. Estos protones vuelven al estroma a través de la ATP-asa y se originan moléculas de ATP.
El fotosistema II se reduce al recibir electrones procedentes de una molécula de H2O, que también por acción de la luz, se descompone en hidrógeno y oxígeno, en el proceso llamado fotólisis del H2O. De este modo se puede mantener un flujo continuo de electrones desde el agua hacia el fotosistema II y de éste al fotosistema I.
En el fotosistema I la luz produce el mismo efecto sobre la clorofila P700, de modo que algún electrón adquiere un nivel energético superior y abandona la molécula, es recogido por otro aceptor de electrones, la ferredoxina y pasa por una nueva cadena de transporte hasta llegar a una molécula de NADP+ que es reducida a NADPH, al recibir dos electrones y un protón H+ que también procede de la descomposición del H2O.
Los dos fotosistemas pueden actuar conjuntamente (proceso conocido como esquema en Z), para producir la fotofosforilación (obtención de ATP) o hacerlo solamente el fotosistema I; se diferencia entonces entre fosforilación no cíclica o acíclica cuando actúan los dos, y fotofosforilación cíclica, cuando actúa el fotosistema I únicamente.
En la fotofosforilación acíclica se obtiene ATP y se reduce el NADP+ a NADPH, mientras que en la fotofosforilación cíclica únicamente se obtiene ATP y no se libera oxígeno.

Mientras la luz llega a los fotosistemas, se mantiene un flujo de electrones desde el agua al fotosistema II, de éste al fotosistema I, hasta llegar el NADP+ que los recoge; ésta pequeña corriente eléctrica es la que mantiene el ciclo de la vida. Reacciones fijadoras de carbono
Fase oscura
En esta fase, se va a utilizar la energía química obtenida en la fase luminosa, en reducir CO2, Nitratos y Sulfatos y asimilar los bioelementos C, H, y S, con el fin de sintetizar glúcidos, aminoácidos y otras sustancias.
Las plantas obtienen el CO2 del aire a través de los estomas de sus hojas. El proceso de reducción del carbono es cíclico y se conoce como Ciclo de Calvin, en honor de su descubridor M. Calvin.

La fijación del CO2 se produce en tres fases:
1. Carboxilativa: El CO2 se fija a una molécula de 5C, la ribulosa 1,5 difosfato, formándose un compuesto inestable de 6C, que se divide en dos moléculas de ácido 3 fosfoglicérico conocido también con las siglas de PGA
2. Reductiva: El ácido 3 fosfoglicérico se reduce a gliceraldehido 3 fosfato, también conocido como PGAL, utilizándose ATP Y NADPH.
3. Regenerativa/Sintética: Las moléculas de gliceraldehido 3 fosfato, formadas siguen diversas rutas; de cada seis moléculas, cinco se utilizan para regenerar la ribulosa 1,5 difosfato y hacer que el ciclo de Calvin (vía de los tres carbonos) pueda seguir, y una será empleada para poder sintetizar moléculas de glucosa (vía de las hexosas), ácidos grasos, amoinoácidos... etc; y en general todas las moléculas que necesita la célula.
En el ciclo para fijar el CO2, intervienen una serie de enzimas, y la más conocida es la enzima ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa/oxidasa, que puede actuar como carboxilasa o como oxidasa, según la concentración de CO2.
Si la concentración de CO2 es baja, funciona como oxidasa, y en lugar de ayudar a la fijación de CO2 mediante el ciclo de Calvin, se produce la oxidación de glúcidos hasta CO2 y H2O, y al proceso se le conoce como fotorrespiración. La fotorrespiración no debe confundirse con la respiración mitocondrial, la energía se pierde y no se produce ni ATP ni NADPH; y como se ve en el esquema se disminuye el rendimiento de la fotosíntesis, porque sólo se produce una molécula de PGA que pasará al ciclo de Calvin; en cambio cuando funciona como carboxilasa, se obtienen dos moléculas de PGA.

Glucólisis

La glucólisis tiene lugar en el citoplasma celular. Consiste en una serie de diez reacciones, cada una catalizada por una enzima determinada, que permite transformar una molécula de glucosa en dos moléculas de un compuesto de tres carbonos, el ácido pirúvico.
En la primera parte se necesita energía, que es suministrada por dos moléculas de ATP, que servirán para fosforilar la glucosa y la fructosa. Al final de esta fase se obtienen, en la práctica dos moléculas de PGAL, ya que la molécula de DHAP (dihidroxiacetona-fosfato), se transforma en PGAL.
En la segunda fase, que afecta a las dos moléculas de PGAL, se forman cuatro moléculas de ATP y dos moléculas de NADH. Se produce una ganancia neta de dos moléculas de ATP.
Al final del proceso la molécula de glucosa queda transformada en dos moléculas de ácido pirúvico, es en estas moléculas donde se encuentra en estos momentos la mayor parte de la energía contenida en la glucosa.
La glucólisis se produce en la mayoría de las células vivas, tanto en procariotas como en las eucariotas.
Ciclo de Krebs
El producto más importante de la degradación de los carburantes metabólicos es el Acetil CoA, (ácido acético activado con el coenzima A), que continúa su proceso de oxidación hasta convertirse en CO2 y H2O, mediante un conjunto de reacciones que constituyen el ciclo de Krebs punto central donde confluyen todas las rutas catabólicas de la respiración aerobia. Este ciclo se realiza en la matriz de la mitocondria.
En este ciclo se consigue la oxidación total de los dos átomos de carbono del resto acetilo, que se eliminan en forma de CO2; los electrones de alta energía obtenidos en las sucesivas oxidaciones se utilizan para formar NADH Y FADH2, que luego entrarán en la cadena respiratoria.

Cadena Respiratoria
Sería la etapa final del proceso de la respiración, es entonces cuando los electrones "arrancados" a las moléculas que se respiran y que se "almacenan" en el NADH Y FADH2, irán pasando por una serie de transportadores, situados en las crestas mitocondriales formando tres grandes complejos enzimáticos.
La disposición de los transportadores permite que los electrones "salten" de unos a otros, liberándose una cierta cantidad de energía (son reacciones redox) que sirve para formar un enlace de alta energía entre el ADP y el P, que da lugar a una molécula de ATP.
El último aceptor de electrones es el oxígeno molecular y otra consecuencia será la formación de agua.



Completa el siguiente cuadro comparativo, seleccionando en cada caso, las claves correspondientes y considerando que algunas de las propuestas actúan como distractores

2. Caracteristicas a comparar Claves
Fotosíntesis (subraye las claves)
Respiración (tilde...)

¿Quiénes la realizan - Organismos saprófitos
- Productores
- Consumidores
- Descomponedores

¿En qué momento del día? - Durante el día
- Durante la noche
- En forma constante

¿Cuál es su objetivo? - Eliminación de desechos
- Formación de sustancias orgánicas
- Liberación de energía
- Captación de sustancias inorg.
- Intercambio de gases

Agua - Se absorbe
- Se elimina
- Se descompone
- Se transporta

Oxígeno - Se incorpora
- Se elimina

Materia orgánica - Se sintetiza
- Se almacena
- Se libera
- Se destruye

Dióxido de carbono - Se consume
- Se almacena
- Se libera
- Se destruye

Utilización de energía - Se transforma
- Se incorpora
- Se libera

Tipos de energía - Calórica
- Eléctrica
- Cinética
- Lumínica
- Química
- Mecánica
- Hidráulica

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