PRINCIPIOS QUE RIGEN LA ORGANIZACIÓN CELULAR Profesor Dr. Marco Tulio Núñez DEPARTAMENTO DE BIOLOGÍA, FACULTAD DE CIENCIAS ¿Cual es el objetivo del curso de Biología Celular? … adquirir el concepto de organización de la materia viva a nivel celular y molecular. Para esto, necesariamente debemos empezar con el conocimiento de los principios básicos que subyacen a esta organización, y las moléculas que la componen. LA TEORÍA CELULAR In 1838, Theodor Schwann and Matthias Schleiden were enjoying afterdinner coffee and talking about their studies on cells. When Schwann heard Schleiden describe plant cells, he was struck by the similarity of these plant cells to cells he had observed in animal tissues. The two scientists went immediately to Schwann's lab to look at his slides. Schwann published his book on animal and plant cells the next year. He summarized his observations into three conclusions about cells: 1) The cell is the unit of structure, physiology, and organization in living things. 2) The cell retains a dual existence as a distinct entity and a building block in the construction of organisms. 3) Cells form by spontaneous generation , similar to the formation of crystals. LA TEORÍA CELULAR In 1838, Theodor Schwann and Matthias Schleiden were enjoying afterdinner coffee and talking about their studies on cells. When Schwann heard Schleiden describe plant cells, he was struck by the similarity of these plant cells to cells he had observed in animal tissues. The two scientists went immediately to Schwann's lab to look at his slides. Schwann published his book on animal and plant cells the next year. He summarized his observations into three conclusions about cells: 1) The cell is the unit of structure, physiology, and organization in living things. 2) The cell retains a dual existence as a distinct entity and a building block in the construction of organisms. 3) Cells form by spontaneous generation , similar to the formation of crystals. EL CONCEPTO CORRECTO, QUE LAS CÉLULAS SE GENERAN A PARTIR DE CÉLULAS, FUE POCO A POCO PROMOVIDO POR OTROS INVESTIGADORES, SIENDO FINALMENTE ENUNCIADO POR RUDOLPH VIRCHOV EN SU PODEROSO DICTUM “OMMIS CELLULA E CELLULA”… TODAS LAS CÉLULAS PROVIENEN DE UNA CÉLULA En la siguientes 3 clases veremos: Conceptos termodinámicos y químicos que fundamentan la organización de la materia viva El agua como elemento central de la organización celular Componentes y organización molecular de la materia viva Evolución prebiótica e hipótesis de formación de la primera célula ¿Cuales son las características de una célula? Una célula es: una unidad organizada, aislada del medio ambiente pero en comunicación con este. Con capacidad para obtener alimentos del medio y para transformar estos alimentos en energía destinada a mantener la vida celular (metabolismo). Con capacidad de auto-replicarse (reproducción) La diferencia fundamental entre una célula y el conjunto de moléculas que la componen es su mayor organización con respecto al medio Esta observación se resume en el siguiente axioma: "los organismos vivos presentan un alto grado de orden y cuando crecen y se dividen crean más orden a partir de materiales que están en un mayor grado de desorden" LA ORGANIZACIÓN CELULAR Y EL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA El segundo principio de la termodinámica establece que "los sistemas cambian espontáneamente de estados de baja probabilidad a estados de alta probabilidad". Ya que los estados de baja probabilidad son más ordenados, se establece que "el universo cambia constantemente a un estado de desorden mayor (∆S univ >0)" LA ORGANIZACIÓN CELULAR Y EL SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Las células son complejos moleculares altamente ordenados, ¿Cómo cumple la organización celular este segundo principio? CAMBIOS DE ENTROPÍA En una reacción: A → B El cambio de entropía (SB-SA) α ln pB/pA S: entropía del estado; p: probabilidad del estado ∆S = Rln pB/pA el cambio de entropía para convertir 1 mol de A a B es igual a la constante de los gases R ( 2 cal. grad-1 mol-1) multiplicado por el logaritmo natural de la razón de probabilidad del estado B dividido por la probabilidad del estado A Para un proceso espontáneo, B/A > 1 y ∆S será positivo Sistema, medio, universo: Las células para ordenarse utilizan energía. Parte de la energía utilizada se libera al medio en forma de calor ∆S sistema + ∆S medio = ∆S universo (1er principio de la TD) El calor liberado induce un cambio de entropía en el medio determinado por la relación ∆SMedio= h/T ∆Suniverso = ∆Ssistema + ∆Smedio El cambio de entropía inducido en el medio es más grande que el cambio de entropía perdido por del sistema, por lo que ∆S universo >0 LA ORGANIZACIÓN CELULAR Y EL PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA El primer principio de la termodinámica dice que "en todo proceso, la energía total del universo permanece constante". (principio de conservación de la energía) ¿Cumple la materia viva con este principio? La célula al ordenarse libera calor al medio Se debe cumplir que ∆E en la célula es proporcional a la energía calórica transferida al medio: ∆ESistema α al calor intercambiado (-h) ENTALPÍA Además de calor, la célula intercambia energía con el medio en forma de trabajo: P∆V y VΔP La entalpía (H) es la función termodinámica que integra la energía calórica y el trabajo realizado por el sistema: ∆HS = -h + P∆V "el cambio de entalpía de un sistema es igual al calor transferido al medio más el trabajo realizado por el sistema” ENTALPÍA… En la mayoría de los sistemas biológicos ∆V y ∆P son muy pequeños por lo que ∆Hsistema = -h Un proceso que entrega calor al medio (∆HS negativo) es un proceso de tendencia espontánea porque el sistema llega a un estado energético más bajo y por lo tanto más estable ¿ΔH o ΔS? A veces es difícil predecir la probabilidad de un proceso ya que esta depende tanto del cambio de entalpía como del cambio de entropía Por ejemplo, un sistema que entrega calor al medio: ∆Hsistema: – (espontáneo), y disminuye su entropía ∆Ssistema: + (no espontáneo) Proceso espontáneo o no??? Una relación muy utilizada para determinar la espontaneidad de un proceso biológico es el de energia libre de Gibbs o energía libre G ENERGIA LIBRE La función combinada G relaciona los cambios de entropía y de entalpía en el sistema G = H –TS o: ∆Gs = ∆Hs - T∆Ss (a T ctte) "el cambio de energía libre de un sistema es igual al cambio de entalpía de este sistema menos el cambio de entropía del sistema multiplicado por la temperatura absoluta". Si no hay cambio de volumen, ∆H = -h (calor transferido), y ∆G = -h - T∆S Una reacción ocurrirá en forma espontanea si ∆G es negativo. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO En la reacción A + B AB se define la constante de equilibrio como: Kequil = [AB]equil / [A]equilx[B]equil LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO En un proceso (por ejemplo) de síntesis: met-pro-leu-glut-asp-tryp + ser → ser-pro-leu-glut-asp-tryp-ser (A + B → A-B) Se puede establecer que: ∆G = ∆G0 + RTln[AB]/[A][B] “el cambio de energía libre en una reacción es igual al cambio de energía libre standard (cambio de G cuando los reactivos están a inicialmente presentes a concentración 1 M) más el producto de la cte. de los gases (R, 2 Kcal/mol), la temperatura (en oK) y el log natural de la razón de concentración entre productos y reactantes” Al equilibrio, no hay cambios en la concentración de reactantes y productos ∆Gequil = 0 por lo que ∆G0 = -RTln [AB]equil / [A]equil[B]equil Kequil = [AB]equil / [A]equil[B]equil Por lo que ∆G0 = -RTln Kequil Reacción termodinámicamente favorable, ∆G <0 REACCIONES ACOPLADAS La reacción A + B AB puede ser termodinámicamente desfavorable (∆G>0), sin embargo podrá ocurrir si se acopla a una reacción con ∆G<0: A + B AB AB + C DE + F DE G + H ∆G1 = -RT ln [AB] / [A][B] (en el equilibrio) ∆G2 = -RT ln [DE][F]/[AB][C] (en el equil) ∆G3 = -RT ln [G][H] / [DE] (en el equilibrio) A+B+ C F+G + H ∆Gtotal= ∆G1+∆G2+∆G3 ∆Gtotal= -RT ln [F][G][H] / [A][B][C] Para un conjunto de reacciones acopladas, el cambio total de energía libre será la suma de energía libre de las reacciones parciales Balance termodinámico del conjunto de reacciones de Haber­Weiss: producción del radical hidroxilo 1. 2Fe2+ + 2O2 → 2Fe3+ + 2O2•– ∆G = 25.1 KJ/mol 2. 2O2•– + 2H+ → H2O2 + O2 ∆G = -85.9 KJ/mol 3. Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH– + •OH ∆G = -27.0 KJ/mol 3Fe2++O2+2H+ → 3Fe3++ OH– + •OH ∆G = 25.1 - 85.9 - 27 = -87.6 KJ/mol ENERGÍA DE ACTIVACIÓN En ocasiones una reacción química es posible desde el punto de vista termodinámico pero no ocurre espontáneamente. Por ejemplo, la oxidación de celulosa a CO2 y H2O es, del punto de vista de su ∆G, muy favorable pues libera gran cantidad de calor al medio y tiene un ΔS positivo, pero no ocurre espontáneamente. ENERGÍA DE ACTIVACIÓN X → X’ → Y Para pasar del estado X al estado Y primero se requiere pasar por el estado intermedio X’, que tiene un mayor nivel de energía. Para lograr el paso de X a Y es entonces necesario que el sistema inicialmente gane energía: energía de activación. CATALISIS Los catalizadores bajan la energía de activación de un proceso sin modificar el ∆E total Figure 2-44 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) CATALISIS Por lo tanto, los catalizadores aumentan la velocidad de una reacción Figure 2-46a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Figure 2-45 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) CONCLUSIONES Las células son organismos que deben crear un orden interno para sobrevivir y proliferar. Este orden es termodinamicamente posible debido a un continuo gasto de energía, parte de la cual es entregado al medio en forma de calor. Los principios termodinámicos del universo se aplican a la organización de la materia viva. Por ejemplo, la constante de equilibrio es función del cambio de energía libre y establece la probabilidad de ocurrencia de un proceso. Para que los reactantes pasen a productos se requiere de energía de activación. Los catalizadores disminuyen esta energía aumentando la probabilidad de ocurrencia. Which statement about enzyme catalyzed reactions is NOT true? A. enzymes form complexes with their substrates. B. enzymes lower the activation energy for chemical reactions. C. enzymes change the K eq for chemical reactions. D. many enzymes change shape slightly when substrate binds. The equilibrium constant for the conversion of the disaccharide sucrose to the simple sugars glucose and fructose is 140,000. What can you conclude about the reaction: sucrose + H2O→glucose + fructose? A. It is a closed system. B. It never reaches equilibrium. C. It is spontaneous, starting with sucrose. D. The equilibrium constant increases when the starting concentration of sucrose is increased. E. At equilibrium, the concentration of sucrose is much higher than the concentrations of glucose and fructose. To overcome an energy barrier between reactants and products, energy must be provided to get the reaction started. This energy, which is recovered as the reaction proceeds, is called: A. activation energy B. initiation energy C. reaction energy D. kinetic energy E. potential energy Exergonic reactions: A. release energy B. are spontaneous reactions C. have an equilibrium constant greater than 1 D. can be coupled to endergonic reactions E. All statements are true Activation energy is A. energy that must be added to get a reaction started, which is recovered as the reaction proceeds B. difference in energy between reactants and products C. energy that is lost as heat D. The free energy of the process E. equal to the entropy times the absolute temperature The interconversion of dihydroxyacetone phosphate (DHAP) and glyceraldehyde-3phosphate (G3P) is a part of the glycolytic pathway: DHAP ↔ G3P The value of ΔG0 for this reaction is +1.8 kcal/mol at 25°C. (a) In which direction does the equilibrium lie? (b) What is the equilibrium constant at 25°C? (RT = 596 Kcal/mol· 0K) (c) What is ΔG for the reaction in the direction G3P → DHAP Energy-requiring reactions can occur in biological systems because enzymes allow their coupling to other reactions with: A. an increase in enthalpy B. a low activation energy C. products of lower free energy than the reactants D. oxidation-reduction The equilibrium constant for the reaction, glucose 6-phosphate + water → glucose + phosphate, is 260. What can you conclude about this reaction: A. It is a closed system. B. It never reaches equilibrium. C. Starting with glucose 6-phosphate, it is not spontaneous. D. At equilibrium, the concentration of glucose is much higher than the concentrations of glucose 6-phosphate. E. The equilibrium constant increases when the starting concentration of glucose 6-phosphate is increased. El primer principio de la termodinámica : I. no se aplica a las células debido la complejidad de éstas II. está referida al principio de conservación de la energía III. establece que el contenido energético de un sistema no cambia nunca IV. establece que la energía total del universo no varía V. establece que la entropía del universo tiende a aumentar continuamente