ByL2_Guía de estudio N° 2

8/6/2019 ByL2_Guía de estudio N° 2

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Perspectiva

“ Bio log ía y

Lab or a t o r io I I ”

Guía de estudio N° 2



P ERSPECTIVA: B IOLOGÍA Y LABORATORIO II G UÍA DE ESTUDIO N°2

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PROCESOS METABÓLICOS

La vida sobre la Tierra depende del flujo de energía procedente de las reaccionestermonucleares del Sol. Un tercio de esa energía (que es de aproximadamente 13 x 1023) es

devuelta al espacio en forma de luz. La mayoría de los 2/3 restantes es absorbida por laTierra y se convierte en calor. Una pequeña fracción (menos del 1 %) de la energía solarque llega al planeta se transforma, por medio de una serie de operaciones llevadas a cabopor las células de las plantas y otros organismos fotosintéticos, en la energía que impulsatodos los procesos vitales. Los sistemas vivos cambian una forma de energía en otra,transformando la energía radiante del sol en la energía química y mecánica a ser utilizada.

¿Cómo se mantienen los organismos, y cómo se realizan las funciones para sumantenimiento? Todas las funciones de la materia viva pueden ser consideradas bajo elnombre de metabolismo y autoperpetuación. El metabolismo comprende aquellosprocesos que permiten a un sistema biológico permanecer activo y vivo.

Entendemos por metabolismo al conjunto de reacciones físico-químicas que ocurren en un

sistema biológico. Estas reacciones, enmarcadas en complejos procesos que responden aun patrón general en todos los organismos, son necesarias para el mantenimiento de lahomeostasis, es decir, para el mantenimiento de un ambiente interno relativamente estable,el cual resulta de un constante intercambio de materia y energía entre el sistema biológico ysu ambiente. Para el mantenimiento de ese estado estacionario, es necesario un ingresoconstante de energía. Los sistemas biológicos son transformadores de energía. La energíaque ingresa, ya sea en forma de energía lumínica o química almacenada en los alimentos,es transformada y utilizada por cada célula individual para realizar el trabajo celular. Estetrabajo incluye no sólo para los numerosos procesos que constituyen las actividades delorganismo, sino también para la síntesis de una enorme diversidad de moléculas yestructuras celulares. En el curso del trabajo celular, la energía puede transformarse enenergía cinética, energía térmica o nuevamente en energía lumínica. En toda transformaciónhay una “pérdida” de energía (para el organismo) la cual se disipa al medio externo(manteniendo constante la energía del universo). Así, el organismo debe incorporar másenergía. Los sistemas biológicos pueden ser comprendidos como complejos sistemastransformadores de energía.

Los procesos metabólicos comprenden principalmente la nutrición , que suministra lasmaterias primas; la respiración que libera energía de forma utilizable a partir de algunas delas materias primas; y la utilización de las materias primas y de la energía en actividadesquímicas tales como la síntesis y a menudo también en actividades físicas como elmovimiento .

Las tres funciones de nutrición, respiración y síntesis, entonces, representan en conjunto el

metabolismo. Las actividades llevadas a cabo por una célula viviente requieren un continuoabastecimiento de energía. Esta energía es obtenida a partir de moléculas combustiblesmediante reacciones químicas que oxidan dichas moléculas.

ACTIVIDADES:

1. Los seres vivos son estructuras exquisitamente complejas ¿Cómo logran mantenerese orden tan sofisticado, esa organización? ¿Cómo puede desarrollarse todo un individuo apartir de una única célula? ¿Cómo todo esto es posible si la tendencia natural es eldesorden?.Para responder a estos interrogantes es necesario revisar algunos conceptos, para lo cual

se les propone resolver las siguientes cuestiones:

a) Proponer, sobe la base de un ejemplo, su propia definición de sistema.



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b) Explicar alguna de las relaciones que se presentan en el ejemplo anterior.

c) Los sistemas podrían clasificarse en abiertos, cerrados y aislados. Proponer unejemplo para cada tipo de sistema y justificar la elección realizada.

d) ¿Podría considerar a la célula como un sistema biológico? Justificar la respuesta.

2. Lectura y análisis del siguiente texto:

Termodinámica y Origen de la Vida1

Organismo, información, energía

“Sabemos que los organismos biológicos tienen un grado de organización tan característico que si

alguien encuentra un objeto con cierta organización estructural puede fácilmente decir si es biológico

o no. En realidad, la estructura está tan ligada al funcionamiento que, por ejemplo, cuando un patólogo

mira una pieza de anatomía puede decir mucho de la historia de los procesos que llegaron a producirla.

Tengamos en cuenta que tanto para organizar y producir una estructura como para reconocerla, serequiere de información y que la información cuesta energía. Un organismo biológico, por más

simple que sea, tiene una organización producto de una historia, durante la cual se acumuló una gran

cantidad de información a expensas de una cantidad también muy grande de energía.

El origen energético de la organización biológica se cuestionó en todos sus aspectos apenas se hubo

asimilado las primeras enseñanzas de la termodinámica. Veamos a continuación algunos de estos

aspectos.

Antes de que apareciera la vida en la Tierra, el mar era una especie de sopa donde abundaban las

moléculas orgánicas del tipo de las que hoy constituyen a los seres vivos. Fue natural que algunos

científicos postularan que, en tantos millones de años y dado el enorme volumen de este mar

prebiológico y la enorme cantidad de sustancias adecuadas que poseía, las circunstancias fortuitas

hicieran que se “armara” algo vivo y así comenzara la vida en el planeta. Había sido como sipusiéramos las piezas de un reloj en una bolsita y jugáramos con ella, tirándola, pateándola para todos

lados, con lo cual las piezas adoptarían distintas distribuciones, y pasáramos millones de años tratando

de ver si de repente, el azar, en alguno de esos ordenamientos, se armara un reloj. Esta forma de ver

las cosas atrajo a muchos científicos.

En contra de esta teoría, Harold Morowitz hizo el siguiente cálculo: Tomó como base la bacteria

Escherichia coli, uno de los seres más simples, y calculó la energía contenida en las uniones de sus

moléculas. El cálculo no era complicado: al saber cuántas proteínas, cuántos azúcares, cuántos lípidos,

cuántos fosfatos, cuántos ácidos desoxirribonucleicos, etc. contiene una bacteria, y los tipos de enlaces

que tienen los átomos que constituyen dichas moléculas, pudo hacer una estimación de la energía que

debe contener la bacteria para ser catalogada como algo viviente. Luego supuso que todos los átomos

que componen la E. coli están sueltos en el volumen que ocupa dicha bacteria. Se preguntó entonces

cuál era la probabilidad de que, en un sistema en equilibrio una fluctuación diera fortuitamente una E.

coli.

El equilibrio es una situación en la que no hay trabajos netos. Cada vez que aparece una desviación

del estado de equilibrio, una fluctuación, se crea un gradiente; dicho gradiente genera una fuerza, esa

fuerza crea un trabajo y ese trabajo consiste en conducir de nuevo al equilibrio.

La pregunta de Morowitz era: ¿Cuál es la probabilidad de que, todos los carbonos libres, oxígenos,

hidrógenos, azufres, necesarios para formar una bacteria lleguen a organizarse de repente en una

fluctuación del estado de equilibrio —como el reloj de que hablábamos recién—y aparezca una

bacteria? Para hallar la respuesta, calculó que cantidad de energía mínima (qué alejamiento fortuito del

1 Extracto de una conferencia que se denominó “Termodinámica y Origen de la Vida” del científico argentino, residente enMéxico, Dr. Marcelino Cereijido. Esta conferencia la pronunció con motivo del homenaje a Oparín que se hiciera en el año1981. (Tomado de Prociencia. Biología. Módulo I: Hacia la vida: ¿Es posible encontrar el camino?, pp. 215-217)




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equilibrio) se necesita para hacer de moléculas sueltas una E. coli. Esa fluctuación, como cualquier

fluctuación de un estado de equilibrio, tiene una probabilidad (p). Morowitz calculó qué probabilidad

había de que alcanzara la energía necesaria para formar un ser vivo tan simple como una E. coli. La

respuesta fue: p= (10)-1011

Este es un número tan pequeño, que aunque desde el origen del Universo (El famoso Big

Bang o gran explosión inicial) se “ ensayara” la posibilidad de producir una simplísima E. coli. , estaposibilidad pertenece al orden de 10

-99999999866, o sea, es imposible. En síntesis, había que dejar de lado

la idea de que la vida pudiera haber surgido como una fluctuación de un estado de equilibrio. Esa era,

por aquel entonces, la mejor teoría disponible para explicar científicamente el origen de la vida en la

Tierra.

¡Pensar que estamos hablando de hace apenas veinte años! La solución tomó muchos años y esfuerzos.

A continuación veremos otras de las vías que condujeron hacia los conceptos actuales.

El abandono de los modelos de equilibrio

Los primeros pasos de la termodinámica fueron dados a través de los modelos de equilibrio. Los de la

Fisiología también: no sólo comúnmente (y a veces incorrectamente) aplicamos ecuaciones válidas

sólo para estados de equilibrio, sino que el concepto homeostasis es central al enfoque biológico.

Típicamente, los fisiólogos nos ocupamos de cómo hace el organismo para mantener constante su

glucemia, su pH, su contenido de sodio, su volumen sanguíneo. Pero es claro que los modelos de

equilibrio no llevan más que a imposibilidades (como las que ilustré anteriormente con el cálculo de

Morowitz). Con esos enfoques no podríamos explicar el fenómeno más evidente de la vida en la

Tierra: su evolución a organismos más complejos. Peor aún, equilibrio significa detención de todo

trabajo. Si nosotros mantuviéramos realmente el equilibrio, estaríamos muertos: caería nuestra

temperatura hasta la del medio ambiente, cesarían de contraerse nuestros músculos, de circular nuestra

sangre, se escaparía el potasio de nuestras células, se llenarían de sodio, y nuestro equilibrio consistiría

lisa y llanamente en la muerte, es decir, en la no vida. Entonces, ¿por qué los biólogos aplicamos

ecuaciones de equilibrio para estudiar los sistemas biológicos? Porque son más fáciles que las

ecuaciones de desequilibrio. Si nos cuesta entender las cosas cuando se quedan quietas, cuandoaparece la dinámica las cosas se tornan más complicadas aún. Por eso siempre se partió de estudiar las

cosas en equilibrio, aunque éste no existiera o fuera sólo una aproximación. Mas no es correcto tratar

con leyes de equilibrio a los sistemas biológicos. Los sistemas biológicos no tienden al equilibrio, sino

que tienden sólo a mantener constante la temperatura, la presión arterial, -aunque no tan constante,

porque está fluctuando-, el pH, la concentración de sodio… Si tomamos más agua, vamos a orinar

más, y si tomamos menos, vamos a orinar menos: el fisiólogo se preocupa justamente por ver cómo

hacen nuestros sistemas para recuperar el valor normal de un parámetro cuando por alguna razón lo

perdieron. Pero eso no es un equilibrio. En realidad, se trata de un estado estacionario. ¿Cuál es la

diferencia entre un estado estacionario y uno de equilibrio?

Los estados estacionariosSupongamos que tengo aquí, por ejemplo, una botella con un litro de agua. En función del tiempo, veo

que el litro de agua permanece constante. No pasa nada. No se le va el agua a la botella, allí está; está

en equilibrio. Muy bien, pero yo podría tener una segunda botella con un agujero por el cual pierde

agua gota a gota, pero yo se la repongo gota a gota. Al cabo de una hora viene un señor y ve que el

segundo litro está ahí, constante, y me dice: “Mire, está en equilibrio”. Sí, respondo, “equilibrio”.

¿Equilibrio? ¡Nada de eso! ¡Me pasé una hora poniéndole agua a la botella con un gotero! He gastado

energía. ¿Cuál es la diferencia entre las dos situaciones? Mientras que en el primer caso el litro de

agua se mantenía constante así porque no había ningún proceso, el segundo se mantiene así porque

hay procesos balanceados. Ustedes no tienen constante la cantidad de agua porque jamás tomen, jamás

orinen, jamás transpiren; sino porque lo que se toman y lo que transpiran y orinan está tan balanceado

que se mantiene constante. Eso ya no es un equilibrio, y desde el punto de vista termodinámico hayque enfrentarlo con otro tipo de ecuaciones, otro tipo de herramientas. ¿Por qué? Porque ahora se está

gastando energía en mantener ese estado. Los sistemas biológicos mantenemos una cantidad de

estados semiconstantes gracias a un gasto de energía muy grande.



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Resumamos entonces: cuando aparecen diferencias (de temperatura, de presión, de concentración, por

ejemplo) los gradientes producen flujos. Los flujos aparecen cuando el sistema se aleja del equilibrio.

Son el resultado de la tendencia del sistema para volver al equilibrio. Y esa tendencia es tanto mayor

cuanto mayor es el grado de alejamiento del equilibrio.

Esto caracteriza el funcionamiento de un sistema biológico, solamente durante un intervalo de tiempo

corto, pero no me explica cómo la evolución llegó del simple unicelular al gorila; no cómo llega un

huevo a un adulto que escribe a máquina y patalea. La situación es aún más compleja pues ni aún enreposo los sistemas biológicos son estables. Ejemplos: el corazón late, las neuronas disparan

potenciales de acción regularmente, las células entran en crisis que las lleva a dividirse con

regularidad.”

3. Guía para el análisis del texto:

1. Discuta en grupo los conceptos de primera y segunda ley de termodinámica,entropía, homeostasis, reacciones endergónicas y exergónicas, exotérmicas yendotérmicas, catabólicas y anabólicas, reacciones de óxido-reducción. Establezcanrelaciones entre los diferentes términos.

2. Los seres vivos son considerados sistemas abiertos. Expliquen el significado de estaafirmación. Analicen otros ejemplos. Este concepto está asociado al de homeostasis.¿Cuál es esa relación?

3. Diseñe un modelo para explicar cómo se comportan los sistemas abiertos en relacióna lo expresado en el texto.

4. En este momento distintos tipos de conversiones energéticas están ocurriendo en sucuerpo. ¿Cuáles son?

5. De acuerdo a lo expresado por Cereijido, ¿qué relación existe entre la organizaciónde un sistema biológico y los términos información y energía?

6. Cómo diferenciaría un estado estacionario de un estado de equilibrio. Proponga un

ejemplo referido a un sistema biológico.7. Clasifiquen los siguientes sistemas biológicos (organismos o células) de acuerdo asus formas de obtención de carbono y energía.

• Alga marrón.• Hongo.• Ceibo.• Sapo.• Bacteria productora del yogurt.• Bacteria nitrificante.• Célula del tejido meristemático de la raíz de una planta vascular.• Hepatocito.• Célula del parénquima clorofiliano (o clorénquima).• Planta de maíz.• Pato.• Alga verde.

8. ¿Qué es el ATP y qué papel desempeña en el metabolismo celular?¿Qué relaciónexiste ente esta molécula y las rutas anabólicas y catabólicas? ¿Existen otras moléculasque puedan “aportar” energía en los procesos metabólicos?

9. La mayoría de los organismos no pueden vivir a temperaturas elevadas. Expliquen almenos una forma en la cual las temperaturas elevadas son dañinas para los organismos.

10. Expliquen en términos de la termodinámica por qué en un ecosistema existen másplantas que herbívoros y más herbívoros que carnívoros.




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Enzimas:

Todas las reacciones químicas requieren del uso de sustancias denominadas catalizadores.

1. ¿Cuál es el papel de un catalizador en una reacción química?

2. ¿Cómo se define una enzima?

3. Enumerar las propiedades de las enzimas ¿Por qué las enzimas son más eficientesque los catalizadores no biológicos?.

4. ¿Qué es un cofactor enzimático? Ejemplificar

5. ¿A que se llama catálisis enzimática?

6. ¿Cuáles son los factores o causas que modifican la acción enzimática?

7. ¿A qué se denomina regulación alostérica?

8. El nombre de las enzimas consta de dos partes. La primera corresponde al nombredel sustrato, la segunda que finaliza en asa al tipo de reacción que cataliza. De estamanera las enzimas pueden clasificarse en seis grupos principales. Describir yejemplificar cada grupo:

• Óxido—reductasas

• Transferasas

• Hidrolasas

• Liasas

• Isomerasas

• Ligasas

• Peña, A. y Dreyfus, G. (1997). La energía y la vida. Bioenergética . Fondo deCultura Económica. México.Disponible en:http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/092/htm/energia.htm

• Remblado, M y Sceni P. (2009). La química de los alimentos. Cap. 5: Las enzimas .Disponible en:http://www.inet.edu.ar/programas/capacitacion/materiales/nuevos/libros%20federico/La%20Quimica%20en%20los%20alimentos/06.zip

• Rivolta, G. / Castro R. / Handel, M. (1991). Actualizaciones en Biología . Eudeba.Buenos Aires.

Energía y Metabolismo (Hipertextos del Área de Biología)

Funciones enzimáticas (MULTIMEDIA /Videos)

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/092/htm/energia.htm


http://www.inet.edu.ar/programas/capacitacion/materiales/nuevos/libros%20federico/La%20Quimica%20en%20los%20alimentos/06.zip






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