AUTOEVALUACION: CAPÍTULO 7. El flujo de energía

Cuestionario:

Distinga entre los siguientes términos: la primera ley de la termodinámica/segunda ley de la termodinámica; DH/DS/DG; exergónica/endergónica; oxidación/reducción, metabolismo/catabolismo/anabolismo; sitio activo/sustrato; inhibición competitiva/inhibición no competitiva/inhibición irreversible; ATP/ADP/ AMP.
En este momento, al menos cuatro tipos de conversiones energéticas están ocurriendo en su cuerpo. Menciónelas.
Todos los procesos naturales se desarrollan con un aumento en la entropía. ¿Cómo explica entonces el congelamiento del agua?
Las leyes de la termodinámica se aplican solamente a sistemas cerrados, o sea, a sistemas en los cuales no hay entrada de energía. ¿Es un acuario habitualmente un sistema cerrado? ¿Podría convertirlo en uno? Una nave espacial puede o no ser un sistema cerrado, dependiendo de ciertos rasgos de diseño. ¿Cuáles deberían ser estos rasgos? ¿Es la Tierra un sistema cerrado?
Explique por qué un sistema vivo, a pesar de las apariencias, no está violando la segunda ley de la termodinámica.
¿Qué es lo que distingue significativamente al proceder ordenado de un organismo vivo del proceder metódico de una máquina, tal como una computadora o una red telefónica?
¿Cuál es la base de la especificidad de la acción enzimática? ¿Cuál es la ventaja para la célula de esta especificidad? ¿Cuáles serían las desventajas para la célula?
Vea la figura 3-18 del libro, en la cual se muestran todos los aminoácidos y trate de plantear algunas conjeturas sobre cuáles aminoácidos podrían ser sustituidos por otros en la estructura de una enzima y cuáles sustituciones producirían efectos drásticos.
Cuando una planta no tiene un suministro adecuado de un mineral esencial, como el magnesio, es probable que se enferme y muera. Cuando un animal carece de una vitamina en particular en su dieta, es muy probable que se enferme y muera. ¿Cuál es la explicación razonable para este fenómeno?
La mayoría de los organismos no pueden vivir a temperaturas altas. Explique al menos una forma en la cual las temperaturas elevadas son dañinas para los organismos. Sin embargo, algunas bacterias y algas pueden vivir en fuentes termales a temperaturas mucho mayores que las que pueden ser toleradas por la mayoría de los organismos. ¿Cómo podrían estas bacterias y algas diferir de la mayoría de los otros organismos?
En la regulación enzimática por interacción alostérica, el inhibidor frecuentemente trabaja sobre la primera enzima de la serie; en la regulación por inhibición competitiva opera frecuentemente sobre la última. ¿Cómo podría explicar esta diferencia?
En una serie de experiencias con una enzima que cataliza a una reacción que implica al sustrato A, se encontró que una sustancia X determinada inhibía a la enzima. Cuando la concentración de A era alta y la concentración de X baja, la reacción ocurría rápidamente; a medida que la concentración de X crecía y la de A disminuía, la reacción se hacía más lenta; cuando la concentración de X era alta y la de A era baja, la reacción se detenía. Si la concentración de A nuevamente se incrementaba, la reacción se reanudaba. ¿Cómo puede explicar estos resultados?
Cuando una droga sulfa, como la sulfanilamida se receta para una infección bacteriana es muy importante acordarse de ingerir la droga en los momentos y en la dosis prescritos. ¿Por qué es esto esencial? Suponga que a usted se le indicara tomar dos tabletas cada 3 horas, y en lugar de esto, usted tomara solamente una cada 5. ¿Qué cree que ocurriría?
Algunas sociedades humanas usan el sistema de trueque para intercambiar bienes y servicios. Sin embargo, todas las sociedades complejas tienen una forma de intercambio monetario. ¿Cuáles son las ventajas de un intercambio monetario? Relacione su respuesta con el sistema ADP/ATP.
¿Por qué, en la fotografía que acompaña a este cuestionario, hay más plantas que cebras y más cebras que leones? Explíquelo en términos termodinámicos.

Respuestas:

1. Distinga entre los siguientes términos: la primera ley de la termodinámica/segunda ley de la termodinámica; DH/DS/DG; exergónica/endergónica; oxidación/reducción, metabolismo/catabolismo/anabolismo; sitio activo/sustrato; inhibición competitiva/inhibición no competitiva/inhibición irreversible; ATP/ADP/ AMP.

La primera ley de la termodinámica establece que la energía puede convertirse de una forma en otra, pero no puede ser creada ni destruida. La energía total de cualquier sistema más sus alrededores permanece, por eso, constante a pesar de todos los cambios de forma.

La segunda ley de la termodinámica establece que todos los procesos naturales tienden a ocurrir en una dirección tal que se incremente el desorden o condición aleatoria del Universo.

DH es el cambio en el contenido de calor del sistema. DS es el cambio en la entropía del sistema y DG es una magnitud que recibe el nombre de potencial termodinámico a presión constante o energía libre de Gibbs. En el caso de una reacción química, el cambio en la energía libre de Gibbs se puede calcular como la diferencia entre la energía libre de los productos finales y la de los sustratos iniciales. Así, constituye una medida directa de la cantidad de desorden que se crea en el Universo cuando una reacción química ocurre. El cambio en el contenido de calor del sistema (DH) así como el cambio de entropía (DS) contribuyen al cambio global de energía libre. Este cambio total, que tiene en cuenta tanto el calor como la entropía, se expresa en la siguiente ecuación:

DG = DH - TDS

Esta expresión establece que el cambio de energía libre es igual a la diferencia entre el cambio en el contenido de calor (recuérdese que en las reacciones exotérmicas DH tiene valor negativo) y el cambio de entropía, multiplicado por la temperatura absoluta T.

Los procesos endergónicos ("ingreso de energía") son los que requieren energía y para que ocurran se requiere un ingreso de energía mayor que la diferencia de energía entre los productos y las sustancias que reaccionan. Un proceso exergónico ("salida de energía") es un proceso en el cual la energía libre del estado final es menor que la del estado inicial, es un proceso que libera energía.

La oxidación es la pérdida de un electrón y el átomo o molécula que pierde el electrón se dice que se ha oxidado. La reducción es, por el contrario, la ganancia de un electrón. La oxidación y la reducción siempre ocurren simultáneamente, porque el electrón que pierde el átomo oxidado es aceptado por otro átomo que se reduce en el proceso.

Metabolismo es la suma de todas estas reacciones químicas en cualquier sistema vivo. El anabolismo es el total de las reacciones químicas involucradas en la síntesis de sustancias. Son procesos que requieren energía. El catabolismo es la ruptura de moléculas de mayor tamaño: libera la energía para el anabolismo y otros trabajos de la célula y suministra la materia prima para los procesos anabólicos.

El sitio activo es la región de una enzima en el que encajan la molécula o moléculas reactivas –el sustrato– y donde tienen lugar las reacciones. Un sustrato es la molécula (o moléculas) sobre las cuales actúa una enzima.

En la regulación conocida como inhibición competitiva, algunos compuestos inhiben la actividad enzimática ocupando temporalmente el sitio activo de la enzima; el compuesto regulatorio y el sustrato compiten para unirse al sitio activo. La inhibición competitiva es completamente reversible; el resultado de la competencia en cualquier momento en particular depende de cuántas moléculas de cada tipo estén presentes. En la inhibición no competitiva, el compuesto químico inhibitorio, que no necesita parecerse al sustrato, se une a la enzima en un sitio de la molécula distinto del sitio activo. Al igual que la inhibición competitiva, la inhibición no competitiva es a menudo reversible, pero esta reversión no se cumple por un incremento en las concentraciones de sustrato. Algunas sustancias inhiben a las enzimas en forma irreversible, porque se unen permanentemente con grupos funcionales claves del sitio activo o porque desnaturalizan completamente a la proteína de modo tal que su estructura terciaria no se puede restablecer.

El adenosín trifosfato o ATP es la moneda energética de la célula que puede gastarse de inmediato. Está constituida por la base nitrogenada adenina, el azúcar de cinco carbonos ribosa y tres grupos fosfato. Estos tres grupos fosfato con fuertes cargas negativas están unidos covalentemente entre sí. La energía se libera de la molécula de ATP cuando se elimina el tercer fosfato por hidrólisis dejando ADP (adenosín difosfato) y un fosfato:

ATP + H₂O -> ADP + fosfato

En el curso de esta reacción, se liberan unas 7 kilocalorías de energía por mol de ATP. La eliminación del segundo fosfato produce AMP (adenosín monofosfato) y libera una cantidad equivalente de energía:

ADP + H₂O -> AMP + fosfato

2. En este momento, al menos cuatro tipos de conversiones energéticas están ocurriendo en su cuerpo. Menciónelas.

Hay varias respuestas posibles para esta pregunta. Entre las reacciones de conversión de energía que ocurren en el cuerpo están la conversión de energía química a energía calórica por la combustión de hidratos de carbono; la conversión de energía química a energía mecánica en la acción de los músculos; la energía mecánica en calor como resultado de la fricción en los movimientos; la conversión de energía lumínica en química o eléctrica en los ojos; la conversión de energía química en eléctrica en las células del sistema nervioso; la conversión de energía eléctrica en energía química en las terminaciones nerviosas de los músculos.

3. Todos los procesos naturales se desarrollan con un aumento en la entropía. ¿Cómo explica entonces el congelamiento del agua?

En el proceso de congelamiento del agua hay una disminución del contenido de calor del agua. A pesar de que la tendencia al orden del sistema se incrementa (y, por lo tanto, la entropía disminuye) la energía libre del agua disminuye. Un cambio de energía libre siempre involucra el DH y TDS. Pero el agua congelada no es un sistema aislado. El calor que ha sido removido del agua ha sido disipado hacia el medio y ha conducido a un aumento del movimiento de las moléculas (y, por lo tanto, a un aumento de la entropía) en el sistema total.

4. Las leyes de la termodinámica se aplican solamente a sistemas cerrados, o sea, a sistemas en los cuales no hay entrada de energía. ¿Es un acuario habitualmente un sistema cerrado? ¿Podría convertirlo en uno? Una nave espacial puede o no ser un sistema cerrado, dependiendo de ciertos rasgos de diseño. ¿Cuáles deberían ser estos rasgos? ¿Es la Tierra un sistema cerrado?

Un acuario no es un sistema cerrado. Generalmente es abierto, a menudo tiene un aireador dentro de él y usted agrega alimento y otros animales y a menudo limpia los desechos. Incluso si usted sella el acuario, luego de colocar suficientes plantas para alimentar a los animales y proveerles oxígeno, sería de todos modos un sistema abierto, la energía entraría en el sistema en forma de luz. Si ese acuario cerrado fuera colocado en la oscuridad, todos los seres vivos dentro de él morirían.

Una nave espacial podría ser un sistema cerrado si tuviera la tecnología para producir alimento y oxígeno para sus ocupantes, para reciclar sus desechos y para encontrar una forma de proveer energía sin depender de ninguna fuente externa, incluido el Sol. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, esa nave podría ser un sistema cerrado por un corto período de tiempo.

La Tierra no es un sistema cerrado. La energía fluye constantemente a la Tierra desde el Sol.

5. Explique por qué un sistema vivo, a pesar de las apariencias, no está violando la segunda ley de la termodinámica.

Aunque los sistemas vivos parecerían estar violando la segunda ley de la termodinámica, eso no sucede porque no están aislados del medio que los rodea. Debe tenerse en cuenta que en cada transformación se pierde energía en el ambiente en forma de calor. Este calor liberado incrementa el movimiento aleatorio, y con éste el desorden del resto del Universo, lo cual compensa adecuadamente el aumento de orden producido en un determinado proceso de un sistema biológico. Puesto que la producción de orden biológico acoplada con la liberación de calor al medio ambiente debe sostenerse, es necesario el aporte de energía en formas diferentes al calor. Este aporte es el que se realiza continuamente a través del mecanismo de la fotosíntesis.

6. ¿Qué es lo que distingue significativamente al proceder ordenado de un organismo vivo del proceder metódico de una máquina, tal como una computadora o una red telefónica?

La principal diferencia es que el organismo se autoconserva. El organismo vivo puede construir y mantener su compleja organización y puede producir más organismos semejantes.

7. ¿Cuál es la base de la especificidad de la acción enzimática? ¿Cuál es la ventaja para la célula de esta especificidad? ¿Cuáles serían las desventajas para la célula?

La especificidad de la acción de una enzima resulta de la precisa relación estructural que existe entre el sitio activo de la enzima y su molécula sustrato. La principal ventaja de esa especificidad es que la reacción química dentro de la célula está precisamente regulada por la presencia de esa enzima. Una desventaja es que cualquier alteración del sitio activo de una enzima puede hacer que la enzima sea inactiva. Esta alteración puede estar causada, por ejemplo, por un incremento en la temperatura que rompe los puentes de hidrógeno y otras fuerzas que mantienen la estructura terciaria o cuaternaria de la enzima. Otra desventaja es que una célula debe fabricar muchas clases diferentes de enzimas en lugar de unas pocas de "uso múltiple".

8. Vea la figura 3-18 del libro, en la cual se muestran todos los aminoácidos y trate de plantear algunas conjeturas sobre cuáles aminoácidos podrían ser sustituidos por otros en la estructura de una enzima y cuáles sustituciones producirían efectos drásticos.

Los aminoácidos similares no polares podrían ser sustituidos uno por otro, lo mismo los polares y tener muy poco efecto en la función de la enzima, incluido el sitio activo, que no cambiaría. Estos aminoácidos similares podrían ser leucina, isoleucina y valina; asparagina y glutamina; ácido aspártico y ácido glutámico y tal vez lisina y arginina. La sustitución de un aminoácido polar por un no polar, o viceversa, o la sustitución de cisteína (con su átomo de azufre que tiende a formar una unión covalente con otro átomo de sulfuro de otra cisteína) cambiaría la estructura terciaria de la proteína y, por lo tanto, el sitio activo se alteraría.

9. Cuando una planta no tiene un suministro adecuado de un mineral esencial, como el magnesio, es probable que se enferme y muera. Cuando un animal carece de una vitamina en particular en su dieta, es muy probable que se enferme y muera. ¿Cuál es la explicación razonable para este fenómeno?

En las plantas, el mineral es probablemente esencial como cofactor para una o varias enzimas. Las enzimas que requieren cofactores no son funcionales en su ausencia y así una deficiencia mineral conducirá a una interrupción de los procesos vitales en la planta. De manera similar, algunas enzimas en los animales requieren coenzimas y las vitaminas son una parte esencial de la estructura de muchas coenzimas.

10. La mayoría de los organismos no pueden vivir a temperaturas altas. Explique al menos una forma en la cual las temperaturas elevadas son dañinas para los organismos. Sin embargo, algunas bacterias y algas pueden vivir en fuentes termales a temperaturas mucho mayores que las que pueden ser toleradas por la mayoría de los organismos. ¿Cómo podrían estas bacterias y algas diferir de la mayoría de los otros organismos?

Las altas temperaturas desnaturalizan las proteínas, es decir que pierden su configuración tridimensional característica. Esta desnaturalización destruye la actividad enzimática en la mayoría de los organismos. Las bacterias y las algas que pueden vivir en fuentes termales a temperaturas altas tienen enzimas cuya configuración funcional es diferente de las de la mayoría de los organismos.

11. En la regulación enzimática por interacción alostérica, el inhibidor frecuentemente trabaja sobre la primera enzima de la serie; en la regulación por inhibición competitiva opera frecuentemente sobre la última. ¿Cómo podría explicar esta diferencia?

La diferencia está relacionada con la eficiencia metabólica. En la regulación de la actividad enzimática por interacción alostérica, el inhibidor bloquea toda la vía enzimática dado que actúa sobre la primera enzima de la serie. Esto impide la realización de los pasos intermedios que no son necesarios y así se conserva energía y materia prima. En la inhibición competitiva, una vía es bloqueada cuando una sustancia (por ejemplo, un producto de una de las subsecuentes reacciones de la vía o una sustancia extraña, como una droga) compite con el sustrato por el sitio activo de una enzima particular. Cuando la concentración de la sustancia inhibidora es alta, la reacción normalmente catalizada por la enzima no se lleva a cabo; cuando esta concentración cae en relación a la concentración del sustrato, la reacción se retoma. La inhibición competitiva, que puede ocurrir, en un principio, en cualquier paso de la vía, no es tan eficiente como la inhibición alostérica en lo que se refiere a la conservación de energía y materia prima, pero en ambos casos hay una interrupción de la vía metabólica.

12. En una serie de experiencias con una enzima que cataliza a una reacción que implica al sustrato A, se encontró que una sustancia X determinada inhibía a la enzima. Cuando la concentración de A era alta y la concentración de X baja, la reacción ocurría rápidamente; a medida que la concentración de X crecía y la de A disminuía, la reacción se hacía más lenta; cuando la concentración de X era alta y la de A era baja, la reacción se detenía. Si la concentración de A nuevamente se incrementaba, la reacción se reanudaba. ¿Cómo puede explicar estos resultados?

La sustancia X y el sustrato A compiten para unirse al sitio activo de la enzima que cataliza esa reacción. La sustancia X es un inhibidor competitivo del sustrato A.

13. Cuando una droga sulfa, como la sulfanilamida se receta para una infección bacteriana es muy importante acordarse de ingerir la droga en los momentos y en la dosis prescritos. ¿Por qué es esto esencial? Suponga que a usted se le indicara tomar dos tabletas cada 3 horas, y en lugar de esto, usted tomara solamente una cada 5. ¿Qué cree que ocurriría?

Las drogas sulfa son inhibidores competitivos de una enzima bacteriana que actúa sobre el ácido para-aminobenzoico (PABA) en la vía metabólica que lleva a la formación del ácido fólico. Sin el ácido fólico, la célula bacteriana muere. Sin embargo, para que la inhibición sea efectiva, la concentración de la droga sulfa debe ser alta en relación al ácido para-aminobenzoico. Si la droga fuera tomada en menor cantidad que la prescripta, su concentración en la célula bacteriana no sería suficientemente alta para completar el bloqueo de la formación de ácido fólico. Si fuera tomada en menor frecuencia, habría suficiente tiempo para que la concentración de ácido para-aminobenzoico alcance el punto en que revierte la inhibición de la droga sulfa y se retomaría la producción de ácido fólico antes que la nueva dosis sea tomada. En el ejemplo hipotético, la producción de ácido fólico sería menor, pero no sería detenida enteramente y la mayoría de las bacterias podrían sobrevivir y multiplicarse.

14. Algunas sociedades humanas usan el sistema de trueque para intercambiar bienes y servicios. Sin embargo, todas las sociedades complejas tienen una forma de intercambio monetario. ¿Cuáles son las ventajas de un intercambio monetario? Relacione su respuesta con el sistema ADP/ATP.

Las ventajas de un sistema de intercambio monetario son que el dinero, cualquiera sea su forma, es usualmente de mucho más fácil transporte que una variedad de bienes; asimismo, puede utilizarse en fracciones o múltiplos de una unidad de valor especificado. Con un sistema monetario, la capacidad de compra de bienes o servicios no depende de la posesión de bienes o servicios particulares que pueda necesitar el vendedor, o de bienes o servicios de valor equivalente a aquellos que se compran. Se paga con dinero, que el vendedor puede utilizar para comprar los bienes y servicios que necesita. En el caso del sistema ATP-ADP, la "moneda de cambio" de energía de las células tiene la forma de pequeñas moléculas que pueden moverse fácilmente a través de la célula hasta el lugar donde se libera o se necesita energía. El sistema ATP-ADP tiene un valor de energía de tamaño conveniente, de tal manera que las unidades de ATP, o sus múltiplos, pueden ser utilizadas para producir las reacciones biosintéticas de la célula, o bien pueden ser sintetizadas a partir de ADP usando la energía liberada en reacciones catabólicas. Utilizando el sistema ATP-ADP, la célula puede fácilmente realizar intercambios de energía entre moléculas o sistemas reactivos que poseen valores de energía bastante diferentes. Y, a diferencia del dinero, este sistema no sufre inflación o depreciación.

15. ¿Por qué, en la fotografía que acompaña a este cuestionario, hay más plantas que cebras y más cebras que leones? Explíquelo en términos termodinámicos.

En el sistema mostrado en la fotografía que acompaña este cuestionario, la energía proveniente del Sol es capturada por el pasto, luego transferida a las cebras, y finalmente de éstas a los leones. En cada conversión, una parte de la energía almacenada se "pierde". Después que las cebras comen el pasto, la cantidad de energía añadida y almacenada en sus cuerpos es menor que la originalmente almacenada en el pasto. En el transcurso de la digestión, la estructura altamente organizada de las grasas se rompe (con el correspondiente incremento del desorden), y debe utilizarse energía adicional para reorganizar los productos digestivos en material estructural de la cebra. Posteriormente, una cantidad considerable de energía es disipada por la cebra en forma de calor, como resultado de los procesos metabólicos y de la fricción producida por sus movimientos. Similares pérdidas de energía ocurren en el paso desde la cebra al león. Como consecuencia de estas pérdidas, debe haber más "sustancia cebra" que "sustancia león" para poder suministrar las necesidades de energía del león, y similarmente más "sustancia planta" que "sustancia cebra" para poder suministrar las necesidades de energía de la cebra. Puesto que las plantas son más pequeñas que las cebras y éstas menores que el león, y como cada uno ocupa un lugar diferente en la cadena trófica, el resultado final es la presencia de más plantas que cebras y más cebras que leones.

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