Energética Celular

Gran Idea 2 — Energetica: Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener una homeostasis dinámica.

Objetivo de aprendizaje 3.1.A: Explicar cómo las enzimas afectan la velocidad de las reacciones biológicas.

• 3.1.A.1 La estructura y función de las enzimas contribuyen a la regulación de los procesos biológicos. Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores biológicos, facilitando las reacciones químicas en las células al reducir la energía de activación.
• 3.1.A.2 Para que ocurra una reacción química mediada por una enzima, la forma y la carga del sustrato deben ser compatibles con el sitio activo de la enzima. Esto se ilustra mediante el modelo del complejo enzima-sustrato.

Gran Idea 2 — Energetica: Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener una homeostasis dinámica.

Objetivo de aprendizaje 3.2.A: Explicar cómo los cambios en la estructura de una enzima pueden afectar su función.

• 3.2.A.1 Un cambio en la estructura molecular de un componente de un sistema enzimático puede resultar en un cambio en su función o eficiencia.
  • i. La desnaturalización de proteínas, como las enzimas, ocurre cuando la estructura proteica se altera por un cambio en la temperatura, el pH o el entorno químico, eliminando la capacidad de catalizar reacciones.
  • ii. Las temperaturas ambientales y el pH fuera del rango óptimo para una enzima dada causarán cambios en su estructura (al interrumpir los puentes de hidrógeno), alterando la eficiencia con la que cataliza reacciones.
• 3.2.A.2 En algunos casos, la desnaturalización de la enzima es reversible, permitiendo que la enzima recupere su actividad.

Objetivo de aprendizaje 3.2.B: Explicar cómo el entorno celular afecta la actividad enzimática.

• 3.2.B.1 Las concentraciones relativas de sustratos y productos determinan qué tan eficientemente procede una reacción enzimática.

Idea principal 2 — Energetica: Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener una homeostasis dinámica.

Objetivo de aprendizaje 3.3.A: Describir el papel de la energía en los organismos vivos.

• 3.3.A.1 Todos los sistemas vivos requieren un aporte de energía.
• 3.3.A.2 La vida requiere un sistema altamente ordenado y no viola la primera y segunda leyes de la termodinámica.
  • i. El aporte de energía debe superar la pérdida de energía para mantener el orden y impulsar los procesos celulares.
  • ii. Los procesos celulares que liberan energía pueden acoplarse con procesos celulares que requieren energía.
  • iii. Una pérdida significativa de orden o de flujo de energía resulta en la muerte.
  • Declaración de exclusión: Los estudiantes deben comprender el concepto de energía, pero la ecuación de energía libre de Gibbs se encuentra fuera del alcance del Examen AP.
• 3.3.A.3 Las vías relacionadas con la energía en los sistemas biológicos son secuenciales para permitir una transferencia de energía más controlada. Un producto de una reacción en una vía metabólica suele ser el reactivo para el paso siguiente en dicha vía.

Objetivo de aprendizaje 3.3.B: Explicar cómo los procesos y características compartidos, conservados y fundamentales apoyan el concepto de ascendencia común para todos los organismos.

• 3.3.B.1 Las vías metabólicas centrales (p. ej., glucólisis, fosforilación oxidativa) están conservadas en todos los dominios actualmente reconocidos (Arquea, Bacteria y Eukarya).

Idea Central 2 — Energetica: Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.

Objetivo de Aprendizaje 3.4.A: Describir los procesos fotosintéticos y las características estructurales del cloroplasto que permiten a los organismos capturar y almacenar energía.

• 3.4.A.1 La fotosíntesis es la serie de reacciones que utiliza dióxido de carbono $(\mathrm{CO_2})$, agua $(\mathrm{H_2O})$ y energía luminosa para producir carbohidratos y oxígeno $(\mathrm{O_2})$.
  • i. Los organismos fotosintéticos capturan energía del sol y producen azúcares que pueden utilizarse en procesos biológicos o almacenarse.
  • ii. La fotosíntesis evolucionó primero en organismos procariotas.
  • iii. La evidencia científica respalda la afirmación de que la fotosíntesis procariota (cianobacteriana) fue responsable de la producción de una atmósfera oxigenada.
  • iv. Las vías fotosintéticas procariotas fueron la base de la fotosíntesis eucariota.
  • Afirmación de exclusión: La memorización de los pasos del ciclo de Calvin, la estructura de las moléculas y los nombres de las enzimas involucradas, con la excepción de la ATP sintasa, se encuentra fuera del alcance del Examen AP.
• 3.4.A.2 El estroma y los tilacoides se encuentran dentro del cloroplasto.
  • i. El estroma es el fluido dentro de la membrana interna del cloroplasto y fuera del tilacoide. Las reacciones de fijación de carbono (ciclo de Calvin) de la fotosíntesis ocurren en el estroma.
  • ii. Las membranas tilacoidales contienen pigmentos de clorofila organizados en dos fotosistemas, así como proteínas de transporte de electrones.
  • iii. Los tilacoides están organizados en pilas llamadas grana. Las reacciones luminosas de la fotosíntesis ocurren en las grana.
• 3.4.A.3 Las reacciones luminosas de la fotosíntesis en eucariotas implican una serie de vías de reacciones coordinadas que capturan la energía presente en la luz para producir ATP y NADPH, los cuales impulsan la producción de moléculas orgánicas en el ciclo de Calvin. Esto proporciona energía para procesos metabólicos.

Objetivo de Aprendizaje 3.4.B: Explicar cómo las células capturan energía de la luz y la transfieren a moléculas biológicas para su almacenamiento y uso.

• 3.4.B.1 Las reacciones de la cadena de transporte de electrones (CTE) ocurren en cloroplastos, mitocondrias y a través de membranas plasmáticas procariotas. En la fotosíntesis, los electrones que pasan a través de la membrana tilacoidal son capturados y finalmente transferidos al $\mathrm{NADP^+}$, reduciéndolo a NADPH en el fotosistema I.
  • Afirmación de exclusión: Los nombres completos de los transportadores de electrones específicos en la cadena de transporte de electrones se encuentran fuera del alcance del Examen AP.
  • Afirmación de exclusión: Pasos específicos, nombres de enzimas e intermediarios de las vías de estos procesos se encuentran fuera del alcance de este curso y del Examen AP.
• 3.4.B.2 Durante la fotosíntesis, las clorofilas absorben energía de la luz, elevando los electrones a un nivel de energía más alto en los fotosistemas I y II. El agua se divide entonces, suministrando electrones para reemplazar aquellos perdidos por el fotosistema II.
• 3.4.B.3 Los fotosistemas I y II están incrustados en las membranas tilacoidales de los cloroplastos y están conectados mediante la transferencia de electrones a través de una CTE.
• 3.4.B.4 Cuando los electrones se transfieren entre moléculas en una serie de reacciones de oxidación/reducción mientras pasan por la CTE, se establece un gradiente electroquímico de protones (iones de hidrógeno) a través de la membrana tilacoidal. La membrana separa una región de baja concentración de protones fuera de la membrana tilacoidal de una región de alta concentración de protones dentro de la membrana tilacoidal.
• 3.4.B.5 La formación del gradiente de protones está vinculada a la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico mediante la ATP sintasa. El flujo de protones hacia atrás a través de la ATP sintasa unida a la membrana por quimiosmosis impulsa la formación de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico; esto se conoce como fotofosforilación.
• 3.4.B.6 La energía capturada en las reacciones luminosas y transferida al ATP y NADPH impulsa la producción de carbohidratos a partir de dióxido de carbono en el ciclo de Calvin. Esto ocurre en el estroma del cloroplasto.

Gran Idea 2 — Energetica: Los sistemas biológicos utilizan energía y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener una homeostasis dinámica.

Objetivo de Aprendizaje 3.5.A: Describir los procesos y las características estructurales de las mitocondrias que permiten a los organismos utilizar la energía almacenada en macromoléculas biológicas.

• 3.5.A.1 La respiración celular utiliza la energía de las macromoléculas biológicas para sintetizar ATP. La respiración y la fermentación son características de todas las formas de vida.
• 3.5.A.2 La respiración celular aeróbica en eucariotas implica una serie de reacciones coordinadas catalizadas por enzimas que capturan energía de las macromoléculas biológicas.
• 3.5.A.3 La cadena de transporte de electrones transfiere electrones en una serie de reacciones de oxidación-reducción que establecen un gradiente electroquímico a través de membranas.
  • i. En la respiración celular, los electrones entregados por NADH y $\mathrm{FADH_2}$ se transfieren a una serie de aceptores de electrones a medida que avanzan hacia el aceptor terminal de electrones, el oxígeno. Las procariotas aeróbicas utilizan el oxígeno como aceptor terminal de electrones, mientras que las procariotas anaeróbicas utilizan otras moléculas.
  • ii. La transferencia de electrones a través de la cadena de transporte de electrones va acompañada de la formación de un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna, con la(s) membrana(s) separando una región de alta concentración de protones fuera de la membrana de una región de baja concentración de protones dentro de la membrana. El plegamiento de la membrana interna aumenta el área superficial, lo que permite sintetizar más ATP. En las procariotas, el paso de electrones va acompañado del movimiento de protones a través de la membrana plasmática.
  • iii. El flujo de protones de regreso a través de la ATP sintasa unida a la membrana por quimiosmosis impulsa la formación de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. Esto se conoce como fosforilación oxidativa en la respiración celular aeróbica.
  • iv. En la respiración celular aeróbica, desacoplar la fosforilación oxidativa del transporte de electrones genera calor. Este calor puede ser utilizado por los organismos endotermos para regular la temperatura corporal.
  • Enunciado de exclusión: Los nombres completos de los transportadores de electrones específicos en la cadena de transporte de electrones están fuera del alcance del Examen AP.
  • Enunciado de exclusión: Pasos específicos, nombres de enzimas e intermediarios de las vías para estos procesos están fuera del alcance de este curso y del Examen AP.

Objetivo de Aprendizaje 3.5.B: Explicar cómo las células obtienen energía de las macromoléculas biológicas para impulsar funciones celulares.

• 3.5.B.1 La glucólisis es una vía bioquímica que libera la energía de las moléculas de glucosa para formar ATP (a partir de ADP y fosfato inorgánico), NADH (a partir de $\mathrm{NAD^+}$) y piruvato.
• 3.5.B.2 El piruvato se transporta desde el citosol a la mitocondria donde ocurre la oxidación. Este proceso libera electrones durante el ciclo de Krebs (del ácido cítrico), reduciendo $\mathrm{NAD^+}$ a NADH y FAD a $\mathrm{FADH_2}$, y liberando $\mathrm{CO_2}$.
• 3.5.B.3 El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial. Durante el ciclo de Krebs, se libera dióxido de carbono de los intermediarios orgánicos, se sintetiza ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico, y se transfieren electrones mediante las coenzimas $\mathrm{NAD^+}$ y FAD.
• 3.5.B.4 Los electrones extraídos en las reacciones de la glucólisis y del ciclo de Krebs son transferidos por NADH y $\mathrm{FADH_2}$ a la cadena de transporte de electrones en la membrana mitocondrial interna.
• 3.5.B.5 Cuando los electrones se transfieren entre moléculas en una secuencia de reacciones a medida que pasan por la cadena de transporte de electrones, se establece un gradiente electroquímico de protones (iones hidrógeno) a través de la membrana mitocondrial interna. El pH dentro de la matriz mitocondrial es mayor que en el espacio intermembrana.
• 3.5.B.6 La fermentación permite que la glucólisis continúe en ausencia de oxígeno y produce moléculas orgánicas como alcohol y ácido láctico.
  • Enunciado de exclusión: La memorización de los pasos de la glucólisis y del ciclo de Krebs, así como de las estructuras de las moléculas y los nombres de las enzimas involucradas, está fuera del alcance de este curso y del Examen AP.