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Energía y metabolismo
∗
OpenStax
Based on Energy and Metabolism† by
OpenStax
This work is produced by OpenStax-CNX and licensed under the
Creative Commons Attribution License 4.0‡
Abstract
Al nal de esta sección serás capaz de:
Explicar qué son las rutas metabólicas.
Formular la primera y la segunda ley de la termodinámica.
Explicar las diferencias entre energía cinética y energía potencial.
Describir las reacciones endergónicas y exergónicas.
Discutir la función de las enzimas como catalizadores moleculares.
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Los cientícos utilizan el término
bioenergética
para describir el concepto de ujo de energía en los
sistemas vivos, como las células (Figure 1); los procesos celulares, tales como la formación y degradación
de moléculas complejas, se llevan a cabo a través de reacciones químicas.
son espontáneas y liberan energía, mientras que otras requieren de ésta.
Algunas de estas reacciones
Así como los seres vivos deben
consumir alimentos para reponer el suministro de energía, las células deben reponer la energía utilizada en
las reacciones químicas que llevan a cabo. El
metabolismo celular es el conjunto de todas las reacciones
químicas que ocurren dentro de la célula, incluyendo aquellas que consumen o generan energía.
∗ Version
1.10: May 18, 2016 3:07 pm -0500
† http://cnx.org/content/m45437/1.6/
‡ http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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Figure 1: Una gran cantidad de organismos obtiene energía del sol. Las plantas capturan la energía
solar para efectuar la fotosíntesis, y los herbívoros se alimentan de las plantas para obtener energía. Los
carnívoros se comen a los herbívoros, y eventualmente la descomposición del material vegetal y animal
contribuye al almacén de nutrientes.
1 Rutas metabólicas
El metabolismo del azúcar es un ejemplo clásico de uno de tantos procesos celulares que consumen y producen
energía; los seres vivos consumen azúcares como fuente principal de energía, ya que las moléculas de azúcar
tienen una gran cantidad de energía almacenada en sus enlaces. Los principales productores de estos azúcares
son los organismos fotosintetizadores, como las plantas. Durante la fotosíntesis, las plantas utilizan la energía
proveniente del sol para transformar el dióxido de carbono (CO2 ) en moléculas de azúcar (como la glucosa
C6 H12 O6 ).
Las plantas consumen dióxido de carbono y liberan oxígeno como producto de desecho.
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La
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reacción se expresa de la siguiente forma:
6CO2
+ 6H2 O − − > C6 H12 O6 + 6O2
(1)
Como el proceso de fotosíntesis involucra la síntesis de una molécula que almacena energía, este proceso
también requiere de la entrada de energía para su desarrollo. Durante la fase luminosa de la fotosíntesis, la
energía se obtiene a partir de una molécula llamada trifosfato de adenosina (ATP), la cual es la "moneda
energética" de todas las células.
Así como el peso se utiliza para comprar bienes y servicios, las células
utilizan las moléculas de ATP como fuente de energía para realizar un trabajo inmediato. Por otro lado, las
moléculas que guardan energía, como la glucosa, tienen que degradarse para poder hacer uso de la energía que
contienen en sus enlaces. Si la reacción de "cosecha" de la energía almacenada en las moléculas de glucosa se
lleva a cabo por células que requieren oxígeno para sobrevivir, es una reacción en la cual se consume oxígeno
y se libera dióxido de carbono, como producto de desecho. La reacción se puede expresar de la siguiente
forma:
C6 H12 O6
+ 6O2 − − > 6H2 O + 6CO2
(2)
Los procesos de generación y degradación de moléculas de azúcar ilustran dos ejemplos de rutas metabólicas,
y ambos siguen una serie de pasos; una ruta metabólica es una serie de reacciones químicas que modican
una molécula dada, donde se genera una serie de compuestos intermedios para llegar a un producto nal.
En el caso del metabolismo del azúcar, el primer paso es la síntesis de azúcar a partir de moléculas más
pequeñas, y en la otra ruta es su degradación a moléculas más pequeñas. En el primer caso se requiere de
energía y se conoce como proceso
energía y se conoce como proceso
anabólico (construcción de polímeros); en el segundo caso se produce
catabólico (degradación de polímeros en monómeros). En resumen, el
metabolismo se compone de un proceso de síntesis (anabolismo) y un proceso de degradación (catabolismo)
(Figure 2).
Es importante saber que las reacciones químicas en las rutas metabólicas no ocurren solas, pues cada
paso en la reacción requiere de un agente o catalizador que facilite el proceso; este agente es una proteína
llamada enzima, la cual cataliza todo tipo de reacciones biológicas, tanto aquellas que requieren de energía,
como las que la liberan.
Figure 2: Las rutas catabólicas son aquellas que generan energía a partir de la degradación de moléculas
más grandes. Las rutas anabólicas son aquellas que requieren de energía para sintetizar moléculas de
mayor tamaño. La célula requiere de ambas rutas para mantener el balance de energía.
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2 Energía
La
termodinámica es el estudio de la energía, y la transferencia de energía involucra materia; la materia
relevante en un caso particular de energía se conoce como sistema; todo lo que está fuera de este sistema se
llama ambiente. Por ejemplo, cuando calentamos una jarra con agua sobre la estufa, el sistema incluye el
agua, la jarra y la estufa, y la energía se transere dentro del sistema (entre la estufa, la jarra y el agua).
Existen dos tipos de sistemas: abierto y cerrado. En un sistema abierto la energía se puede intercambiar con
el ambiente; el sistema de la estufa, la jarra y el agua es abierto, porque se puede perder calor al ambiente.
En el caso de un sistema cerrado, no existe intercambio de energía con el ambiente.
Los seres vivos son sistemas abiertos, puesto que la energía se intercambia entre éstos y el ambiente.
Los seres vivos utilizan la energía del sol para realizar la fotosíntesis, consumen energía almacenada en las
moléculas, o liberan energía al ambiente en forma de calor cuando realizan un trabajo.
Como todas las
cosas en el mundo físico, la energía está sujeta a las leyes de la física; las leyes de la termodinámica rigen la
transferencia de energía dentro y entre todos los sistemas del universo.
En general, la energía se dene como la capacidad para realizar un trabajo o para crear algún tipo
de cambio; existen diferentes tipos de energía: energía eléctrica, energía luminosa y energía térmica.
Es
importante entender dos leyes de la física que gobiernan la energía, para poder entender el ujo de energía
hacia el interior y hacia el exterior de los sistemas biológicos.
3 Termodinámica
La primera ley de la termodinámica enuncia que la cantidad de energía en el universo es constante y se
conserva, es decir, que hay y siempre habrá la misma cantidad de energía en el universo. Existen muchas
formas diferentes de energía; de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, la energía se puede transferir
de un lugar a otro o transformar a formas diferentes de energía, pero no se puede crear o destruir.
transformación y transferencia de energía se lleva a cabo constantemente a nuestro alrededor:
La
los focos
transforman la energía eléctrica en energía luminosa y energía térmica; las estufas de gas transforman la
energía química del gas natural en calor. Las plantas realizan una de las transformaciones de energía más
exitosa sobre la Tierra: convierten la energía luminosa, proveniente del sol, en energía química, y la almacenan
en moléculas orgánicas (Figure 1). En la Figure 3 se muestran algunos ejemplos de la transformación de
energía.
El reto para los organismos vivos es obtener energía de su ambiente en formas que éstos puedan transferir
o transformar en energía útil para poder utilizarla en sus procesos metabólicos. Durante millones de años las
células vivas han evolucionado para "cumplir" con este reto. La energía química almacenada en las moléculas
orgánicas, tales como azúcares y grasas, se transere y transforma en energía dentro de las moléculas de
ATP a través de una serie de reacciones químicas celulares.
La energía almacenada en las moléculas de
ATP se puede utilizar muy fácilmente para realizar cualquier trabajo. Algunos ejemplos del tipo de trabajo
que realizan las células, utilizando moléculas de ATP son: síntesis de moléculas complejas, transporte de
material, movimiento, y contracción de bras musculares.
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Figure 3: En esta gura se muestran algunos ejemplos de transferencia de energía de un sistema a
otro, y transformación de energía de una forma a otra. El alimento que consumimos proporciona energía
a nuestras células para realizar las funciones de nuestro organismo, tal como la luz proveniente del sol
proporciona energía a las plantas para crear la energía química que éstas necesitan. (créditos: "helado"
modicado del trabajo de D. Sharon Pruitt; "niños" modicado del trabajo de Max de Providence;
"hoja" modicado del trabajo de Cory Zanker)
La obtención, transformación y utilización de energía por las células vivas podría parecer simple; sin
embargo, la segunda ley de la termodinámica explica por qué estas tareas son más complicadas de lo que
parecen. La transferencia y transformación de energía nunca es completamente eciente: en cada paso de la
transferencia de energía se pierde algo de ésta a una forma que no es utilizable; en muchos casos se pierde
en forma de calor. Termodinámicamente la
energía térmica
se dene como la transferencia de energía,
que no es trabajo, de un sistema a otro; por ejemplo, cuando prendemos un foco, una parte de la energía
se transforma de energía eléctrica a energía luminosa, y algo de esta energía se pierde en forma de energía
térmica. De la misma forma, cuando las células llevan a cabo diferentes reacciones metabólicas, algo de la
energía se pierde en forma de calor.
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En la física de sistemas un concepto importante es el de orden y desorden: mientras más energía se
pierde de un sistema a su ambiente, el sistema se vuelve menos ordenado y más aleatorio; a la medida del
desorden o aleatoriedad de un sistema se le conoce como entropía. Un sistema con alto grado de entropía se
reere a que tiene un alto grado de desorden y muy poca energía. Las moléculas y las reacciones químicas
también presentan un cierto grado de entropía; por ejemplo, la entropía se incrementa cuando las moléculas
se difunden y expanden de un lugar de alta concentración. La segunda ley de la termodinámica señala que
cuando la energía se transere o transforma, siempre habrá pérdidas de energía en forma de calor.
Los seres vivos son sumamente ordenados, y para mantenerse en un estado de baja entropía requieren de
una entrada constante de energía.
4 Energía potencial y cinética
Cuando un objeto está en movimiento existe energía asociada con ese objeto. Piensa en una bola de demolición; aun cuando se mueva a baja velocidad, ésta puede hacer un gran daño a cualquier objeto. La energía
asociada con objetos en movimiento se llama
energía cinética
(Figure 4).
Todos los fenómenos sigu-
ientes poseen energía cinética: una bala en aceleración, una persona caminando, y las moléculas moviéndose
rápidamente en el aire (las cuales producen calor).
¾Qué pasaría si ahora sí levantamos la bola de demolición, con una grúa, a una altura de dos pisos? Si
la bola suspendida está inmóvil, ¾hay energía asociada a ésta? La respuesta es sí; la energía que se necesitó
para levantarla no desaparece, sino que está almacenada en la bola de demolición, y esta energía está dada
por la posición de la bola y la fuerza de gravedad que actúa sobre ésta; este tipo de energía se conoce como
energía potencial (Figure 4).
Si la bola cayera, la energía potencial se transformaría en energía cinética
hasta que toda la energía potencial se terminara, una vez que la bola estuviera sobre el piso.
Las bolas
de demolición funcionan como péndulos, y con cada oscilación se produce un cambio constante de energía
potencial a energía cinética (en la parte alta de la oscilación la energía potencial alcanza su máximo valor,
y en la parte baja lo hace la energía cinética).
Otro ejemplo de energía potencial es la energía del agua
contenida por una presa o la energía de un paracaidista a punto de saltar de un avión.
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Figure 4: El agua en un embalse posee energía cinética, mientras que el agua en movimiento (como
en una cascada o en un río), posee energía cinética. (créditos: "presa" modicado de "Pascal"/Flickr;
"cascada" modicado de Frank Gualtieri)
La energía potencial no está asociada únicamente con la posición de la materia, sino también con su
estructura; un resorte sobre el suelo tiene energía potencial si está comprimido; cuando jalamos una liga,
ésta también posee energía potencial. A nivel molecular los enlaces que mantienen unidos a los átomos y a las
moléculas poseen una alta energía potencial. Recuerda que las rutas celulares anabólicas requieren de energía
para sintetizar moléculas complejas a partir de aquellas de menor tamaño, y que las rutas catabólicas liberan
energía cuando degradan moléculas complejas.
El que se pueda liberar energía cuando se rompen ciertos
enlaces indica que éstos tienen una alta energía potencial; de hecho, existe energía potencial almacenada en
los enlaces de las moléculas que constituyen los alimentos que consumimos, misma que se puede aprovechar.
El tipo de energía potencial que contienen los enlaces químicos y que se libera cuando estos enlaces se
rompen, se conoce como energía química. La energía química es la responsable de proporcionar energía a las
células, energía proveniente de los alimentos. La liberación de energía se da cuando se rompen los enlaces
moleculares de los alimentos que consumimos.
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:
Para entender mejor cómo la energía potencial cambia a energía cinética, visita http://openstaxcollege.org/l/simple_pend
(selecciona "Pendulum" del menú "Trabajo y Energía").
5 Energía libre de activación
Después de aprender que las reacciones químicas liberan energía cuando se rompen sus enlaces, es importante
saber cómo se cuantica y expresa la energía asociada a estas reacciones químicas, y cómo se puede comparar
la energía de dos reacciones diferentes; para cuanticar estas transferencias de energía se utiliza la energía
libre, la cual se reere, especícamente, a la energía disponible asociada con una reacción química una vez
que se ha considerado toda la energía perdida (recordemos que la segunda ley de la termodinámica señala
que toda transferencia de energía involucra la pérdida de cierta cantidad de energía en forma de calor); en
otras palabras, la energía libre es aquella que se puede utilizar para realizar un trabajo.
1 http://openstaxcollege.org/l/simple_pendulu2
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Si durante una reacción química se libera energía, entonces el cambio en energía libre, expresada como
∆G
(delta G), será un número negativo. Un cambio negativo en la energía libre también signica que los
productos de la reacción tienen menos energía libre que los reactantes, debido a la liberación de energía
durante la reacción.
Las reacciones que tienen un cambio negativo en energía libre y consecuentemente
liberan energía se llaman
reacciones exergónicas;
exergónico signica existente en el sistema".
Estas
reacciones también se conocen como reacciones espontáneas, y sus productos poseen menor energía que los
reactantes; el que una reacción sea espontánea no signica que ocurra inmediatamente: la oxidación del
hierro es una reacción espontánea que sucede lentamente a lo largo del tiempo.
Si en balance una reacción química absorbe más energía de la que libera, entonces el valor de
∆G
será
positivo; en este caso los productos tendrán mayor energía libre que los reactantes, por lo tanto los productos
de estas reacciones se consideran como moléculas almacenadoras de energía. Este tipo de reacciones químicas
se llaman
reacciones endergónicas, y no son reacciones espontáneas (una reacción endergónica no se llevará
a cabo sin la adición de energía libre).
:
Figure 5: Esta ilustración muestra ejemplos de procesos endergónicos (aquellos que requieren energía) y
procesos exergónicos (los que liberan energía). (créditos: (a) modicado del trabajo de Natalie Maynor;
(b) modicado de USDA; (c) modicado del trabajo de Cory Zanker; (d) modicado del trabajo de Harry
Malsch)
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Observa cada uno de los procesos en la ilustración y decide si son endergónicos o exergónicos.
Existe un concepto más que debemos revisar en relación con las reacciones endergónicas y exergónicas: antes
de que las reacciones exergónicas puedan liberar energía, requieren de una pequeña cantidad de ésta para
que ocurran. esta pequeña cantidad de energía se conoce como
energía de activación.
:
En la siguiente liga encontrarás una animación sobre la transición entre la energía libre y la reacción:
http://openstaxcollege.org/l/energy_reactio2
2
.
6 Enzimas
Un catalizador es una sustancia que ayuda a que ocurra una reacción química y las moléculas que catalizan
reacciones bioquímicas se llaman
enzimas.
2 http://openstaxcollege.org/l/energy_reactio2
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La mayoría de las enzimas son proteínas y se encargan de
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disminuir la energía de activación de las reacciones químicas que se desarrollan dentro de la célula. Muchas
de las reacciones críticas para las células ocurren muy lentamente a temperaturas normales, por lo que no
serían de utilidad para la célula; sin la presencia de enzimas que aceleran las reacciones, la vida no sería
posible. Las enzimas aceleran las reacciones acoplándose a las moléculas de reactantes y sosteniéndolas de
tal forma que provocan el rompimiento de los enlaces químicos, por lo que la reacción se desarrolla más
fácilmente.
Es importante recordar que las enzimas no cambian aunque la reacción en la que participan
sea exergónica (espontánea) o endergónica; esto se debe a que las enzimas no cambian la energía libre de
los reactantes o los productos, sino que únicamente reducen la energía de activación necesaria para que la
reacción se lleve a cabo (Figure 6). En suma, una enzima no cambia debido a la reacción que cataliza y una
vez que ha catalizado una reacción, ésta puede participar en otras reacciones.
Figure 6: Las enzimas disminuyen la energía de activación necesaria para que se lleve a cabo una
reacción, pero no disminuyen la energía libre de dicha reacción.
Los
sustratos son reactantes químicos a los cuales se unen las enzimas; éstas pueden unirse a más de un
sustrato dependiendo del tipo de reacción química de que se trate. En algunas reacciones un solo sustrato
reactante se degrada en múltiples productos, mientras que en otras, dos sustratos se pueden combinar para
producir una molécula de mayor tamaño. También pueden intervenir dos reactantes en una reacción dando
origen a dos productos. El lugar dentro de la enzima que se une con el sustrato se llama
sitio activo, éste es
el lugar donde ocurre la "acción". Debido a que las enzimas son proteínas, existe solamente una combinación
de aminoácidos en las cadenas laterales dentro del sitio activo; estas cadenas pueden ser grandes o pequeñas;
ligeramente ácidas o básicas; hidrólas o hidrófobas; con carga positiva o negativa e incluso pueden ser
neutras.
La combinación de todas estas características en las cadenas laterales les conere un ambiente
químico particular en el sitio activo, que es el adecuado para ensamblarse con un sustrato o sustratos
único y especíco.
Los sitios activos están sujetos a la inuencia del ambiente, cuando se incrementa la temperatura ambiente, generalmente se incrementa la velocidad de la reacción. En otros casos para que la reacción ocurra
a una velocidad adecuada las enzimas tienen que intervenir como catalizadores.
Sin embargo, existe un
rango óptimo de temperatura y fuera de éste se reduce la tasa a la cual la enzima cataliza la reacción. Las
altas temperaturas pueden eventualmente desnaturalizar las enzimas ocasionando cambios irreversibles en
su estructura tridimensional, y por lo tanto, comprometiendo la función enzimática. Las enzimas también
requieren de un intervalo de pH dentro del cual pueden funcionar de manera adecuada; un pH o salinidad
extremos pueden desnaturalizarlas.
Durante muchos años los cientícos pensaban que la unión enzima-sustrato ocurría de forma simple como
lo explica el modelo de la llave y la cerradura. Dicho modelo proponía que la enzima y el sustrato encajaban
perfectamente y que la unión ocurría en un solo paso instantáneo. Sin embargo, investigaciones recientes
sustentan el modelo de ajuste inducido (Figure 7). Este modelo va más allá del modelo de llave-cerradura y
describe una forma más dinámica de unión entre la enzima y el sustrato. Tan pronto como la enzima y el
sustrato se ponen en contacto, su interacción produce un ligero cambio en la estructura de la enzima, que
forma entonces un arreglo ideal en la unión enzima-sustrato.
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:
Haz clic en la siguiente liga para observar una animación del modelo de ajuste inducido: http://openstaxcollege.org/l/hexo
.
Cuando una enzima se une a un sustrato se forma un complejo enzima-sustrato; este complejo disminuye la
energía de activación de la reacción y promueve su rápido desarrollo en una de las múltiples formas posibles.
En un nivel básico, las enzimas promueven las reacciones químicas que involucran más de un sustrato,
orientando los sustratos de tal forma que las condiciones de la reacción sean las óptimas. Otra forma en la
que las enzimas contribuyen para que las reacciones de sus sustratos se lleven a cabo, es por medio de la
creación de un ambiente adecuado dentro de los sitios activos. La creación de un ambiente perfecto para que
el sustrato especíco de una enzima reaccione se puede lograr a través de arreglos particulares de los grupos
R de los aminoácidos, ya que a partir de estos arreglos emergen ciertas propiedades químicas.
El complejo enzima-sustrato también puede disminuir la energía de activación comprometiendo la estructura de los enlaces, de tal forma que se puedan romper más fácilmente. Por último, las enzimas también
pueden disminuir la energía de activación participando en la reacción química; en estos casos, es importante
3 http://openstaxcollege.org/l/hexokinase2
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recordar que las enzimas siempre regresarán a su estado original una vez que la reacción termine. Una de
las propiedades especiales de las enzimas es que éstas permanecen sin cambios a pesar de las reacciones
que catalizan; después de que una enzima cataliza una reacción, libera los productos y puede catalizar otra
reacción.
Figure 7: . El modelo del ajuste inducido es una variación del modelo de llave-cerradura, y explica
la forma en la que las enzimas y sus sustratos sostienen modicaciones dinámicas durante el estado de
transición que incrementa la anidad del sustrato por el sitio activo.
El escenario ideal sería aquel en el que todas las enzimas de un organismo existieran en abundancia y
funcionaran de manera óptima en condiciones celulares todo el tiempo; sin embargo, existe una variedad
de mecanismos que asegura que esto no suceda, ya que las necesidades y condiciones cambian de célula a
célula, incluso las condiciones de una misma célula cambian con el tiempo. Las enzimas que requieren las
células estomacales son diferentes a aquellas que poseen las células que almacenan grasas, las células de la
piel, las células nerviosas y los glóbulos rojos. Además, las células del sistema digestivo trabajan mucho más
arduamente inmediatamente después de una comida, para procesar y degradar nutrientes. Debido a que las
demandas y condiciones de estas células cambian, también lo debe hacer el número y funcionalidad de las
enzimas.
La energía de activación controla la velocidad de las reacciones bioquímicas y las enzimas disminuyen y
determinan esta energía de activación. Finalmente, la cantidad y variedad de enzimas dentro de una célula
es lo que determina qué reacciones se llevan a cabo y a qué velocidad. En ciertos ambientes celulares, la
actividad enzimática está regulada por agentes ambientales como pH, temperatura, concentración de sales
y, en algunos casos, cofactores o coenzimas.
Las enzimas también pueden promover o reducir la actividad enzimática; existen muchos tipos de moléculas que poseen esta cualidad y diferentes formas en las que inhiben o promueven la función de las enzimas.
En el caso de la inhibición enzimática, la molécula inhibidora posee una estructura similar al sustrato, por
lo que puede unirse al sitio activo y bloquearlo. Cuando esto ocurre, se dice que la enzima es inhibida por
inhibición competitiva,
activo.
Por otro lado, en la
puesto que la molécula inhibidora compite con el sustrato para unirse al sitio
inhibición no-competitiva
una molécula inhibidora se une a la enzima en un
sitio que no es el sitio activo, llamado sitio alostérico, pero aun así evita que el sustrato se una al sitio
activo de la enzima. Algunas moléculas inhibidoras se unen a las enzimas en sitios donde inducen un cambio
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conformacional que reduce la anidad de la enzima por el sustrato; este tipo de inhibición se conoce como
inhibición alostérica
(Figure 8).
Muchas enzimas reguladas de forma alostérica están constituidas por
más de un polipéptido, lo que signica que tienen más de una subunidad de proteína. Cuando un inhibidor
alostérico se une a una región de una enzima, todos los sitios activos cambian ligeramente en las subunidades
de la proteína, de tal forma que las uniones con sus sustratos son menos ecientes. Así como hay inhibidores
alostéricos, también existen activadores alostéricos, estos últimos se unen a las enzimas en zonas lejanas al
sitio de activación, produciendo un cambio conformacional que incrementa la anidad del sitio o los sitios
activo(s) de la enzima por su(s) sustrato(s) (Figure 8).
Figure 8: La inhibición alostérica se produce cuando se da un cambio conformacional del sitio activo
de la enzima, de tal manera que el sustrato no encaja. En el caso de la activación alostérica, la molécula
activadora modica la forma del sitio activo para que el sustrato se una más fácilmente.
:
Investigación y desarrollo de nuevos medicamentos
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Figure 9: ¾Alguna vez te has preguntado cómo se crean las medicinas? (créditos: Deborah Austin)
Sabemos que las enzimas son elementos clave en las rutas metabólicas; entender la forma en la
que éstas funcionan y regulan los diferentes procesos en los que intervienen ha sido de crucial
importancia para el desarrollo de mucho de los fármacos que están a la venta hoy en día.
Los
biólogos colaboran con diferentes cientícos en el desarrollo de nuevos medicamentos (Figure 9).
Las estatinas son el componente activo de los medicamentos utilizados para reducir los niveles
de colesterol, éstas inhiben el funcionamiento de la enzima HMG-CoA reductasa, encargada de la
síntesis del colesterol a partir de los lípidos en el organismo.
se puede reducir la síntesis de colesterol en el organismo.
Con la inhibición de esta enzima
De la misma forma, el acetaminofén
(popularmente conocido como Tylenol) inhibe la acción de la enzima ciclooxigenasa (COX) y ayuda
a aliviar la ebre y los procesos inamatorios, aunque en realidad no se conoce la forma exacta en
la que actúa.
¾Cómo se descubren los medicamentos? En la actualidad, no de los grandes retos para la ciencia
farmacéutica es el descubrimiento de nuevos medicamentos o drogas blanco.
Una droga blanco
es la molécula objeto de la droga; por ejemplo, en el caso de las estatinas la droga blanco es la
HMG-CoA reductasa. Para identicar drogas blanco se deben hacer investigaciones laboriosas y
minuciosas en el laboratorio. Una vez que se identica una droga blanco, los cientícos tienen que
indagar cómo actúa esta droga dentro de las células y qué reacciones se desvían en el caso de una
enfermedad.
Cuando se identica la ruta y el objetivo, se comienza con el diseño de la droga;
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en este proceso, químicos y biólogos trabajan en conjunto para diseñar y sintetizar moléculas que
puedan bloquear o activar una reacción especíca. Sin embargo, éste es únicamente el comienzo,
pues aun cuando un prototipo de medicamento funcione, se debe someter a diversas pruebas, desde
pruebas in vitro hasta pruebas clínicas, antes de que sea aprobado para su venta por la Food and
Drug Administration de los Estados Unidos.
Algunas enzimas necesitan estar unidas a moléculas especícas no proteicas para desempeñar sus funciones
de forma óptima; las uniones pueden ser temporales, por medio de enlaces iónicos o enlaces de hidrógeno,
o permanentes, por medio de enlaces covalentes. Estos enlaces promueven una mejor estructura y un mejor
funcionamiento enzimático.
Algunos ejemplos de estas moléculas son los cofactores y las coenzimas, el
magnesio y el hierro son un ejemplo de cofactores inorgánicos.
En el caso de las coenzimas, éstas son
moléculas orgánicas cuya estructura atómica básica está constituida por carbono e hidrógeno; estas moléculas,
al igual que las enzimas, participan en las reacciones sin que se altere su estructura, de tal forma que se
pueden reciclar y reutilizar. Las vitaminas son fuente de coenzimas, algunas vitaminas son precursoras de
coenzimas, mientras que otras son la coenzima misma. La vitamina C funciona como coenzima para una gran
cantidad de enzimas que participan en la formación de tejido conectivo y de colágeno. La función enzimática
está regulada por la presencia de cofactores y coenzimas, las cuales llegan al organismo por medio de los
alimentos que consumimos, aunque en algunos casos el cuerpo los sintetiza.
6.1 Retroalimentación negativa en las rutas metabólicas
Las moléculas pueden regular la actividad enzimática de diferentes formas, pero ¾qué moléculas son éstas
y de dónde provienen? Como sabemos, algunas de estas moléculas son los cofactores y las coenzimas. Sin
embargo, existen otras moléculas que participan en la regulación enzimática celular, tales como la modulación
alostérica y la inhibición competitiva y no competitiva, de las cuales sabemos muy poco o nada. Tal vez la
fuente más importante de moléculas reguladoras, en relación con el metabolismo enzimático celular, son los
mismos productos de las reacciones metabólicas celulares. Las células han evolucionado, de la forma más
elegante y eciente, mecanismos para utilizar los productos de sus propias reacciones para inhibir la actividad
enzimática. La
retroalimentación negativa involucra el uso de los productos de una reacción para regular
su propia producción (Figure 10).
La célula responde a la abundancia de algún producto reduciendo la
velocidad de producción durante las reacciones anabólicas o catabólicas. Los productos de tales reacciones
pueden inhibir la actividad de las enzimas que catalizan su producción a través de los mecanismos descritos
anteriormente.
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Figure 10: Las rutas metabólicas son una serie de reacciones catalizadas por una gran variedad de
enzimas. La retroalimentación negativa, en la cual el producto nal de una ruta metabólica inhibe la
producción continua del mismo producto, es un mecanismo muy importante de regulación en las células.
La producción tanto de aminoácidos como de nucleótidos se controla por retroalimentación negativa; el
ATP funciona como regulador alostérico de algunas enzimas involucradas en la degradación catabólica del
azúcar, proceso que produce ATP. De esta forma, cuando hay ATP en abundancia la célula puede evitar su
producción; por otro lado, el ADP funciona como un regulador alostérico positivo (un activador alostérico)
para algunas de las mismas enzimas que son inhibidas por el ATP. Así, cuando los niveles de ADP son muy
altos, en comparación con los de ATP, la célula dispara la producción de más ATP por medio del catabolismo
de los azúcares.
7 Resumen de la sección
Las células realizan las funciones que mantienen la vida a través de una serie de reacciones químicas. El
metabolismo se reere a la combinación de las reacciones que tienen lugar dentro de las células. Las reacciones
catabólicas degradan complejos químicos en sus componentes más simples, asociado a este proceso hay
liberación de energía. Por otro lado, los procesos anabólicos sintetizan moléculas más complejas a partir de
aquellas más simples y requieren de energía para hacerlo.
El término sistema se reere al ambiente y la materia y involucrados en la transferencia de energía. Las
leyes de la termodinámica son las leyes de la física que describen la transferencia de energía. La primera
ley dice que la cantidad de energía en el universo es constante. La segunda ley de la termodinámica señala
que en cada evento de transferencia de energía hay una pérdida de energía en forma de calor, que además
no es aprovechable. Existen diferentes tipos de energía: cinética, potencial y libre. El cambio en la energía
libre de una reacción puede ser negativo (se libera energía: reacción exergónica) o positivo (consume energía:
reacción endergónica). Todas las reacciones requieren de una cierta cantidad de energía para que se lleven a
cabo; esta energía se conoce como energía de activación.
Las enzimas son catalizadores químicos que disminuyen la energía de activación, y por lo tanto la aceleran.
Las enzimas poseen un sitio activo con una conformación y ambiente químico exclusivo que se ajusta a un
reactante químico particular para dicha enzima, que se llama sustrato. Se cree que tanto las enzimas como
los sustratos se enlazan de acuerdo con un modelo de ajuste inducido. La acción enzimática está regulada
para conservar recursos y responder de forma óptima ante el ambiente.
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8 PREGUNTAS DE CONEXIÓN ARTÍSTICA
Exercise 1
(Solution on p. 19.)
Figure 5 Observa cada uno de los procesos que se muestran en esta gura y señala si son endergónicos o exergónicos.
9 PREGUNTAS DE REVISIÓN
Exercise 2
(Solution on p. 19.)
De los siguientes enunciados, menciona cuál no es un ejemplo de transformación de energía.
a. Calentar la cena en un microondas
b. Paneles solares trabajando
c. Formación de energía eléctrica
d. Ninguna de las anteriores
Exercise 3
(Solution on p. 19.)
¾Cuál de los siguientes enunciados no es verdadero para las enzimas?
a. Se consumen por las reacciones que catalizan
b. Generalmente están formados por aminoácidos
c. Reducen la energía de activación de las reacciones químicas
d. Cada una es especíca de un sustrato(s) particular, al cual se unen
10 PREGUNTAS DE PENSAMIENTO CRÍTICO
Exercise 4
(Solution on p. 19.)
¾El ejercicio físico que incrementa la masa muscular implica procesos anabólicos y/o catabólicos?
Proporciona evidencias para tu respuesta.
Exercise 5
(Solution on p. 19.)
Explica en tus propios términos la diferencia entre una reacción espontánea y una que ocurre
instantáneamente. Menciona sus diferencias.
Exercise 6
(Solution on p. 19.)
En relación con las enzimas ¾por qué son importantes las vitaminas y minerales para mantener
una buena salud? Proporciona algunos ejemplos.
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Solutions to Exercises in this Module
Solution to Exercise (p. 18)
Figure 5 Una pila de composta en descomposición es un proceso exergónico.
Un bebé en desarrollo, a
partir de un huevo fertilizado, es un proceso endergónico. Una pelota rodando cuesta abajo es un proceso
exergónico.
to Exercise (p. 18)
D
to Exercise (p. 18)
A
to Exercise (p. 18)
El ejercicio físico involucra tanto procesos anabólicos como catabólicos. Las células del cuerpo descomponen
los azúcares para proporcionar el ATP necesario para realizar ejercicio, como las contracciones musculares,
esto se conoce como catabolismo. Las células musculares deben reparar el tejido muscular dañado por el
ejercicio construyendo nuevo músculo, esto se conoce como anabolismo.
to Exercise (p. 18)
Una reacción espontánea es aquella con un
∆G
negativo y por lo tanto libera energía. Sin embargo, una
reacción espontánea no necesariamente ocurre de forma rápida o repentinamente. La reacción puede ocurrir
por periodos largos de tiempo debido a la gran cantidad de energía de activación, la cual evita que la reacción
ocurra rápidamente.
to Exercise (p. 18)
La mayoría de las vitaminas y los minerales funcionan como cofactores y coenzimas para la actividad
enzimática. Muchas enzimas requieren de la unión de ciertos cofactores o coenzimas para poder catalizar sus
reacciones. Debido a que las enzimas catalizan muchas reacciones importantes, es vital obtener sucientes
vitaminas y minerales de alimentos y suplementos. La vitamina C (ácido ascórbico) es una coenzima necesaria
para que actúen las enzimas que producen colágeno.
Glossary
Denition 1: Energía de activación
Cantidad de energía inicial necesaria para que proceda una reacción.
Denition 2: Sitio activo
Región especíca de una enzima en la cual se une el sustrato.
Denition 3: Inhibición alostérica
Mecanismo por el cual se inhibe la acción enzimática por medio de una molécula reguladora que se
une a un segundo sitio (no el activo), produce un cambio conformacional en el sitio activo, y evita
que se una el sustrato.
Denition 4: Anabólico
Describe una ruta que requiere de una entrada de energía neta para sintetizar moléculas complejas
a partir de moléculas simples.
Denition 5: Bioenergética
Concepto de ujo de energía a través de sistemas vivos.
Denition 6: Catabólico
Describe una ruta en la cual moléculas complejas se degradan en unas más simples, generando
energía adicional como producto de la reacción.
Denition 7: Inhibición competitiva
Mecanismo general de regulación de la actividad enzimática, en la cual una molécula, diferente al
sustrato de la enzima, se une al sitio activo y evita que el sustrato correspondiente se una, con lo
cual se inhibe la reacción de la enzima.
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Denition 8: Endergónica
Describe aquellas reacciones químicas en las que sus productos almacenan más energía potencial
que la que poseen los reactantes.
Denition 9: Enzima
Molécula que cataliza reacciones bioquímicas.
Denition 10: Exergónica
Describe aquellas reacciones químicas cuyos productos tienen menor energía potencial que sus
reactantes, y además liberan energía.
Denition 11: Retroalimentación negativa
Mecanismo de regulación enzimática en el que el producto, o producto nal de una reacción, en
una serie de reacciones secuenciales, inhibe la actividad enzimática en los primeros pasos de la serie
de reacciones.
Denition 12: Energía térmica
Energía que se transere de un sistema a otro y que no es trabajo.
Denition 13: Energía cinética
Tipo de energía asociada con los objetos en movimiento.
Denition 14: Metabolismo
Serie de reacciones químicas que tienen lugar dentro de la célula, incluyendo aquellas que consumen
energía y las que la liberan.
Denition 15: Inhibición no competitiva
Mecanismo general que regula la actividad enzimática, en el cual la molécula reguladora se enlaza
a un sitio diferente al sitio activo y evita que este último se una al sustrato; la molécula inhibidora
no compite con el sustrato por el sitio activo. La inhibición alostérica es una forma de regulación
no competitiva.
Denition 16: Energía potencial
Tipo de energía que se reere a la potencia para hacer un trabajo.
Denition 17: Sustrato
Molécula sobre la cual actúa una enzima.
Denition 18: Termodinámica
Ciencia que estudia la relación entre el calor y el trabajo.
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