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Capitulo 4 Introduccion al metabolismo
Resumen de Biología – Cuadernillos Negros
Capítulo 4 – Introducción al metabolismo
La célula es una máquina química isotérmica y que constituye un sistema abierto en estado
estacionario.
La célula recupera energía química
La energía libre que va a utilizar la célula para los distintos tipos de trabajo celular la recupera en
forma de energía química, que es aquella contenida en los enlaces que realizan los átomos para
construir moléculas, la que los mantiene unidos entre sí.
¿Todas las células obtienen del entorno el mismo tipo de energía?
Existen células fotosintéticas y heterotróficas. Las primeras se caracterizan por utilizar la luz del sol
como fuente de energía. La energía lumínica es absorbida por la clorofila y transformada en energía
química. Por eso se las llama autotróficas, ya que ellas mismas fabrican su alimento a partir de la
energía lumínica absorbida. Las segundas, heterotróficas, son las que aprovechan del entorno la
energía química contenida en diferentes moléculas orgánicas ricas en energía, como la glucosa. Ambos
tipos recuperan la energía química y la centralizan en ATP, que es el transportador de energía química
más importante en todos los organismos.
¿Qué es el ATP?
Adenosina TriFosfato. El ATP pertenece al grupo de los nucleótidos, constituidos por una base
nitrogenada constituida por uno o dos anillos de carbono, nitrógeno e hidrogeno principalmente, una
pentosa o sea un monosacárido de cinco carbonos y una o varias moléculas de fosfato. El ATP posee
como base nitrogenada a la adenina, como pentosa a la ribosa y tres moléculas de fosfato.
El enlace entre el segundo y tercer fosfato es un enlace rico en energía y que al romperse libera una
gran cantidad de ella. El aporte energético para forma ATP proviene de energía libre obtenida por la
célula del entorno, la que entonces queda recuperada como energía química en este tercer enlace
fosfato del ATP.
¿Qué ocurre con el ATP cuando se rompe su tercer enlace fosfato?
Se libera una gran cantidad de energía que va a ser utilizada convenientemente por la celula en
distintos trabajos. Otro producto es el ADP que es la molecula en que se convierte el ATP al perder su
tercer grupo fosfato. La regeneración del ATP se consigue con la fosforilación del ADP, que requiere
además de una molécula de fosfato un gran aporte energético para formar el enlace.
Cuando la célula consume ATP está generando ADP y cuando toma energía libre del entorno, ese ADP es
fosforilado a ATP, por lo que se forma un ciclo, denominado el ciclo del ATP. Por eso es un
intermediario energético.
Metabolismo celular
El metabolismo intermediario o celular es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en el
interior de la celula de manera ordenada, eficaz y especifica gracias a estar catalizadas cada una de
ellas por enzimas específicas. Funciones especificas:
1. Obtención de energía química a partir de moléculas orgánicas combustibles o de la luz solar.
2. Convertir los principios nutritivos exógenos en precursores para las macromoléculas de la
célula.
3. Ensamblar estos precursores para formar proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y otros
componentes.
4. Formar y degradar las biomoléculas necesarias para el cumplimiento de las funciones
especializadas de la célula.
Reacciones endergónicas: para que ocurran necesitan el aporte de energía aportada por el ATP.
Reacciones exergónicas: para ocurrir liberan energía, que es tomada por el ADP para fosforilarse.
Asi también aparece el papel de intermediario común del ATP, que realiza el acoplamiento energético
de estos dos tipos de reacciones que ocurren en el metabolismo celular.
Catabolismo y anabolismo
Catabolismo: constituye la fase de degradación, en la cual las moléculas nutritivas complejas y
relativamente grandes (glúcidos, proteínas, lípidos) que obtiene la celula del entorno o que tiene
reservadas son degradadas a moléculas más sencillas. El objetivo es la obtención de la energía
contenida, para formar ATP.
Anabolismo: constituye la fase constructiva o biosintética del metabolismo, se produce la biosíntesis
de todos los componentes moleculares de la célula a partir de precursores sencillos. Para lograrlo, se
libera energía contenida en el ATP.
Enzimas
Las enzimas actúan como catalizadores biológicos que aumentan la velocidad con que ocurren ciertas
reacciones químicas en intervienen en la interconversión de distintos tipos de energía.
¿Qué es una enzima? ¿Qué es un catalizador?
Todas las reacciones químicas requieren superar cierta barrera energética para iniciarse, conocida
como energía de activación, que es la cantidad mínima de energía necesaria para que se lleve a cabo
una determinada reacción química. Está relacionada con la temperatura, ya que al aumentar, acelera
la velocidad de las reacciones químicas por aumentar el número de choques entre las moléculas.
Es necesario disminuir esos valores de energía para que las distintas reacciones puedan llevarse a cabo
sin depender tanto de las temperaturas, ahí aparecen los catalizadores biológicos, como las enzimas
de origen proteico y también se han encontrado moléculas de ARN con capacidad catalítica, llamadas
ribozimas. Estos catalizadores logran acelerar las reacciones químicas al disminuir la energía de
activación. Las moléculas sobre las que actúan se llaman sustratos y las que resultan de la reacción,
productos.
Características
Las enzimas son excelentes catalizadores producidos por los seres vivos que logran acelerar las
reacciones químicas llevadas a cabo por los sistemas biológicos. Son altamente específicas, participan
de una determinada reacción química reconociendo y actuando sobre un sustrato en particular, por eso
habrá una gran variedad de enzimas. Son eficientes en pequeñas cantidades. Se recuperan luego de
la reacción y no alteran el equilibrio de las reacciones que catalizan, solo permiten que se alcance el
equilibrio en un tiempo mucho menor.
Las más comunes son de naturaleza proteica, por eso sus estructuras se verán afectadas por la
temperatura y el pH, afectando su capacidad catalítica. Se verán sujetas a un gran número de
controles celulares que serán capaces de afectar tanto la actividad enzimática como la cantidad de
enzima presente en la celula a través de la regulación de la expresión genética.
Clasificación de las enzimas
Enzimas simples: las que la parte proteica posee actividad catalítica por sí sola.
Enzimas conjugadas: las que requieren de otra sustancia no proteica para alcanzar la capacidad
catalítica. La parte proteica sola es inactiva y recibe el nombre de apoproteína. Y los otros
componentes de distinta naturaleza, tienen el nombre de cofactores enzimáticos. Estos pueden ser:
iones inorgánicos o una coenzima (molecula orgánica pequeña), como por ejemplo NAD, NADP, FAD,
CoA. En aquellos casos en los que las coenzimas se encuentran unidas fuertemente a la parte proteica
se las denomina grupos prostéticos.
Una vez conjugada la apoenzima con su cofactor se obtiene la holoenzima.
Reconocimiento del sustrato
El primer paso es la unión entre la enzima y el sustrato, con la formación del complejo enzimasustrato. La región de la enzima que interacciona se llama sitio activo, donde están ubicados los
aminoácidos que participan en el proceso catalítico. Es indispensable mantener la estructura terciaria
de la enzima para que sea catalíticamente activa. Las uniones que se forman entre la enzima y el
sustrato son débiles: enlaces electrostáticos, de hidrogeno, fuerzas de van der Waals e interacciones
hidrofóbicas. Así, la unión es reversible y la enzima puede recuperarse al final de la reacción. Hay dos
modelos para describir el modo de interacción entre la enzima y el sustrato, distintas enzimas pueden
actuar a través de distintos mecanismos, las dos son verdaderas.
Modelo llave-cerradura: establece la existencia de una total complementariedad entre el sitio activo
de la enzima y el sustrato sobre el cual actúa.
Modelo de ajuste inducido: la complementariedad entre el sitio activo de la enzima y el sustrato se
alcanza luego de la interacción entre ellos, es decir que hay un reconocimiento dinámico que involucra
una modificación apreciable de los sitios activos de alunas enzimas al unirse con sus sustratos.
Cinética enzimática
Estudia la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas. Asi se puede medir la cantidad
de moléculas de producto formadas por unidad de tiempo, como también la cantidad de moléculas de
sustrato desaparecidas en un tiempo determinado.
En condiciones iniciales, la cantidad de sustrato no es un factor limitante y por lo tanto, la enzima
puede trabajar a su mayor capacidad en la velocidad inicial. Luego, ésta va disminuyendo ya que cada
vez hay menos sustrato y por lo tanto es menos probable su interacción con la enzima. Termina por
alcanzar un estado de equilibrio en el cual la velocidad de formación de producto es igual a cero.
Factores que afectan la cinética enzimática
La velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas puede ser afectada por distintos
factores: concentración del sustrato, de enzima, temperatura, pH, y presencia de inhibidores.
Efecto de la concentración de sustrato sobre la cinética enzimática
La velocidad “V” varía con la concentración de sustrato “S”. A bajas concentraciones de sustrato la
velocidad aumenta de modo proporcional al aumento de la concentración del sustrato; cuando la
concentración del sustrato es alta, la velocidad es prácticamente independiente y tiende a alcanzarse
una velocidad máxima, que solo podrá ser aumentada aumentando la concentración de enzima. A este
estado en el cual todos los sitios activos están ocupados y se ha alcanzado la velocidad máxima se lo
conoce como saturación.
La concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad máxima es igual a la Km
de la enzima. Cuando menor sea el valor de la Km mayor será la afinidad de la enzima por su sustrato y
viceversa.
Ecuación de Lineweaver-Burk: es una línea recta con una ordenada al origen igual a 1/Vmax, una
pendiente de Km/Vmax y la intersección con el eje de las abscisas corresponderá a -1/Km.
Efecto de la temperatura sobre la cinética enzimática
A bajas temperaturas, la velocidad de reacción también es baja, pero se incrementa a medida que la
temperatura sube ya que se favorece la probabilidad de choques entre las sustancias involucradas.
Luego de alcanzada la temperatura óptima (de mayor actividad), la actividad va disminuyendo. A
bajas temperaturas la enzima se encuentra inactiva y a altas temperaturas se desnaturaliza. Todas las
enzimas tendrán una temperatura óptima que en la mayoría de los casos coincide con la fisiológica.
Efecto del pH sobre la cinética enzimática
Al tomar o ceder protones se afecta la carga neta del aminoácido y esto produce atracciones y
repulsiones. La actividad enzimática se encuentra modulada por el PH y en muchos casos puede
considerarse un mecanismo de control ejercido por la celula. La sensibilidad al pH varía dependiendo
de la composición de aminoácidos de la proteína en estudio. En muchos casos, en la interacción entre
el sitio activo de la enzima y el sustrato, participan grupos cargados que son importantes tanto en el
reconocimiento como asi también en la estabilización de la unión. Si estas cargas son modificadas, se
verá afectada la capacidad de unión entre la enzima y el sustrato.
Inhibición de la actividad enzimática
Puede ser disminuida o suprimida completamente por la acción de diversas sustancias llamadas
inhibidores enzimáticos. Ocurre en forma natural, siendo uno de los patrones normales de la
biorregulación. Puede ser reversible o irreversible.
Inhibición reversible
El inhibidor se fija a la enzima dando por resultado una pérdida de la actividad. Puede ser de tres
tipos: competitiva, no competitiva y acompetitiva.
Inhibición competitiva
El inhibidor competitivo tiene una similitud estructural con el sustrato y se combina irreversiblemente
en el sitio activo donde debería unirse el sustrato. Cuando están presentes “S” e “I”, la enzima puede
fijarse a “S” para formar “ES” o a “I” para formar “EI”, son excluyentes. La formación de “EI” reduce
la concentración de enzima disponible, por tanto la velocidad de reacción disminuye. Este tipo de
inhibición puede contrarrestarse incrementando la concentración de sustrato.
Un inhibidor competitivo disminuye la afinidad de la enzima por su sustrato (el KM) pero no altera la
Vmax, ya que esta se alcanza de todos modos a concentraciones elevadas de sustrato.
Inhibición no competitiva
El inhibidor no competitivo y el sustrato pueden unirse simultáneamente a la enzima. Sus sitios de
unión son diferentes y se puede formar “ESI”. Este es catalíticamente inactivo e incapaz de generar los
productos de esta reacción.
No se modifica la afinidad de la enzima por el sustrato (Km no varía) pero la Vmax disminuye
notablemente.
Inhibición acompetitiva
El inhibidor acompetitivo se une exclusivamente al complejo “ES”, resultando un compuesto ternario
“ESI” no productivo. Incrementando la concentración de sustrato se refuerza el efecto inhibidor, ya
que se eleva la concentración de “ES” disponible para unirse a “I”.
En presencia del inhibidor disminuyen Km y también Vmax.
Inhibición irreversible
Provocada por sustancias que producen un cambio permanente en la molecula de enzima, que pierde
definitivamente su actividad. Por ejemplo el Pb 2+, varios compuestos de mercurio y arsénico.
Regulación de la actividad enzimática
Tres niveles básicos de regulación de las enzimas:
 Regulación de la actividad catalítica (activación-inhibición)
 Regulación de la síntesis de enzimas (inducción-represión)
 Regulación de la degradación de las enzimas
Regulación de la actividad catalítica
Consiste en modificar la actividad de las unidades de moléculas de enzimas preformadas, sin variar la
cantidad de enzima ya sintetizada por la celula, lo que constituye un ahorro de energía importante.
Varios factores contribuyen en este proceso:
-sistemas multienzimáticos
Existe una serie de etapas, llamadas vías metabólicas, cada una de ellas catalizada por una e enzima
diferente; el producto formado será utilizado como sustrato por la enzima de la siguiente etapa.
Cuando las enzimas están alineadas, se forma un sistema multienzimático, que posee la capacidad de
autorregulación de su velocidad global de reacción.
La enzima que cataliza la primera etapa actúa generalmente como reguladora del proceso, y tiene un
control denominado retroinhibición o inhibición feed-back. La primera enzima disminuye su actividad
cuando la concentración del producto final ha alcanzado un nivel suficientemente alto. La cadena
entre en reposo y se evita la acumulación inútil de metabolitos. Cuando la concentración de producto
desciende, la enzima se vuelve a activar.
Aparentemente resulta más fácil inhibir una enzima que hacerla más activa, por eso las activaciones
consisten en suprimir una inhibición previa. Sin embargo, también se postula una activación por
precursor, donde el primer sustrato actúa como activador, ya sea de la primera o la ultima enzima de
la secuencia.
-efectos alostéricos
A bajas concentraciones de sustrato la velocidad es baja, cuando la concentración de sustrato
aumenta, la velocidad aumenta en forma marcada. Esta cinética es congruente con la presencia de dos
o más subunidades polipeptídicas, y en consecuencia dos o más sitios de unión del sustrato. Entre las
subunidades existe una relación tal que hace que la unión de la molecula de sustrato en un sitio activo
produzca un cambio conformacional, este se transmite a las otras subunidades facilitando la aptitud
para recibir más sustrato. Esto se llama cooperatividad respecto de la concentración del sustrato. Esto
ocurre con las llamadas enzimas alostéricas o reguladoras.
Estas enzimas también pueden ser reguladas por otros modificadores diferentes del sustrato capaces de
activarlas (modulador positivo) o inhibirlas (modulador negativo). Cuando el modulador es el
sustrato, el efecto se llama homotrópico, y si es distinto del sustrato, se llama heterotrópico.
Para estas enzimas el fenómeno de fijación de ciertas sustancias en un sitio de su superficie puede
ocasionar cambios en la conformación y actividad de otro sitio. Las enzimas que presentan este
comportamiento se denominan alostéricas, y las sustancias que causan el efecto se llaman efectores
alostéricos, ya se trate de inhibidores, aceleradores o de los propios sustratos.
Se han propuesto dos modelos para explicar el alosterismo, el concertado y el secuencial.
Probablemente el real sea un modelo intermedio.
Modelo concertado: inicialmente las moléculas diferentes de la misma proteína existen en dos
conformaciones distintas que están en el equilibrio entre sí, antes de unirse con el sustrato.
Modelo secuencial: la fijación inicial de una molecula de sustrato a un sitio activo de cierta subunidad
induce cambio de conformación en esta, los cuales provocan a su vez, cambios de conformación en otra
subunidad.
-Modificación covalente
Reversible: algunas enzimas son reguladas por adición o sustracción de grupos unidos covalentemente.
La ventaja de este tipo de regulación por enzimas interconvertibles radica en el hecho de que se puede
ejercer a corto plazo, variando la proporción de la enzima activa, sin necesidad de remover la
estructura proteica total.
Irreversible: algunas enzimas se sintetizan en formas de precursores inactivos y son activadas a un
tiempo y en un lugar fisiológicamente apropiado. Si este tipo de enzima fuera sintetizada en una forma
activa dentro de la celula, seria potencialmente autodestructiva, desencadenando su acción
proteolítica contra cualquiera de las otras proteínas. Los precursores enzimáticamente inactivos de las
enzimas proteolíticas se denominan zimógenos. Carecen de sitio activo, la ruptura irreversible de uno
o más enlaces peptídicos se traduce en una nueva conformación mediante la cual los residuos del sitio
activo adoptan nuevas posiciones óptimas para la catálisis.
-compartimentalización
La localización de los procesos metabólicos en el citosol o en organelas facilita su regulación. Muchas
enzimas por ejemplo asociadas al núcleo, están involucradas en el mantenimiento, renovación y
utilización del aparato genético.
-isoenzimas
En un organismo y también en una celula, pueden existir variedades de una misma enzima con la
misma actividad catalítica. Estas diferentes formas estructurales de una enzima se denominan
isoenzimas.
Regulación de la síntesis de enzimas
Este tipo de regulación implica un cambio en la cantidad de moléculas de enzima. La síntesis puede
ser inducida por sus propios sustratos y reprimida por sus productos a nivel genético. El objetivo es
que las enzimas se sinteticen únicamente cuando sean necesarias. El resultado consiste en un
equilibrio entre el aumento en la síntesis del numero de moléculas de enzimas y la neutralización de
este efecto. Este tipo de regulación es considerado relativamente burdo y lento frente a la regulación
de la catálisis que es una forma más fina e instantánea para adecuar la actividad enzimática a los
requerimientos celulares.
Regulación de la degradación de enzimas
La presencia o ausencia de sustratos y cofactores puede alterar la conformación de las enzimas
haciéndolas más o menos susceptibles a su degradación.
Multimodulación
Los distintos tipos de regulación pueden coexistir, lo que ha generado el concepto de multimodulación
los procesos de regulación catalítica y genética se pueden integrar en una misma via metabólica.
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