NUT - Quimica Termodinamica y Enzimas

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Capítulo 7: Termodinámica
La termodinámica es la rama de la física que trata de la energía y sus transformaciones.
Primera ley: “La energía total del universo permanece constante”.
Todas las formas de energía son interconvertibles, la energía no se crea ni se destruye.
Segunda Ley: “La entropía del universo va en aumento”.
La entropía es asimilada con el desorden.
Energía
Es la capacidad para realizar trabajo. Los diferentes tipos de energía son: química, mecánica, térmica, eléctrica, radiante, etc y pueden interconvertirse.
El crecimiento y desarrollo de un organismo implica un gran número de síntesis químicas posibles gracias al aporte de energía. 
Cambios de energía en reacciones químicas
El termino sistema designa a la porción de materia que deseamos estudiar. Es el conjunto de materia que está experimentando un proceso químico o físico determinado, y puede ser un organismo, una célula o dos compuestos que reaccionan. Toda la otra materia será el medio o entorno del sistema. En conjunto, el sistema y el medio forman el universo.
El contenido total de la energía del sistema antes de ocurrir reacción alguna es el estado inicial, mientras que el contenido energético después de producido el cambio será el estado final. Mientras el sistema cursa desde estado inicial a final, puede liberar energía al medio o tomarla de él. 
La forma más común de energía es el calor. Todos los procesos químicos son acompañados por consumo o producción de calor. Las que consumen son llamadas endotérmicas, y las que producen son exotérmicas.
Se puede determinar el cambio de energía en una reacción si se mide la ganancia o pérdida de calor en el sistema en condiciones de temperatura y presión constantes, gracias a la primera ley de la termodinámica.
Calor de combustión: máxima energía que se puede obtener de una sustancia por oxidación completa de los elementos constituyentes.
Entalpía: energía calórica liberada o consumida en un sistema a temperatura y presión constantes. Refleja el número y clase de enlaces químicos en los reactivos y los productos. ΔH es negativo en exotérmicas, y positivo en endotérmicas. 
Entropía: expresión cuantitativa del desorden de un sistema. Cuando los productos de una reacción son menos complejos y más desordenados que los reactivos se dice que la reacción transcurre con ganancia de entropía.
Las unidades de ΔG y ΔH es J/mol o calorías/mol. La unidad de ΔS es J/mol.K.
Según la segunda ley:
ΔE= Q - W
G= H – TS
Energía libre
En organismos vivos, las reacciones químicas se realizan en un medio de temperatura y presión constantes. Solo una fracción de la energía liberada en los procesos bioquímicos es disponible para realizar trabajo de algún tipo, esta es llamada energía libre. 
La energía libre de Gibbs expresa la cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constantes. Cuando una reacción transcurre con liberación de energía libre, ΔG va a ser negativo y la reacción es exergónica. En las reacciones endorgónicas el sistema gana energía libre, por lo que ΔG es positiva.
Equilibro químico
En las reacciones reversibles, A y B (reactivos) se combinan para formar C y D (productos). Esta reacción es directa, y la flecha se grafica de izquierda a derecha.
C y D pueden combinarse para constituir A y B. Esta reacción es inversa y la flecha es de derecha a izquierda.
Al iniciarse la reacción, A y B se combinan y forman C y D. A medida que transcurre este proceso, las concentraciones de A y B disminuyen y también la velocidad de la reacción. Las sustancias C y D producidas reaccionan entre sí para reformar A y B con una velocidad proporcional a la concentración. 
Llega un momento en el cual las velocidades de la reacción directa e inversa se igualan y no se producen más cambios en las concentraciones de reactivos y productos. Aquí la reacción alcanzo el equilibrio. Este equilibrio es dinámico, ya que A y B siguen reaccionando para formar C y D y viceversa, pero las velocidades de ambos procesos son iguales, por lo que no hay modificaciones en las concentraciones de las sustancias.
La constante de equilibrio (Keq) es un valor característico para cada reacción química.
Si Keq es mayor a 1, la reacción transcurre hacia la derecha. Si es menor a 1 transcurre hacia la izquierda. 
El cambio de energía libre estándar (ΔG°) da la cantidad máxima de trabajo que la reacción puede alcanzar en condiciones isotérmicas. 
Cuando Keq es mayor que 1, ΔG° es negativo y la reacción transcurre con disminución de energía libre. Cuando Keq es menor que 1, ΔG° es positivo y la debe suministrarse energía para que se produzca la reacción. 
Cuando ΔG° de una reacción es negativo se llama espontánea. Si es mayor que 0, la reacción no ocurrirá por si sola.
En un sistema en equilibrio, ΔG° se calcula de la siguiente forma: ΔG° = -RT.lnKeq.
Como esta en equilibrio no será capaz de producir trabajo.
Un sistema que no ha alcanzado el equilibrio puede realizar trabajo durante su transición hacia el equilibrio, donde: 
ΔG° es el cambio de energía libre estándar (condiciones estándar se refiere a temperatura de 25°C o 298° K, concentración de 1 M de reactivos)
R es la constante de gases a 8,314 J/K.mol o 1,987 cal/K.mol.
T es la temperatura absoluta.
lnKeq es el logaritmo natural o neperiano de la constante de equilibrio.
Cuando la concentración de productos es igual a la de reactivos, ΔG= ΔG°. Y en equilibrio no hay energía libre, por lo que ΔG=0.
Si ΔG es negativo en condiciones de la célula, la reacción procederá hacia la formación de productos, y si ΔG es positivo la reacción marchara en sentido opuesto. 
La célula
La célula no está en equilibrio, ya que este se alcanza con la muerte. 
Los principios de termodinámica se aplican a sistemas cerrados, es decir que no intercambian materia y energía con el medio y pueden alcanzar un equilibrio termodinámico.
Las células sos sistemas abiertos, en permanente intercambio de materia y energía con el ambiente. Los organismos vivientes son sistemas abiertos, existen en estado dinámico, aumentan la entropía del universo y son irreversibles.
Las células son sistemas isotérmicos: funcionan a temperatura prácticamente constante, así también como a presión constante.
Transforman la energía libre en ATP y otros compuestos ricos en energía capaces de proporcionar energía para trabajo biológico a temperatura constante.
Las reacciones degradativas productoras de energía libre reciben el nombre de catabolismo. Las que parten de pequeñas moléculas precursoras convirtiéndolas en moléculas más grandes y complejas son llamadas anabolismo. Implican el aporte de energía. 
El ATP es el principal nexo de unión entre componentes anabólicos y catabólicos, y en conjunto, estas reacciones catalizadas por enzimas se denominan metabolismo.
Enlaces de alta energía
Se considera de alta energía a una unión química cuando el cambio de energía libre de la reacción que involucra a esa unión es superior a 20 KJ/mol. Se simboliza con el signo ∼.
El compuesto de alta energía de mayor importancia es adenosina trifosfato (ATP). Al producirse hidrolisis de ATP en ADP y fosfato, hay importante reducción de energía libre. 
La energía de las uniones fosfato en ATP puede ser retenida en el organismo hasta el momento en el cual este la requiere, transportada dentro de la célula hacia los sitios de utilización y transferida para formar otros compuestos de alta energía.
El ATP es la moneda energética de la célula que puede gastarse de inmediato. 
La molécula de ATP está formada por la base nitrogenada adenina, el azúcar de cinco carbonos ribosa y tres grupos fosfato. Los tres grupos fosfato están unidos por dos enlaces covalentes que se rompen con facilidad, produciendo cada uno aproximadamente 7 kilocalorías de energía por mol. 
En los sistemas biológicos, las reacciones endergónicas, como las de biosíntesis, se producen gracias a la energía liberada en las reacciones exergónicas con las que están acopladas. En la mayoría de las reacciones acopladas, el ATP es el intermediario que conducela energía de una reacción a otra.
La estructura interna de la molécula de ATP la hace inusualmente adecuada para este papel en los sistemas vivos. En el laboratorio, 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
Los enlaces covalentes que unen a estos dos fosfatos al resto de la molécula, se llaman enlaces de "alta energía. Estos enlaces no son fuertes, sino que se rompen fácilmente y liberan una cantidad de energía, aproximadamente 7 kcal/mol, adecuada para impulsar muchas de las reacciones endergónicas esenciales de la célula. 
Cada uno de los grupos fosfato lleva cargas negativas y, por eso, tienden a repelerse. Cuando se elimina un grupo fosfato, la molécula sufre un cambio en la configuración electrónica, lo cual da como resultado una estructura con menos energía. 
Cinética química
La cinética estudia la velocidad y mecanismos de las reacciones químicas.
En una reacción química se rompen y/o forman enlaces entre átomos. La velocidad se expresa en términos de cantidad de reactivos convertidos en producto en la unidad de tiempo (moles.segundo-1).
Energía de activación
En toda reacción es necesario suministrar energía a los reactivos para iniciar la reacción. Las moléculas deben alcanzar un estado de transición o estado de activación antes que la reacción pueda cumplirse.
El complejo activado representa un intermediario a partir del cual la reacción se desarrolla espontáneamente. En este intermediario, los enlaces se reacomodan para producir la nueva agrupación de átomos y enlaces que dará lugar a los productos.
La energía necesaria para alcanzar el estado activado recibe el nombre de energía de activación (Ea).
A una Ea elevada corresponde baja velocidad de reacción. La magnitud de la energía de activación varía para cada reacción química. 
Los catalizadores aumentan la velocidad de reacción, disminuyendo la energía de activación. 
Capítulo 8: Enzimas
Las enzimas son catalizadores biológicos.
Un catalizador es un agente capaz de acelerar una reacción química, sin formar parte de los productos finales ni desgastarse en el proceso. 
Las sustancias sobre las cuales actúan las enzimas reciben el nombre de sustratos.
Nomenclatura
Las enzimas suelen designarse agregando el sufijo asa al nombre del estrato sobre el cual actúan. 
Tambien se denominan según el tipo de reacción catalizada, por ejemplo hidrogenasas, descarboxilasas.
Ciertas enzimas tienen nombre propio, como la pepsina del jugo gástrico, la ptialina salival y tripsina y quimiotripsina del jugo pancreático.
La Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular propuso un sistema de clasificación de seis clases principales de enzimas según el tipo de reacción catalizada. Cada clase tiene subclases y subsubclases. Tambien consta de 4 números: el primero es la clase principal, el segundo la subclase, el tercero la subsubclase y el cuarto es el número de orden de la enzima en su subsubclase.
Los seis grupos principales son:
1. Oxidorreductasas: catalizan redox. Comprenden deshidrogenasas, oxidasas, peroxidasas y oxigenasas. 
2. Transferasas: catalizan la transferencia de un grupo de átomos desde un sustrato donante a otro compuesto aceptor. 
3. Hidrolasas: catalizan la ruptura de enlaces C-O, C-N, C-S y O-P por adición de agua. El nombre se forma con el del sustrato y el sufijo asa. Por ejemplo acetilcolinesterasa. 
4. Liasas: catalizan la ruptura de uniones C-C, C-S y C-N de la molécula del sustrato, por un proceso distinto a la hidrólisis.
5. Isomerasas: interconvierten isómeros de cualquier tipo.
6. Ligasas: catalizan la unión de dos moléculas, acoplada con la hidrolisis de un enlace de alta energía de nucleósidos de trifosfato. En estas reacciones se forman uniones C-C, C-S, C-O y C-N. La designación sintetasa suele asignarse a estas enzimas.
Algunas enzimas están constituidas solo por aminoácidos. Otras están formadas por varias subunidades o cadenas polipeptídicas, es decir son oligómeros.
Una vez sintetizadas en las células, las enzimas son enviadas hacia el lugar donde han de cumplir su misión. 
Muchas enzimas asociadas al nucleo participan en el mantenimiento y función del aparato genético. En mitocondrias se encuentran enzimas vinculadas a reacción oxidativas proveedoras de energía. En el citosol se hallan enzimas de la glucolisis. En la MP se encuentran numerosas enzimas.
Coenzimas
Muchas enzimas solo pueden catalizar reacciones en asociación con otra molécula no proteica, denominada coenzima. 
El conjunto se llama holoenzima y está constituido por la proteína, denominada apoenzima, y la coenzima.
HOLOENZIMA = APOENZIMA + COENZIMA
Las oxidorreductasas, transferasas, isomerasas y ligasas requieren coenzimas.
Metaloenzimas
Para algunas enzimas la presencia de iones metálicos es indispensable para la acción catalítica, ya que contribuyen donando o atrayendo electrones. 
Algunos metales fijan ligandos, lo cual los habilita para unir sustratos, y otros mantienen la estructura terciaria y cuaternaria de la molécula de enzima.
Algunos ejemplos son: Fe, Cu, Zn, Mo (molibdeno), Mg, Mn, Se, Ca. 
La actividad de algunas enzimas depende de la presencia de determinados iones en el medio, por ejemplo cationes Na+ y K+ o aniones Cl- (no metálicos).
Catálisis enzimática
Las enzimas aumentan la velocidad de reacción disminuyendo la Ea. Las enzimas no modifican el cambio neto de energía ni la Keq. Durante el curso de la reacción, la enzima se une al o a los sustratos, formando un complejo, apareciendo inalterada al final de la catálisis. 
Se unen enzima y sustrato para formar el complejo ES, que luego se disocia en enzima y producto. 
Sitio activo
Para formar el complejo ES, el sustrato se fija a un lugar definido de la enzima, denominado sitio activo, y es donde se cumple la acción catalítica.
La molécula de sustrato fijada a la enzima sufre una deformación en los enlaces, adquiriendo un estado de activación llamado intermediario de transición desde el cual pasa fácilmente a formar el o los productos. 
Zimógenos
Algunas enzimas se sintetizan en las células de origen al estado de precursores inactivo, llamados zimógenos, preenzimas, o proenzimas. Son proteínas simples que se convierten en enzimas activas por un proceso de hidrolisis.
Actividad enzimática
La actividad de una enzima puede determinarse midiendo la cantidad de producto formado, o de sustrato consumido, en un tiempo dado.
La constante de Michaelis (Km) corresponde a la concentración de sustrato en la cual la velocidad de reacción alcanza un valor igual a la mitad de la velocidad máxima. Km tiene un valor fijo para cada enzima, y la caracteriza. Al disminuir la Km, aumenta la afinidad de la enzima al sustrato.
La velocidad media es la mitad de la velocidad en la cual la enzima trabaja al máximo de su capacidad.
Está determinada por distintos factores:
a. Concentración de enzima: La velocidad es directamente proporcional a la concentración de enzima.
b. Concentración de sustrato: si sigue creciendo la concentración de sustrato, llega un momento en el cual las moléculas de enzima están ocupadas por enzima, la enzima se satura con sustrato. Si el aumento de concentración de sustrato continua, y excede a la de enzima, se alcanza un estado estacionario en el cual la velocidad de reacción no varía. Todo aumento ulterior de sustrato ya no puede producir incremento en la velocidad de reacción. 
c. Temperatura: la velocidad aumenta cuando la temperatura asciende. Se llega a un valor máximo correspondiente a la temperatura óptima. Por encima de este valor la actividad cae rápidamente. La temperatura optima esta alrededor de 37°C. Las enzimas proteicas son desnaturalizadas por el aumento de temperatura.
d. pH: para la mayoría de las enzimas,la actividad óptima se encuentra entre pH 6 a 8, aunque hay excepciones.
Inhibidores enzimáticos
Existen agentes químicos que inhiben la acción catalítica de enzimas. La inhibición puede ser reversible o irreversible.
I. Inhibidores irreversibles
Producen cambios permanentes de la molécula de enzima, con deterioro definitivo de su capacidad catalítica. Son sustancias que pueden ocupar el sitio activo y ser transformados por la enzima en productos; bloquean irreversiblemente el sitio activo.
II. Inhibidores reversibles
Existen tres tipos de inhibición reversibles:
a. Inhibidores competitivos: aumentan el valor de Km pero no modifican la velocidad máxima. 
b. Inhibidores no competitivos: se unen a la enzima en un lugar de la molécula diferente del sitio activo y disminuyen la velocidad máxima sin modificar la Km.
c. Inhibidores anticompetitivos: producen disminución de la velocidad máxima y de la Km. Se une al complejo ES y forma el complejo inactivo ESI. La actividad es disminuida porque el complejo ES unido al inhibidor es inefectivo.
Factores que influyen en la actividad enzimática
Cuando la concentración de sustrato es baja, la actividad de la enzima es proporcional a los niveles de sustrato. 
Regulación de la actividad enzimática
Cuando la concentración de sustrato es baja, la actividad de la enzima es proporcional a los niveles de sustrato. 
Enzimas alostéricas.
En algunas vías metabólicas, la enzima que cataliza la primera etapa de la serie es inhibida por el producto de la última. Se habla de inhibición por retroalimentación. En otros casos, la enzima es estimulada por compuestos que se acumulan en el medio. 
En estas acciones, el agente modificador actúa uniéndose a la enzima en un lugar distinto a la del sitio catabólico. 
Modificación covalente.
Hay enzimas reguladas por adición o sustracción de grupos unidos covalentemente. La regulación covalente se realiza en varias enzimas. Puede ser modulada por grupos fosfatos u otros grupos. Una misma enzima puede responder a más de un tipo de regulación.
Isozimas
En un organismo, y aun en una célula, pueden existir proteínas diferentes dotadas de la misma actividad enzimática. Esas distintas formas moleculares de una enzima se denominas isoenzimas o isozimas.
Termodinamica y Enzimas. Agustín Piga. Página 6 de 7