BIOENERGETICA ENCIMAS Y METABOLISMO

Vista previa del material en texto

Pintura de Giuseppe Arcimboldo: Rudolf II de Habsburgo como 
Vertumnus. 
Fuente: pintura de Giuseppe Arcimboldo.
NO ERES LO QUE COMES
El cuerpo humano es una máquina de complejidad casi 
inimaginable. Cada día nuestro cuerpo gasta alrededor de 
2 000 kcal de energía, que usamos para impulsar el movi-
miento, el metabolismo y el pensamiento. Obtenemos esta 
energía de los alimentos que comemos, pero a diferencia del 
motor de un automóvil que puede convertir un combustible 
químico (gasolina) en fuerza mecánica directamente, nuestros 
cuerpos realizan una compleja serie de reacciones bioquími-
cas para convertir los nutrientes de los alimentos en la mone-
da universal de la energía biológica, la pequeña molécula tri-
fosfato de adenosina (ATP, adenosine triphosphate). Esta red 
de reacciones está organizada por un grupo de enzimas que 
canalizan las biomoléculas que ingerimos hacia reacciones 
que producen el ATP para la energía, así como también hacia 
las reacciones que construyen las sustancias bioquímicas 
que necesitamos como bloques de construcción para células 
y tejidos.
Personas diferentes tienen hábitos alimenticios muy dis-
tintos. Dietas bajas en carbohidratos, dietas veganas, dietas 
paleo —cada una con diferencias impresionantes en la com-
posición bioquímica de los alimentos—. Sin embargo, las per-
sonas que consumen estas dietas diferentes se ven iguales, 
se comportan igual y contienen las mismas células y molécu-
las. Si comes maíz todos los días, no te conviertes en una 
planta de maíz. ¿Cómo se mantiene constante la composi-
ción química de nuestros cuerpos cuando nuestra ingesta de 
alimentos puede ser tan variable? Una vez más, la respuesta 
está en la red de reacciones bioquímicas, orquestadas por 
enzimas que pueden convertir un tipo de bioquímico en otro. 
No somos lo que comemos: somos lo que nuestras enzimas 
nos hacen.
Bioenergética, enzimas 
y metabolismo
B O S Q U E J O D E L C A P Í T U L O
 3.1 Las leyes de la termodinámica
 3.2 Energía libre
 3.3 Acoplamiento de reacciones en-
dergónicas y exergónicas
 3.4 Equilibrio versus metabolismo de 
estado estacionario
 3.5 Las enzimas como catalizadores 
biológicos
 3.6 Mecanismos de la catálisis de en-
zimas
 3.7 Cinética de enzimas
 3.8 PERSPECTIVA HUMANA:
El creciente problema de la 
resistencia a los antibióticos
 3.9 Una descripción del metabolismo
 3.10 Glucólisis y fermentación
 3.11 Poder reductor
 3.12 Regulación metabólica
 3.13 Separación de las vías anabólica 
y catabólica
3.14 PERSPECTIVA HUMANA:
Restricción calórica y longevidad
3 CAPÍTULO
 
C
APÍTU
LO
 3 • Bioenergética, enzim
as y m
etabolism
o
82 se FIGURA 3-1a), y la energía química se convierte en energía eléc-
trica mediante generadores impulsados por gas. También se pue-
de almacenar energía; por ejemplo, la energía eléctrica se puede 
almacenar en forma química mediante una batería recargable 
(consúltese la figura 3-1b), y la energía mecánica puede almacenar-
se en el muelle de un juguete de cuerda. La energía almacenada se 
puede transportar de un lugar a otro; por ejemplo, la energía quí-
mica almacenada en la gasolina puede transportarse a largas dis-
tancias en camiones cisterna. La energía almacenada se puede 
utilizar transformándola de su forma de almacenamiento a otra 
forma útil, como en el caso de la energía eléctrica almacenada en 
una batería, que puede convertirse en trabajo mecánico mediante 
un motor eléctrico (véase la figura 3-1c).
Las células también son capaces de transformar, almacenar y 
transportar la energía. Como se discutirá en capítulos posterio-
res, la energía química almacenada en ciertas moléculas biológi-
cas como el ATP se convierte en energía mecánica cuando los 
músculos se contraen (obsérvese la figura 3-1d), en energía eléc-
trica cuando los iones fluyen a través de una membrana (obsérve-
se la figura 3-1e), o en energía térmica cuando temblamos de frío. 
La transformación de energía más importante en el mundo bioló-
gico es la conversión de la luz solar en energía química —el proce-
so de fotosíntesis— que proporciona el combustible que alimenta, 
directa o indirectamente, las actividades de casi todas las formas 
de vida.1
3.1  Las leyes de la termodinámica
Una célula viviente bulle de actividad. Las macromoléculas de 
todos los tipos se ensamblan a partir de materias primas, los pro-
ductos de desecho generan y excretan, las instrucciones genéticas 
fluyen del núcleo al citoplasma, las vesículas se mueven a lo largo 
de la ruta secretora, los iones se bombean a través de las membra-
nas celulares, y así sucesivamente. Para mantener un nivel tan 
alto de actividad, una célula debe adquirir y gastar energía. El 
estudio de los diversos tipos de transformaciones de energía que 
ocurren en los organismos vivos se conoce como bioenergética.
La energía se define como la capacidad de hacer trabajo, es 
decir, la capacidad de cambiar o mover algo. La termodinámica 
es el estudio de los cambios de energía que acompañan a los even-
tos del universo. En las siguientes secciones, nos enfocaremos en 
un conjunto de conceptos que nos permiten predecir la dirección 
que tomarán los eventos, y si se requiere una entrada de energía 
para provocarlos. Sin embargo, las mediciones termodinámicas 
no ayudan a determinar qué tan rápido ocurrirá un proceso espe-
cífico, o el mecanismo utilizado por la célula para llevar a cabo el 
mismo.
La primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica es la ley de la conservación 
de la energía. Establece que la energía no puede ser creada ni 
destruida. Sin embargo, la energía se puede convertir (transformar-
se) de una forma a otra. La transformación de la energía mecánica 
a la energía eléctrica se produce en las grandes turbinas eólicas 
que ahora se utilizan para generar energía a partir del viento (véa-
FIGURA 3-1 Ejemplos de transforma-
ción de energía. a) Conversión de ener-
gía mecánica a energía eléctrica en una 
turbina eólica, b) almacenamiento de 
energía eléctrica en forma química den-
tro de una batería, c) conversión de 
energía eléctrica a energía mecánica 
mediante un motor eléctrico, en este 
caso el movimiento de un ventilador, d) 
conversión de energía química a ener-
gía mecánica por parte de los músculos, 
e) conversión de energía química a 
energía eléctrica en una anguila eléctri-
ca, que puede generar 500 voltios me-
diante sus órganos eléctricos, f ) conver-
sión de energía química en luz en 
organismos bioluminiscentes.
Fuente: a) pedrosala/Shutterstock.
d)
c)
b)
1 Se conocen varias comunidades de organismos que son independientes de 
la fotosíntesis. Estas incluyen las comunidades que residen en los respirade-
ros hidrotermales en lo profundo del suelo oceánico que dependen de la 
energía obtenida por quimiosíntesis bacteriana.
 
f )
d)
e)
c)b)
a)
 
f )
d)
e)
c)b)
a)
3.1 • Las leyes de la term
odinám
ica
83Varios animales, incluidos las luciérnagas y los peces lumino-
sos, pueden volver a convertir la energía química en luz (véase 
figura 3-1f ). No obstante, con independencia del proceso de 
transformación, la cantidad total de energía en el universo per-
manece constante.
Para analizar las transformaciones de energía que involucran 
los objetos, necesitamos dividir el universo en dos partes: el siste-
ma en estudio y el resto del universo, al que nos referiremos como 
los alrededores. Un sistema se puede definir de varias maneras: 
puede ser un cierto espacio en el universo o una cierta porción de 
materia. Por ejemplo, el sistema puede ser una célula viva. Los 
cambios en la energía de un sistema que ocurren durante un 
evento se manifiestan de dos maneras: como un cambio en el 
flujo de calor desde o hacia el sistema y en la ejecución de trabajo. 
Aunque el sistema puede perder o ganar energía, la primera ley 
de la termodinámica indica que la pérdida o ganancia se debe 
equilibrar con una ganancia o pérdida correspondiente en el en-
torno, de modo que la cantidad en el universo como un todo 
permanezcaconstante. La energía del sistema se denomina ener-
gía interna (E) y su cambio durante una transformación es ΔE (del-
ta E). Una forma de describir la primera ley de la termodinámica 
es que ΔE = Q – W, donde Q es la energía transmitida en forma 
de calor y W la energía transmitida en forma de trabajo. Si un 
sistema empuja o tira contra una fuerza F sobre una distancia d, 
entonces el trabajo realizado durante ese movimiento es W = Fd. 
Esta definición se ajusta a nuestras ideas intuitivas sobre la pala-
bra trabajo. Imagine levantar un objeto pesado: si tiene que levan-
tarlo dos veces más, realiza el doble de trabajo y también realiza 
el doble de trabajo si el peso es dos veces mayor, de modo que la 
fuerza de gravedad es el doble.
En dependencia del proceso, la energía interna del sistema al 
final puede ser mayor, igual o menor que su energía interna 
al inicio, de acuerdo a la relación con su entorno (consúltese 
FIGURA 3-2). En otras palabras, ΔE puede ser positivo, cero o ne-
gativo. Considere que un sistema es el contenido de un recipiente 
de reacción. Siempre que no haya cambios en la presión o el volu-
men del contenido, el sistema no realiza ningún trabajo en su en-
torno, o viceversa. En ese caso la energía interna al final de la 
transformación será mayor que al principio si se absorbe calor, y 
menor si se libera calor. Las reacciones que pierden calor se deno-
minan exotérmicas y las que ganan calor son endotérmicas, y 
hay muchas reacciones de ambos tipos. Como para una reacción 
particular ΔE puede ser positivo o negativo, no nos da informa-
ción sobre la probabilidad de que ocurra un evento determinado. 
Para determinar la probabilidad de una transformación particular, 
debemos considerar algunos conceptos adicionales.
La segunda ley de la termodinámica
La segunda ley de la termodinámica expresa el concepto de 
que los eventos en el universo tienen dirección; tienden a proce-
der “colina abajo” desde un estado de mayor energía a un estado 
de menor energía. Por tanto, en cualquier transformación de 
energía hay una disponibilidad decreciente de energía para hacer 
trabajo adicional. Las rocas caen desde los acantilados hasta el 
suelo, y una vez abajo, se reduce su capacidad de trabajo adicio-
nal; es muy poco probable que se eleven hasta la cima del acanti-
lado. De manera similar, las cargas opuestas normalmente se 
mueven juntas, no separadas, y el calor fluye de un cuerpo calien-
te a uno frío, no a la inversa. Se dice que estos eventos son es-
pontáneos, un término que indica que son termodinámicamente 
favorables y que pueden ocurrir sin entrada de energía externa.
El concepto de la segunda ley de la termodinámica se formuló 
originalmente para los motores de combustión, y la ley llevó con-
sigo la idea de que es termodinámicamente imposible construir 
una máquina de movimiento perpetuo. En otras palabras, es im-
posible que una máquina sea 100% eficiente, lo cual sería necesa-
rio si continuara funcionando sin la entrada de energía externa. 
Parte de la energía se pierde inevitablemente a medida que la 
máquina lleva a cabo su actividad. Una relación similar es válida 
para los organismos vivos. Por ejemplo, cuando una jirafa exami-
na las hojas de un árbol, o un león se alimenta de la jirafa, gran 
parte de la energía química de la comida nunca está disponible 
para el animal que está comiendo.
La pérdida de energía disponible durante un proceso es el 
resultado de una tendencia a que la aleatoriedad o desorden del 
universo aumenta cada vez que hay una transferencia de energía. 
Esta ganancia en el desorden es medida por el término entropía, 
y la pérdida de energía disponible es igual a TΔS, donde ΔS es el 
cambio en la entropía entre los estados inicial y final. La entropía 
está asociada con los movimientos aleatorios de partículas mate-
riales que, como son aleatorios, no se pueden utilizar para llevar 
a cabo un proceso de trabajo dirigido. De acuerdo con la segunda 
ley de la termodinámica, cada evento va acompañado de un au-
mento en la entropía del universo. Cuando se coloca un cubo de 
azúcar en una taza de agua caliente, por ejemplo, hay un despla-
zamiento espontáneo de las moléculas de un estado ordenado en 
el cristal a una condición mucho más desordenada cuando las 
CO2CO2
GlucosaΔE>0 ΔE<0
4 1
3
5
2
6
CH2OH
H
H
H
HO OH
OH
H
H
OH
O
a) b)
FIGURA 3-2 Cambio en la energía interna de un 
sistema. En este ejemplo, el sistema se definirá 
como una hoja particular de una planta. a) 
Durante el día, la luz solar es absorbida por pig-
mentos de fotosíntesis en los cloroplastos de la 
hoja, y se usa para convertir CO2 en carbohidra-
tos, como la molécula de glucosa que se muestra 
en el dibujo (que posteriormente se incorpora en 
la sacarosa o el almidón). A medida que la célula 
absorbe la luz, su energía interna aumenta; la 
energía presente en el resto del universo tiene 
que disminuir. b) Por la noche, la relación de ener-
gía entre la célula y su entorno se invierte a medi-
da que los carbohidratos producidos durante el 
día se oxidan a CO2 en la mitocondria, y la ener-
gía se utiliza para ejecutar las actividades noctur-
nas de la célula.
C
APÍTU
LO
 3 • Bioenergética, enzim
as y m
etabolism
o
84
mantener un estado tan altamente ordenado e improbable —al 
menos por un tiempo—.
Otra medida del estado de energía de un organismo vivo está 
dada por el contenido de información de sus macromoléculas. La 
información es un concepto difícil de definir, pero fácil de reco-
nocer. La información se puede medir en términos de la disposi-
ción ordenada de las subunidades de una estructura. Por ejem-
plo, las proteínas y los ácidos nucleicos, en los que la secuencia 
lineal específica de las subunidades está altamente ordenada, son 
bajos en entropía y tienen un alto contenido de información. 
Mantener un estado de alto contenido de información (baja en-
tropía) requiere la entrada de energía. Considere una sola molé-
cula de DNA ubicada en una célula de su hígado. Esa célula tiene 
docenas de proteínas diferentes cuyo único trabajo es patrullar el 
DNA, buscar daños y repararlos (se trata en la sección 13.8). El 
daño de los nucleótidos en una célula activa puede ser tan grande 
que, sin este gasto de energía, el contenido de información del 
DNA se deterioraría rápidamente.
moléculas de azúcar se extienden por toda la solución 
[véase FIGURA 3-3a)]. A medida que las moléculas del 
cubo de azúcar se disuelven en la disolución, su libertad 
de movimiento aumenta, al igual que la entropía del sis-
tema. El cambio de un estado concentrado a uno disper-
so es el resultado de los movimientos aleatorios de las 
moléculas. Las moléculas de azúcar eventualmente se 
distribuyen por igual a través del volumen disponible, 
porque el estado de distribución uniforme es el estado 
más probable.
Por ejemplo, la liberación del calor de oxidación de 
la glucosa dentro de una célula, o de la fricción genera-
da cuando la sangre fluye a través de un vaso, es otro 
ejemplo de aumento de la entropía. La liberación de 
energía térmica por los organismos vivos aumenta la 
velocidad de los movimientos aleatorios de átomos y moléculas; 
no se puede redireccionar para realizar un trabajo adicional. 
Como la energía de los movimientos moleculares y atómicos au-
menta con la temperatura, también lo hace la entropía. Solo en el 
cero absoluto (0 K), cuando cesan todos los movimientos, la en-
tropía es cero.
Al igual que con otros eventos espontáneos, debemos distin-
guir entre el sistema y su entorno. La segunda ley de la termodi-
námica indica solo que la entropía total en el universo debe au-
mentar; el desorden dentro de una parte del universo (el sistema) 
puede disminuir a un mayor costo de su entorno. El azúcar di-
suelto en la figura 3-3a) puede disminuir en entropía; se puede 
recristalizar vaporizando el agua [véase figura 3-3b)]. La conse-
cuencia de este proceso, sin embargo, es un aumento aún mayor 
en la entropía de los alrededores. El incrementoen la libertad de 
movimiento de las moléculas de agua en la fase gaseosa es mayor 
que la necesaria para equilibrar la disminución de la libertad de 
movimiento de las moléculas de los cristales de azúcar.
La vida opera con un principio similar. Los organismos vivos 
son capaces de disminuir su propia entropía al aumentar la entro-
pía de su entorno. La entropía disminuye en un organismo cuan-
do moléculas relativamente simples, como los aminoácidos, se 
ordenan en moléculas más complejas, como la proteína mioglobi-
na en una célula muscular. Sin embargo, para que esto ocurra 
debe aumentar la entropía del entorno, lo que se logra a medida 
que moléculas complejas y ordenadas, como el glucógeno alma-
cenado en el hígado o en el tejido muscular, se conviertan en ca-
lor y compuestos más pequeños y menos ordenados (como el 
CO2 y H2O) y sean expulsados al medio ambiente. Es esta carac-
terística del metabolismo la que permite a los organismos vivos 
a)
b)
Molécula 
de agua 
en fase 
gaseosa
Molécula 
de agua
en fase 
líquida
Moléculas 
de 
sacarosa
REPASO
1. Describa las diferencias entre la primera y la segunda leyes 
de la termodinámica y cómo, cuando se toman juntas, pue-
den describir la dirección de los eventos que tienen lugar 
en el universo.
2. ¿De qué manera el mantenimiento del estado de vida orde-
nado es consistente con la segunda ley de la termodinámi-
ca?
3. Describe dos ejemplos en los que la entropía de un siste-
ma disminuye, y dos ejemplos en los que aumenta.
FIGURA 3-3 Los eventos van acompañados por un aumento 
en la entropía del universo. a) Un cubo de azúcar contiene 
moléculas de sacarosa en una disposición altamente ordenada 
en la que se restringe su libertad de movimiento. A medida que 
el cubo se disuelve, la libertad de movimiento de las moléculas 
de sacarosa aumenta enormemente, y su movimiento aleatorio 
hace que se distribuyan por igual en todo el espacio disponi-
ble. Una vez que esto ocurre, no habrá más tendencia a la re-
distribución, y la entropía del sistema estará en su punto máxi-
mo. b) Las moléculas de azúcar diseminadas aleatoriamente a 
través de una solución pueden regresar a un estado ordenado, 
pero solo si aumenta la entropía del entorno, como ocurre 
cuando las moléculas de agua más ordenadas de la fase líqui-
da se desordenan después de la evaporación.
3.2 • Energía libre
85
concentración de los reactivos. Considérese, por ejemplo, la si-
guiente reacción:
A B C D
 k k1 2[A][ ] [C][ ]B D
 
k
k
1
2
[ ][ ]
[ ][ ]
C D
A B
La velocidad de la reacción directa es directamente proporcional 
al producto de las concentraciones molares de A y B. La velocidad 
de la reacción directa se puede expresar como k1[A][B], donde k1 
es la constante de velocidad para la reacción directa. La velocidad 
de la reacción hacia atrás es igual a k2[C][D]. Todas las reacciones 
químicas proceden, aunque sea muy lentamente, hacia un es- 
tado de equilibrio; es decir, hacia un punto en el que las velocida-
des de las reacciones hacia delante y hacia atrás son iguales. En 
el equilibrio, el mismo número de moléculas A y B se convierten 
en moléculas C y D por unidad de tiempo a medida que se for-
man a partir de ellas. En el equilibrio, por tanto,
A B C D
 k k1 2[A][ ] [C][ ]B D
 
k
k
1
2
[ ][ ]
[ ][ ]
C D
A B
que puede reordenarse como
A B C D
 k k1 2[A][ ] [C][ ]B D
 
k
k
1
2
[ ][ ]
[ ][ ]
C D
A B
En otras palabras, en el equilibrio hay una relación predecible 
entre la concentración de productos y la concentración de reacti-
vos. Esta relación, que es igual a k1/k2, se denomina constante 
de equilibrio, Keq.
La constante de equilibrio permite predecir la dirección (de 
avance o retroceso) en la que se favorece la reacción bajo un con-
3.2 Energía libre
Juntas, la primera y la segunda leyes de la termodinámica indi-
can que la energía del universo es constante, pero la entropía 
continúa aumentando hacia un máximo. Los conceptos inheren-
tes a las dos primeras leyes fueron combinados por el químico 
estadounidense, J. Willard Gibbs en 1878 en la expresión ΔH = 
ΔG + TΔS, donde ΔG (delta G) es la variación de energía libre; 
es decir, el cambio de la energía disponible para hacer trabajo 
durante un proceso; ΔH es la variación de entalpía o contenido 
total de energía del sistema (equivalente a ΔE para nuestros pro-
pósitos), T es la temperatura absoluta (K = °C + 273) y ΔS la va-
riación de la entropía del sistema. La ecuación establece que el 
cambio de energía total es igual a la suma de los cambios en la 
energía útil (ΔG) y la energía que no está disponible para hacer 
más trabajo (TΔS).
Cuando se reordena y escribe como ΔG = ΔH – TΔS, la ecua-
ción anterior proporciona una medida de la espontaneidad de un 
proceso particular. Permite predecir la dirección en la que conti-
nuará un proceso y la medida en que este ocurrirá. Todas las 
transformaciones espontáneas de energía deben tener un ΔG ne-
gativo; es decir, el proceso debe avanzar hacia un estado de me-
nor energía libre. La magnitud ΔG indica la cantidad máxima de 
energía que puede transformar para su uso en otro proceso, pero 
no dice nada acerca de qué tan rápido ocurrirá el proceso. Los 
procesos que pueden ocurrir espontáneamente, es decir, los pro-
cesos que se ven favorecidos termodinámicamente (tienen un 
–ΔG), se describen como exergónicos. Por el contrario, si el ΔG 
para un proceso dado es positivo, entonces no puede ocurrir es-
pontáneamente. Dichos procesos son termodinámicamente des-
favorables y se describen como endergónicos. Como veremos, 
reacciones que normalmente son endergónicas se puede produ-
cir al acoplarlas a procesos de liberación de energía.
Los signos de ΔH y ΔS para una transformación dada pueden 
ser positivos o negativos, en dependencia de la relación entre el 
sistema y su entorno. (Por tanto, ΔH será positivo si el sistema 
gana calor y negativo si pierde calor; ΔS será positivo si el sistema 
se vuelve más desordenado y negativo si se vuelve más ordena-
do.) El contrajuego entre ΔH y ΔS se ilustra con la transformación 
de agua helada. La conversión del agua líquida al estado sólido se 
acompaña de una disminución de la entropía (ΔS es negativo, 
como se ilustra en la FIGURA 3-4) y de una disminución de la 
entalpía (ΔH es negativo). Para que se produzca esta transforma-
ción (es decir, que ΔG sea negativo), ΔH debe ser más negativo 
que TΔS, una condición que ocurre solo por debajo de 0 °C. Esta 
relación se puede ver en la tabla 3-1, que indica los valores para 
los diferentes términos si un mol de agua se convirtiera en hielo 
a 10 °C, 0 °C o 210 °C. En todos los casos, con independencia de 
la temperatura, el nivel de energía del hielo es menor que el del 
líquido (el ΔH es negativo). Sin embargo, a mayor temperatura el 
término de entropía de la ecuación (TΔS) es más negativo que 
el término de entalpía; por tanto, el cambio de energía libre es 
positivo, y el proceso no puede ocurrir espontáneamente. A 0 °C 
el sistema está en equilibrio; a 210 °C se favorece el proceso de 
solidificación, es decir, el ΔG es negativo.
Cambios de energía libre en 
las reacciones químicas
Ahora que se ha discutido el concepto de energía libre en térmi-
nos generales, puede aplicarse la información a las reacciones 
químicas dentro de la célula. Todas las reacciones químicas den-
tro de la célula son reversibles, y por tanto deben considerarse 
dos reacciones que ocurren simultáneamente, una en sentido 
directo y la otra en sentido inverso. De acuerdo con la ley de ac-
ción de masas, la velocidad de una reacción es proporcional a la 
Th
is
 w
or
k 
is
 li
ce
ns
ed
 u
nd
er
 th
e 
C
re
at
iv
e
C
om
m
on
s 
A
ttr
ib
ut
io
n-
Sh
ar
eA
lik
e 
3.
0 
Li
ce
ns
e.
FIGURA 3-4 Cuando el agua se congela su entropía disminuye, porque 
las moléculas de agua del hielo existen en un estado más ordenado. La 
gran cantidad de enlaces de hidrógeno que se encuentran en el hielo fa-
vorece la entalpía de la transición agua-hielo, mientrasque la entropía re-
ducida hace que la transición sea desfavorable. Dado que la contribución 
entrópica a la energía libre también depende de la temperatura, predomi-
na a temperaturas más altas y hace que el agua líquida sea más favorable. 
A temperaturas más bajas, el término entrópico de la energía libre se 
vuelve de menor magnitud, hasta que eventualmente la entalpía favorable 
de los enlaces de hidrógeno se hace dominante, punto en el cual el hielo 
se vuelve más favorable energéticamente que el agua líquida.
Fuente: Este trabajo está autorizado bajo la licencia Creative Commons 
Attribution ShareAlike 3.0.
TABLA 3-1 Termodinámica de la transformación agua-hielo
ΔH ΔS TΔS
Temp.
(°C)
ΔE
(cal/mol)
(cal/
mol)
(cal/
mol· °C)
(cal/
mol)
ΔG
(cal/mol)
−10 −1 343 −1 343 −4.9 −1 292 −51
0 −1 436 −1 436 −5.2 −1 436 0
+10 −1 529 −1 529 −5.6 −1 583 154
Fuente: I. M. Klotz, Energy Changes in Biochemical Reactions, Academic Press; 
1967. Con permiso de Elsevier.
C
APÍTU
LO
 3 • Bioenergética, enzim
as y m
etabolism
o
86 Debido a que ΔG para una reacción dada depende de la mez-
cla reactiva presente en un momento dado, no es un término útil 
para comparar la energía de varias reacciones. Para colocar las 
reacciones en una base comparable y permitir varios tipos de 
cálculos, se ha adoptado una convención para considerar el cam-
bio de energía libre que ocurre durante una reacción bajo un con-
junto de condiciones estándar. Para las reacciones bioquímicas, las 
condiciones se ajustan arbitrariamente a 25 °C (298 K) y 1 atm de 
presión, con todos los reactivos y productos presentes a 1.0 M 
de concentración a excepción del agua, que está presente a 55.6 
M, y H+ en 10–7 M (pH 7.0).2 La variación estándar de energía 
libre (ΔG°9) describe la energía libre liberada cuando los reactivos 
se convierten en productos bajo estas condiciones estándar. Se 
debe tener en cuenta que las condiciones estándar no prevalecen 
en la célula y, por tanto, hay que ser cauteloso en el uso de valores 
para las diferencias estándar de energía libre en los cálculos de la 
energética celular.
La relación entre la constante de equilibrio y el cambio de 
energía libre estándar viene dada por la ecuación
 
[C][D]
[A][B]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
0 5 0 5
0 5 0 5
1
 
[C][ ]
[ ][ ]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
D
A B
0 75 0 75
0 25 0 25
9
 AB A B
 
Kd
[ ][ ]
[ ]
A B
AB
 G RT Kln eq
 G RT K2 303. log eq
 ATP H O ADP Pi2
 
Cuando el log natural (ln) se convierte en log10, la ecuación se 
convierte en
 
[C][D]
[A][B]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
0 5 0 5
0 5 0 5
1
 
[C][ ]
[ ][ ]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
D
A B
0 75 0 75
0 25 0 25
9
 AB A B
 
Kd
[ ][ ]
[ ]
A B
AB
 G RT Kln eq
 G RT K2 303. log eq
 ATP H O ADP Pi2
 
donde R es la constante de los gases (1.987 cal/mol ∙ K) y T es la 
temperatura absoluta (298 K).3 Recuerde que el log de 1.0 es cero. 
En consecuencia, de la ecuación anterior se deduce que las reac-
ciones que tienen constantes de equilibrio mayores que 1.0 tienen 
valores negativos de ΔG°9, lo que indica que en condiciones es-
tándar pueden ocurrir espontáneamente. Las reacciones que tie-
nen constantes de equilibrio menores que 1 tienen valores positi-
vos de ΔG°9 y no pueden ocurrir espontáneamente en condiciones 
estándar. En otras palabras, dada una reacción escrita de la si-
guiente forma: A + B  C + D, si ΔG°9 es negativo la reacción 
avanzará hacia la derecha cuando los reaccionantes y los produc-
tos estén todos presentes en una concentración de 1.0 M a pH 7. 
Cuanto mayor sea el valor negativo, más avanzará la reacción a la 
derecha antes de alcanzar el equilibrio. Bajo las mismas condicio-
nes, si el ΔG°9 es positivo, la reacción avanzará hacia la izquierda; 
es decir, se favorece la reacción inversa. La relación entre ΔG°9 y 
K9eq se muestra en la tabla 3-2.
Cambios de energía libre en las 
reacciones metabólicas
Una de las reacciones químicas más importantes en la célula es la 
hidrólisis del ATP (véase FIGURA 3-5). En la reacción
 
la diferencia de energía libre estándar entre los productos y los 
reactivos es 27.3 kcal/mol. Con base en esta información es evi-
dente que la hidrólisis del ATP es una reacción altamente favora-
ble (exergónica), es decir, una que tiende a un gran cociente 
[ADP]/[ATP] en el equilibrio. Hay varias razones por las cuales 
esta reacción es tan favorable, una de las cuales es evidente en la 
figura 3-5. La repulsión electrostática creada por cuatro cargas 
junto dado de condiciones. Supongamos, por ejemplo, que esta-
mos estudiando la reacción anterior, y que acabamos de mezclar 
los cuatro componentes (A, B, C, D) para que cada uno esté pre-
sente en una concentración inicial de 0.5 M.
 
[C][D]
[A][B]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
0 5 0 5
0 5 0 5
1
 
[C][ ]
[ ][ ]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
D
A B
0 75 0 75
0 25 0 25
9
 AB A B
 
Kd
[ ][ ]
[ ]
A B
AB
 G RT Kln eq
 G RT K2 303. log eq
 ATP H O ADP Pi2
 
La dirección en la cual esta reacción procederá depende de la 
constante de equilibrio. Si la Keq es mayor que 1, la reacción avan-
zará a una velocidad mayor hacia la formación de los productos C 
y D que en la dirección inversa. Por ejemplo, si el Keq resulta ser 
9.0, entonces la concentración de los reactivos y productos en 
equilibrio en esta mezcla de reacción particular será 0.25 M y 0.75 
M, respectivamente.
 
[C][D]
[A][B]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
0 5 0 5
0 5 0 5
1
 
[C][ ]
[ ][ ]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
D
A B
0 75 0 75
0 25 0 25
9
 AB A B
 
Kd
[ ][ ]
[ ]
A B
AB
 G RT Kln eq
 G RT K2 303. log eq
 ATP H O ADP Pi2
 
Si, por otro lado, la Keq es menor que 1, la reacción inversa proce-
derá a una velocidad mayor que la reacción directa, de modo que 
aumentará la concentración de A y B a expensas de C y D. De 
estos puntos se deduce que la dirección neta en la que avanza la 
reacción en cualquier momento depende de las concentraciones 
relativas de todas las moléculas participantes, y se puede predecir 
a partir de la Keq. Si se conoce la ecuación de Keq para la reacción, 
se puede calcular con ella si la reacción avanzará o retrocederá, 
añadiendo las concentraciones reales de todos los reactivos y pro-
ductos, y comparando luego este valor con el valor esperado de la 
Keq. Si el resultado es igual a la Keq, entonces la reacción ya está 
en equilibrio. Sin embargo, si el resultado es menor que la Keq, la 
reacción avanzará hacia la formación del producto.
Hay un tipo especial de constante de equilibrio que vale la 
pena mencionar: la constante de disociación, denotada Kd. La 
constante de disociación refleja en qué medida dos moléculas 
tienden a permanecer juntas. Dadas dos moléculas A y B, por 
ejemplo una proteína A que se une a un ligando B, la reacción es
AB  A + B
donde AB es el complejo de A enlazado a B. Habitualmente esto 
se refiere a una interacción no covalente. Para esta reacción, la 
constante de equilibrio se denomina constante de disociación y 
se define como:
 
[C][D]
[A][B]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
0 5 0 5
0 5 0 5
1
 
[C][ ]
[ ][ ]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
D
A B
0 75 0 75
0 25 0 25
9
 AB A B
 
Kd
[ ][ ]
[ ]
A B
AB
 G RT Kln eq
 G RT K2 303. log eq
 ATP H O ADP Pi2
 
donde [AB] denota la concentración de A ligada a B, mientras que 
[A] y [B] son las concentraciones de A y B libres (no ligados). Al 
examinar la ecuación que define Kd, se puede ver que cuanto me-
nor sea Kd mayor será [AB] con relación a [A] y [B]. Por tanto, si 
un químico farmacéutico quisiera clasificar una serie de inhibido-
res por su capacidad para unir una proteína particular, podría 
medir la Kd, y el inhibidor con la Kd más pequeña sería el que se 
una más estrechamente.
Volvamos al tema de la energía. La relación de reactivos a 
productos presentes en equilibrio está determinada por los nive-
les relativos de energía libre de los reactivos y productos. Siempre 
que la energía libre total de los reactivos sea mayor que la energía 
libre total de losproductos, entonces ΔG tiene un valor negativo 
y la reacción avanza en la dirección de la formación de los pro-
ductos. Cuanto mayor es ΔG, más lejos está la reacción del equi-
librio y más trabajo puede realizar el sistema. A medida que avan-
za la reacción, la diferencia en el contenido de energía libre entre 
los reactivos y los productos disminuye (ΔG se vuelve menos ne-
gativa), hasta que en el equilibrio la diferencia es cero (ΔG = 0) y 
no se puede obtener más trabajo.
2 ∆G°’ indica condiciones estándar que incluyen pH 7, mientras que ∆G° 
indica condiciones estándar en 1.0M H+ (pH 0.0). La designación K’eq tam-
bién indica una mezcla de reacción a pH 7.
3 El lado derecho de esta ecuación es equivalente a la cantidad de energía 
libre que se pierde a medida que la reacción avanza desde las condiciones 
estándar hasta el equilibrio.
 
[C][D]
[A][B]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
0 5 0 5
0 5 0 5
1
 
[C][ ]
[ ][ ]
[ . ][ . ]
[ . ][ . ]
D
A B
0 75 0 75
0 25 0 25
9
 AB A B
 
Kd
[ ][ ]
[ ]
A B
AB
 G RT Kln eq
 G RT K2 303. log eq
 ATP H O ADP Pi2
 
3.2 • Energía libre
87la hidrólisis de ATP pueden ser [ATP] = 10 mM; [ADP] = 1 mM; 
[Pi] = 10 mM. Sustituyendo estos valores en la ecuación,
Así, aunque el ΔG°9 para la hidrólisis de ATP es –7.3 kcal/mol, el 
ΔG típico en la célula para esta reacción es aproximadamente –12 
kcal/mol, porque una célula mantiene una alta relación de [ATP]/
[ADP]. Este hecho ilustra una manera útil de pensar sobre ΔG, 
como un número que describe cuán lejos está un sistema del 
equilibrio. El ATP es una molécula de alta energía porque la pro-
porción de ATP a ADP está muy lejos de su valor de equilibrio.
Las células llevan a cabo muchas reacciones con valores posi-
tivos de ΔG° porque las concentraciones relativas de reactivos y 
productos favorecen el progreso de las reacciones. Esto puede 
suceder de dos maneras. La primera ilustra la importante diferen-
cia entre ΔG y ΔG°9, y la segunda revela la manera en que la en-
trada de energía química almacenada induce en la célula reaccio-
nes con valores positivos de ΔG°9.
Considérese la reacción de la glucólisis (véase figura 3-24) en 
la que el dihidroxiacetona fosfato se convierte en gliceraldehído 
3-fosfato. El ΔG°9 para esta reacción es +1.8 kcal/mol; sin embar-
go, la formación del producto de esta reacción tiene lugar en la 
célula. La reacción procede porque otras reacciones celulares 
mantienen la relación del reaccionante al producto por encima de 
la definida por la constante de equilibrio. Mientras esta condición 
se mantenga, el ΔG será negativo, y la reacción continuará espon-
táneamente en la dirección de formación del gliceraldehído 3-fos-
fato. Esto trae a colación una característica importante del meta-
bolismo celular: a saber, que reacciones específicas no se pueden 
considerar como independientes, como si estuvieran ocurriendo 
de forma aislada en un tubo de ensayo. Cientos de reacciones 
ocurren simultáneamente en una célula. Todas estas están inter- 
relacionadas, porque el producto de una reacción se convierte en 
un reaccionante para la próxima reacción de la secuencia, y así 
negativas poco espaciadas en ATP 4– se alivia parcialmente me-
diante la formación de ADP 3–.
Es importante tener clara la diferencia entre ΔG y ΔG°9. El 
ΔG°9 es un valor fijo para una reacción dada, e indica la dirección 
en la que esa reacción procedería si el sistema estuviera en condi-
ciones estándar. Debido a que las condiciones estándar no preva-
lecen dentro de una célula, los valores de ΔG°9 no se pueden usar 
para predecir la dirección en la cual una reacción particular está 
procediendo en un momento dado, dentro de un compartimiento 
celular particular. Para hacer esto, debe conocerse el ΔG, que está 
determinado por las concentraciones de los reactivos y productos 
que están presentes en el momento. A 25 °C,
[A], [B], [C] y [D] son las concentraciones reales en ese momento. 
El cálculo de ΔG revela la dirección en la que se está produciendo 
la reacción en la célula, y cuán cerca está de equilibrarse la 
reacción particular en cuestión. Por ejemplo, las concentraciones 
celulares típicas de los reactivos y productos en la reacción para 
TABLA 3-2 Relación entre ΔG°9 y K9eq 
a 25 °C
ΔG°′
K′eq (kcal/mol)
106 −8.2
104 −5.5
102 −2.7
101 −1.4
100 0.0
10−1 1.4
10−2 2.7
10−4 5.5
10−6 8.2
O
P O–OH2O +
O–
O
P
O–
O CH2
NH2
O
O
P
O–
4'
5'
1
23
6
8
7
94
5
1'
2'3'
C
C
C
HH
OH
Trifosfato
Adenina
Ribosa
Trifosfato de adenosina (ATP)
Difosfato de adenosina (ADP)
Fosfato inorgánico (Pi)
C
OH
H H
O
N
C
C
C H
N
N
N
C
H
C
γ β α
O
P
O–
–O O
O
P
O–
–O O–
CH2
NH2
O
O
P
O–
C
C
C
HH
OH
C
OH
H H
O
N
C
C
C H
N
N
N
CH C
+
ΔG°' = –7.3 kcal/mol
ΔG°' = +7.3 kcal/mol
FIGURA 3-5 Hidrólisis del ATP. El trifosfato de adenosina (ATP) se hidroliza como parte de muchos procesos bioquímicos. En la mayoría de las reaccio-
nes, como aquí se muestra, el ATP se hidroliza a ADP y fosfato inorgánico (Pi, inorganic phosphate); pero en algunos casos (no mostrados) se hidroliza a 
monofosfato de adenosina (AMP, adenosine monophosphate) un compuesto con un solo grupo fosfato y pirofosfato (PPi). Ambas reacciones tienen esen-
cialmente el mismo ∆Gº9 de –7.3 kcal/mol (–30.5 kJ/mol).
G G RT2 303. log
[C][D]
[A][B]
G G 2 303 1 987 298. ( . / )( ) log
[C][D]
[A][B]
cal mol K K
 
G G ( . / ) log
[C][D]
[A][B]
1 4 kcal mol
 
G G RT2 303. log
[ ][P ]
[ ]
ADP
ATP
i
G 7 3 1 4
10 10
10
3 2
2
. / ( . / ) log
[ ][ ]
[ ]
kcal mol kcal mol
G 7 3 1 4 3. / ( . / )( )kcal mol kcal mol
G 11 5 46 2. / . /( )kcal mol o kJ mol
G G RT2 303. log
[C][D]
[A][B]
G G 2 303 1 987 298. ( . / )( ) log
[C][D]
[A][B]
cal mol K K
 
G G ( . / ) log
[C][D]
[A][B]
1 4 kcal mol
 
G G RT2 303. log
[ ][P ]
[ ]
ADP
ATP
i
G 7 3 1 4
10 10
10
3 2
2
. / ( . / ) log
[ ][ ]
[ ]
kcal mol kcal mol
G 7 3 1 4 3. / ( . / )( )kcal mol kcal mol
G 11 5 46 2. / . /( )kcal mol o kJ mol
C
APÍTU
LO
 3 • Bioenergética, enzim
as y m
etabolism
o
88
Por tanto, en el equilibrio, se esperaría que la concentración de 
ADP sea más de 107 veces mayor que la del ATP, pero de hecho 
las concentraciones de ATP en la mayoría de las células son de 10 
a 100 veces mayores que las del ADP. Este es un punto crucial 
porque son las concentraciones relativas de ATP y ADP las que 
importan. Si una célula fuera a contener una mezcla de equilibrio 
de ATP, ADP y Pi, no importaría la cantidad de ATP presente; la 
célula no tendría capacidad para realizar trabajo.
La hidrólisis del ATP se utiliza para controlar la mayoría de 
los procesos endergónicos dentro de la célula, incluidas reaccio-
nes químicas como la que acabamos de describir, la separación de 
carga a través de una membrana, la concentración de un soluto, 
el movimiento de filamentos en una célula muscular y cambios en 
las propiedades de las proteínas (consúltese FIGURA 3-6). El ATP 
se puede usar para procesos tan diversos porque su grupo termi-
nal de fosfato se puede transferir a una variedad de diferentes 
tipos de moléculas, que incluyen aminoácidos, azúcares, lípidos y 
proteínas. En la mayoría de las reacciones acopladas, el grupo 
fosfato se transfiere en un paso inicial del ATP a uno de estos 
aceptores, y posteriormente se elimina en un segundo paso (véa-
se figura 4-46 como ejemplo).
sucesivamente a lo largo de una secuencia metabólica y la si-
guiente. Para mantener la producción de gliceraldehído 3-fosfato 
a expensas del dihidroxiacetona fosfato, la reacción se sitúa den-
tro de una secuencia metabólica de forma tal que el producto se 
elimina por la siguiente reacción en la secuencia, a una velocidad 
suficiente como para mantener una proporción favorable de las 
concentraciones de estas dos moléculas.
REPASO
1. Discuta las diferencias entre ΔG y ΔG0; entre las fracciones 
relativas de las reacciones directa e inversa cuando ΔG es ne-
gativo, cero o positivo. ¿Cuál es la relación entre ΔG°9 yK9eq? 
¿Cómo puede una célula llevar a cabo una reacción que tiene 
un +ΔG°9?
2. ¿Cómo es posible que una célula mantenga una relación 
[ATP]/[ADP] mayor que 1? ¿Cómo difiere esta relación de la es-
perada en el equilibrio?
3. ¿Cómo es que la formación de hielo no tiene lugar a tempera-
turas superiores a 0 °C?
REPASO
1. ¿Cuál es el papel de un intermediario común en la inducción 
de una reacción química desfavorable?
3.4 Equilibrio versus metabolismo 
de estado estacionario
A medida que las reacciones tienden al equilibrio, la energía libre 
disponible para hacer el trabajo disminuye hacia un mínimo y la 
entropía aumenta hacia un máximo. Por tanto, cuanto más lejos 
se mantiene una reacción de su estado de equilibrio, se pierde 
menos de su capacidad de hacer trabajo a causa del aumento de 
entropía. El metabolismo celular es esencialmente metabolismo 
de no equilibrio; es decir, se caracteriza por relaciones de des-
equilibrio entre productos y reaccionantes. Esto no quiere decir 
que algunas reacciones no ocurran en el equilibrio, o cerca de él, 
dentro de las células. De hecho, muchas de las reacciones de una 
secuencia metabólica pueden estar cerca del equilibrio (obsérvese 
figura 3-25). Sin embargo, al menos una, y a menudo varias reac-
ciones en una secuencia, están lejos del equilibrio, haciéndose 
esencialmente irreversibles. Estas son las reacciones que mantie-
nen la secuencia en una sola dirección. Son, asimismo, las que 
están sujetas a la regulación celular, debido a que la estimulación 
o la inhibición de la actividad de las enzimas que catalizan estas 
3.3 Acoplamiento de reacciones 
endergónicas y exergónicas 
Las reacciones con grandes valores positivos de ΔG° son típica-
mente impulsadas por la entrada de energía. Considérese la for-
mación del aminoácido glutamina a partir del ácido glutámico 
por la enzima glutamina sintetasa:
ácido glutámico + NH3 → glutamina ∆G°9 = +3.4 kcal/mol
Esta reacción endergónica tiene lugar en la célula porque el ácido 
glutámico se convierte realmente en glutamina en dos reacciones 
secuenciales, ambas son exergónicas:
1a. reacción: ácido glutámico + ATP → glutamilfosfato + ADP 
2a. reacción: glutamilfosfato + NH3 → glutamina + P1 
Reacción total: ácido glutámico + ATP + NH3 → 
 glutamina + ADP + Pi
 ∆G°9 = –3.9 kcal/mol
Se dice que la formación de glutamina está acoplada a la hidrólisis 
del ATP. Siempre que el valor de ΔG para la hidrólisis del ATP sea 
más negativo que el ΔG positivo para la síntesis de la glutamina a 
partir del ácido glutámico, la reacción de hidrólisis de ATP “cues-
ta abajo” se puede usar para impulsar la síntesis “cuesta arriba” 
de la glutamina. Para acoplar las dos reacciones químicas, el pro-
ducto de la primera reacción se convierte en el reaccionante para 
la segunda. El puente entre las dos reacciones, —el glutamilfosfa-
to en este caso— se denomina intermediario común. En esencia, lo 
que ocurre es que la hidrólisis exergónica del ATP se lleva a cabo 
en dos pasos. En el primer paso, el ácido glutámico actúa como 
un aceptor del grupo fosfato, que es desplazado por el NH3 en el 
segundo paso.
La hidrólisis del ATP se puede usar en la célula para dar origen 
a reacciones que conducen a la formación de moléculas como la 
glutamina porque los niveles de ATP se mantienen mucho más 
altos (con relación a los del ADP) de lo que estarían en el equilibrio. 
Esto se puede demostrar con el siguiente cálculo. Como se indicó 
anteriormente, una concentración celular típica de Pi podría ser 10 
mM. Para calcular la relación de equilibrio [ADP]/[ATP] en estas 
condiciones, se puede establecer ΔG en el valor de equilibrio de 0 
y resolver la siguiente ecuación (tomada de la página 87) para 
[ADP]/[ATP]:
G G ( . / ) log
[ ][ ]
[ ]
1 4 kcal mol
ADP P
ATP
i
0 7 3 1 4
10 2
. / ( . / )log
[ ][ ]
[ ]
kcal mol kcal mol
ADP
ATP
0 7 3 1 4 10 2. / ( . / ) log log
[ ]
[ ]
kcal mol kcal mol
ADP
ATP
7 3 1 4 2 1 4. / ( . / )( ) ( . / )log
[ ]
[ ]
kcal mol kcal mol kcal mol
ADP
ATP
log
[ ]
[ ]
. /
. /
.
ADP
ATP
kcal mol
kcal mol
10 1
1 4
7 2
[ ]
[ ]
.
ADP
ATP
1 6 107
3.5 • Las enzim
as com
o catalizadores biológicos
89
reacciones puede aumentar o reducir el flujo de materiales por 
toda la vía.
Los principios básicos de la termodinámica se formularon 
utilizando sistemas cerrados, no vivos (sin intercambio de materia 
entre el sistema y su entorno), en condiciones de equilibrio rever-
sible. Las características únicas del metabolismo celular requie-
ren una perspectiva diferente. El metabolismo celular se puede 
mantener en condiciones irreversibles y de no equilibrio porque, 
a diferencia del entorno dentro de un tubo de ensayo, la célula es 
un sistema abierto. Los materiales y la energía fluyen continua-
mente a la célula desde el torrente sanguíneo o el medio de cul-
tivo. El alcance de esta entrada en las células desde el exterior se 
hace evidente si simplemente se aguanta la respiración. Depen-
demos minuto a minuto de una fuente externa de oxígeno, por-
que el oxígeno es un reactivo muy importante en el metabolismo 
celular. El flujo continuo de oxígeno y otros materiales hacia den-
tro y fuera de las células permite que el metabolismo celular exis-
ta en un estado estacionario (véase FIGURA 3-7). En estado 
estacionario las concentraciones de reaccionantes y productos 
permanecen relativamente constantes, a pesar de que las reaccio-
nes individuales no están necesariamente en equilibrio. Esto no 
ATP
ATP
ATP
ATP
ATP
+ + – – +
Ácido glutámico + NH3
Ácido glutámico + + NH3
Glutamina
Glutamina + ADP + Pi
– + –
– + + – + – – +
+ + + + +
Membrana
Ion transportando
proteína
Enzima
+ + +
– – – – – – – –
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+ K
+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+
K+ K+ K
+
K+K+ K
+
K+ K+
K+
K+
K+
a)
b)
c)
d)
e)
P P
PP
P
Proteínas
Filamentos de proteínas
Ácido glutámico
FIGURA 3-6 Algunas funciones para la hidrólisis del ATP. En la célula, 
la energía de la hidrólisis de ATP se puede usar para a) separar la carga a 
través de una membrana; b) concentrar un soluto particular dentro de la 
célula; c) promover una reacción química, por lo demás desfavorable; d) 
deslizar filamentos entre sí, como ocurre durante el acortamiento de una 
célula muscular; e) donar un grupo fosfato a una proteína, y así cambiar 
sus propiedades y producir la respuesta deseada. En este caso, los gru-
pos de fosfato añadidos sirven como sitios de unión para otras proteínas.
CO2
Equilibrio
Estado 
estacionario
ADP ATP
Estado
estacionario
ADP ATP
Equilibrio
a)
b)
Ameba
FIGURA 3-7 Equilibrio versus metabolismo de estado estacionario. a) 
Mientras esta ameba pueda continuar recibiendo nutrientes del mundo 
exterior, podrá cosechar la energía necesaria para mantener las concen-
traciones de compuestos en un estado estable, que puede estar lejos del 
equilibrio. Las concentraciones de ATP y ADP en estado estacionario se 
indican con puntos de color y el histograma. b) Cuando la ameba muere, 
las concentraciones de ATP y ADP (así como otros productos bioquímicos) 
cambian hacia sus proporciones de equilibrio.
sugiere que las concentraciones de metabolitos celulares no va-
ríen. Las células son capaces de ajustar continuamente la concen-
tración de sustancias clave en respuesta a las condiciones cam-
biantes. Un aumento o disminución en el nivel de sustancias 
reguladoras como la hormona insulina, por ejemplo, puede cau-
sar un notable aumento o disminución en la producción de azú-
cares, aminoácidos o grasas. En otras palabras, las células existen 
en un estado de desequilibrio dinámico, en el cual las velocidades 
de reacción hacia adelante y hacia atrás se pueden aumentar o 
disminuir instantáneamente en respuesta a condiciones cam-
biantes.
REPASO
1. ¿Qué define un sistema cerrado? ¿Son las células sistemas ce-
rrados?
3.5 Las enzimas como catalizadores 
biológicos
A finales del siglo xix se debatíasi el proceso de formación de 
etanol requería la presencia de células de levadura intactas. En un 
lado del debate estaba el químico orgánico Justus von Liebig, 
quien sostenía que las reacciones de fermentación que producían 
C
APÍTU
LO
 3 • Bioenergética, enzim
as y m
etabolism
o
90 de los productos químicos que reaccionan. Como catalizadores, 
las enzimas solo pueden acelerar la velocidad a la que se produce 
una reacción química favorable.
No existe una relación de dependencia entre la magnitud del 
ΔG para una reacción particular y la velocidad a la que tiene lugar 
dicha reacción. La magnitud de ΔG solo nos informa de la dife-
rencia en energía libre entre el estado inicial y el equilibrio. Es 
totalmente independiente de la ruta o el tiempo que lleva alcan-
zar el equilibrio. Por ejemplo, la oxidación de la glucosa es un 
proceso muy favorable, como se puede determinar por la canti-
dad de energía liberada durante su combustión. Sin embargo, los 
cristales de glucosa se pueden dejar al aire en una habitación de 
forma prácticamente indefinida sin una conversión notable en 
materiales menos energéticos. En otras palabras, la glucosa es ci-
néticamente estable, aun cuando es termodinámicamente inestable. 
Incluso si el azúcar se disuelve, siempre que la solución se man-
tenga estéril no se deteriorará rápidamente. Sin embargo, si se 
agregan algunas bacterias, las células absorberán el azúcar y la 
degradarán enzimáticamente en un corto periodo.
Las enzimas son catalizadores notablemente expertos. Los 
catalizadores empleados por los químicos orgánicos en el labora-
torio, como el ácido, el platino metálico y el magnesio, por lo 
general aceleran las reacciones de 100 a 1 000 veces por encima 
la velocidad no catalizada. En contraste, las enzimas suelen au-
mentar la velocidad de una reacción de 108 a 1013 veces, o más 
(véase tabla 3-3). Sobre la base de estos números, las enzimas 
pueden lograr en un segundo lo que requeriría de tres a 300 000 
años si la enzima estuviera ausente. Aún más notable, logran esta 
hazaña a la temperatura y pH moderados que se encuentran den-
tro de una célula. Además, a diferencia de los catalizadores inor-
gánicos utilizados por los químicos, las enzimas son altamente 
específicas para los reaccionantes a los que se pueden unir y a la 
reacción que pueden catalizar. Los reaccionantes enlazados por 
una enzima se llaman sustratos. Si por ejemplo la enzima hexo-
quinasa está presente en solución con un centenar de compues-
tos de bajo peso molecular, además de su sustrato glucosa, solo 
las moléculas de glucosa serán reconocidas por la enzima y se 
someterán a reacción. Para todos los fines prácticos, todos los 
otros compuestos podrían estar ausentes. Este tipo de especifici-
dad, ya sea entre enzimas y sustratos, u otros tipos de proteínas 
y las sustancias a las que se unen, es crucial para mantener el 
orden requerido para sostener la vida.
Además de su alto nivel de actividad y especificidad, las enzi-
mas actúan como directores de tráfico metabólico en el sentido 
de que las reacciones catalizadas por enzimas son muy ordena-
das; los únicos productos formados son los apropiados. Esto es 
muy importante porque la formación de subproductos químicos 
afectaría rápidamente la vida de una frágil célula. Finalmente, a 
diferencia de otros catalizadores, la actividad de las enzimas se 
puede regular para satisfacer las necesidades particulares de la 
célula en un momento particular. Como se hará evidente en este 
capítulo y en el resto del texto, las enzimas de una célula son en 
realidad una maravillosa colección de máquinas moleculares 
en miniatura.
Superación de la barrera 
de la energía de activación
¿Cómo pueden las enzimas lograr una catálisis tan eficaz? La 
primera pregunta a considerar es por qué las reacciones termo-
dinámicamente favorables no proceden por sí solas a velocidades 
relativamente rápidas en ausencia de enzimas. Incluso el ATP, 
cuya hidrólisis es tan favorable, es estable en una célula hasta que 
se descompone en una reacción enzimática controlada. Si este no 
fuera el caso, el ATP tendría poco uso biológico.
Las transformaciones químicas requieren que ciertos enlaces 
covalentes se rompan dentro de los reaccionantes. Para que esto 
el alcohol no eran diferentes de los tipos de reacciones orgánicas 
que había estado estudiando en el tubo de ensayo. Por otra parte 
estaba el biólogo Louis Pasteur, quien argumentó que el proceso 
de fermentación solo podía ocurrir dentro de los confines de una 
célula viva intacta y altamente organizada.
En 1897, dos años después de la muerte de Pasteur, el bacterió-
logo Hans Büchner y su hermano Eduard, químico, preparaban 
“jugo de levadura”, un extracto que hacían moliendo células de 
levadura con granos de arena y luego colando la mezcla a través 
de papel de filtro; ellos querían conservar el jugo de levadura para 
un uso posterior. Después de intentar preservar el extracto con 
antisépticos y fracasar, trataron de proteger la preparación del de-
terioro añadiendo azúcar, el mismo procedimiento utilizado para 
conservar mermeladas y jaleas. En lugar de preservar la solución, 
el jugo de levadura producía gas del azúcar y burbujeaba continua-
mente durante días. Después de un análisis posterior, Eduard 
Büchner descubrió que la fermentación estaba produciendo eta-
nol y burbujas de dióxido de carbono. Había demostrado que la 
fermentación no requería la presencia de células intactas.
Sin embargo, pronto se encontró que la fermentación era 
muy diferente de los tipos de reacciones llevadas a cabo por los 
químicos orgánicos. La fermentación requería la presencia de un 
conjunto único de catalizadores que no tenían contrapartida en el 
mundo no vivo. Estos catalizadores se llamaron enzimas (del 
griego 9, en, y ú levadura). Las enzimas son los mediadores 
del metabolismo, responsables de prácticamente cada reacción 
que ocurre en una célula. Sin las enzimas, las reacciones metabó-
licas avanzarían tan lentamente que serían imperceptibles.
La primera evidencia de que las enzimas son proteínas se ob-
tuvo en 1926 por James Sumner de la Universidad de Cornell, 
cuando cristalizó la enzima ureasa en la Canavalia ensiformis y 
determinó su composición. Aunque este hallazgo no fue recibido 
en el momento con mucha aprobación positiva, pronto se demos-
tró que varias otras enzimas eran proteínas, y en las siguientes 
décadas se aceptó que todos los catalizadores biológicos eran pro-
teínas. Eventualmente se hizo evidente que ciertas reacciones 
biológicas son catalizadas por moléculas de RNA. En aras de la 
claridad, el término enzima aún se reserva por lo general para 
catalizadores proteicos, mientras que el término ribosoma se usa 
para catalizadores de RNA. El presente capítulo restringe la dis-
cusión a los catalizadores de proteínas; las propiedades de los 
catalizadores de RNA se discuten en el capítulo 11.
Aunque las enzimas son proteínas, muchas de ellas son pro-
teínas conjugadas; es decir, contienen componentes no proteicos 
llamados cofactores, que pueden ser inorgánicos (metales) u 
orgánicos (coenzimas). Las vitaminas y sus derivados a menudo 
funcionan como coenzimas. Cuando están presentes, los cofacto-
res son copartícipes importantes en el funcionamiento de la enzi-
ma, llevando a cabo a menudo actividades para las cuales los 
aminoácidos no son adecuados. Por ejemplo, como se discutió en 
el capítulo anterior, en la mioglobina el átomo de hierro de un 
grupo hem es el sitio donde se une el oxígeno y se almacena 
hasta que lo requiere el metabolismo celular.
Propiedades de las enzimas
Como es cierto para todos los catalizadores, las enzimas exhiben 
las siguientes propiedades: 1) solo se requieren en pequeñas can-
tidades; 2) no se alteran irreversiblemente durante el curso de la 
reacción y, por tanto, cada molécula de enzima puede participar 
repetidamente en reacciones individuales, y 3) no tienen efecto 
alguno sobre la termodinámica de la reacción. Este últimopunto 
es de particular importancia. Las enzimas no suministran energía 
para una reacción química, y por tanto no determinan si una re-
acción es termodinámicamente favorable o desfavorable. De ma-
nera similar, las enzimas no determinan la relación de productos 
a reaccionantes en el equilibrio. Estas son propiedades inherentes 
3.5 • Las enzim
as com
o catalizadores biológicos
91
una disolución a temperatura ambiente, las moléculas existen 
en un estado de movimiento aleatorio, y cada una de ellas posee 
una cierta cantidad de energía cinética en un instante dado. 
En una población de moléculas, su energía se distribuye en una 
curva en forma de campana (véase FIGURA 3-9), algunas tienen 
muy poca energía y otras mucha más. Las moléculas de alta 
energía (moléculas activadas) permanecen como tales solo por un 
breve tiempo, pasando su exceso de energía a otras moléculas 
mediante colisiones. Considérese una reacción en la que una mo-
lécula reaccionante se divide en dos moléculas producto. Si una 
determinada molécula reaccionante adquiere suficiente energía 
para superar la barrera de activación, existe la posibilidad de que 
se divida en las dos moléculas del producto. La velocidad de la 
reacción depende del número de moléculas reactivas que poseen 
ocurra, los reaccionantes deben contener suficiente energía ciné-
tica (energía de movimiento) que superen una barrera, llamada 
energía de activación (EA). Esto se expresa en forma de diagra-
ma en la FIGURA 3-8, donde la energía de activación se represen-
ta por la altura de las curvas. Los reaccionantes en una reacción 
química a menudo se comparan con un objeto que descansa so-
bre un acantilado listo para sumergirse en el fondo. Si se deja 
solo, el objeto con toda probabilidad permanecería allí indefini-
damente. Sin embargo, si alguien viniera y le proporcionara sufi-
ciente energía para vencer la fricción, u otra pequeña barrera en 
su camino, e hiciera que alcanzara el borde del acantilado, el ob-
jeto caería espontáneamente al fondo.
El objeto tiene el potencial de caer a un estado de energía 
inferior una vez que se han eliminado las barreras cinéticas. En 
TABLA 3-3 Actividad catalítica de una variedad de enzimas
Enzima t1/21 no enzimática1 Número de recambio2 Incremento de velocidad3
OMP descarboxilasa 78 000 000 años 39 1.4 × 1017
Nucleasa estafilocócica 130 000 años 95 5.6 × 1014
Adenosina deaminasa 120 años 370 2.1 × 1012
Nucleosidasa AMP 69 000 años 60 6.0 × 1012
Citidina deaminasa 69 años 299 1.2 × 1012
Fosfotriesterasa 2.9 años 2 100 2.8 × 1011
Carboxipeptidasa A 7.3 años 578 1.9 × 1011
Quetosteroide isomerasa 7 semanas 66 000 3.9 × 1011
Triosafosfato isomerasa 1.9 días 4,300 1.0 × 109
Corismato mutasa 7.4 horas 50 1.9 × 106
Anhidrasa carbónica 5 segundos 1 × 106 7.7 × 106
Ciclofilina, humana 23 segundos 13 000 4.6 × 105
1 Tiempo a transcurrir para que la mitad de los reaccionantes se convirtiera en producto en ausencia de enzima.
2 Número de reacciones catalizadas por una sola molécula de enzima por segundo cuando se opera a una concentración de sustrato saturante.
3 Aumento en la velocidad de reacción alcanzada por la reacción catalizada por enzimas sobre la reacción no catalizada.
Fuente: A. Radzicka y R. Wolfenden. Science 1995;267:91. Copyright 1995. Reproducido con permiso de AAAS.
Avance de la reacción
En
er
gí
a 
lib
re
Estado
inicial
Estado 
final
Estado de transición (complejo activado entre la glucosa y el ATP)
EA de la reacción no catalizada 
en la dirección de avance
EA de la reacción catalizada por 
enzimas en la dirección de avance
Glucosa 6-fosfato + ADP
= ---4 kcal/mol
Reaccionantes
Productos
Glucosa + ATP
ΔG ′ de reacción
FIGURA 3-8 Energía de activación y reacciones enzimáticas. Aunque la formación de glucosa 6-fosfato es una reacción termodinámicamente favo-
recida (∆Gº9 = –4 kcal/mol), los reaccionantes deben poseer energía suficiente para lograr un estado activado en el que se puedan producir los reor-
denamientos atómicos necesarios para la reacción. La cantidad de energía requerida se llama energía de activación (EA) y está representada por al-
tura de la curva. La energía de activación no es un valor fijo, sino que varía con la secuencia de reacción particular. EA se reduce mucho cuando los 
reaccionantes se combinan con un catalizador de enzima. (Este diagrama muestra un mecanismo de reacción simple de un solo paso). Muchas reac-
ciones enzimáticas tienen lugar en dos o más pasos que conducen a la formación de intermediarios (como en la figura 3-13). Cada paso de la reac-
ción tiene una EA diferente y un estado de transición separado.
C
APÍTU
LO
 3 • Bioenergética, enzim
as y m
etabolism
o
92 zar el estado de transición no es un valor fijo, sino que varía con 
el mecanismo de reacción particular utilizado. Las enzimas cata-
lizan reacciones al disminuir la magnitud de la barrera de energía 
de activación. En consecuencia, a diferencia de la catálisis por el 
calor, las enzimas hacen que sus sustratos sean muy reactivos sin 
tener que elevarlos a niveles de energía particularmente altos. En 
la figura 3-9 se muestra una comparación entre el porcentaje de 
moléculas capaces de reaccionar en una reacción catalizada por 
enzimas, frente a una reacción no catalizada. Las enzimas son 
capaces de reducir las energías de activación uniéndose más fir-
memente al estado de transición que a los reaccionantes, lo que 
estabiliza este complejo activado disminuyendo así su energía. 
Como resultado, las diferencias en la geometría y las propiedades 
de unión entre los reaccionantes y el estado de transición son un 
foco de investigación en los mecanismos enzimáticos. La impor-
tancia del estado de transición se puede demostrar de muchas 
maneras. Por ejemplo:
●● Los compuestos que se asemejan al estado de transición de 
una reacción tienden a ser inhibidores muy efectivos de esa 
reacción, porque son capaces de unirse muy estrechamente a 
la región catalítica de la enzima.
●● Los anticuerpos normalmente no se comportan como enzi-
mas, sino que simplemente se unen a las moléculas con gran 
afinidad. Sin embargo, los anticuerpos que se unen a un com-
puesto que se asemeja a un estado de transición para una re-
acción a menudo pueden actuar como enzimas, y catalizar la 
descomposición de ese compuesto.
A medida que el estado de transición se convierte en productos, 
la afinidad de la enzima por la(s) molécula(s) unida(s) disminuye, 
y los productos son expulsados.
El sitio activo
Como catalizadores, las enzimas aceleran los procesos de ruptura 
y formación de enlaces. Para lograr esta tarea, las enzimas se in-
volucran íntimamente en las actividades que tienen lugar entre 
los reaccionantes. Las enzimas hacen esto formando un complejo 
con los reaccionantes, llamado complejo enzima-sustrato (ES, 
enzyme-substrate). En la FIGURA 3-10 se muestra un esquema 
de complejo ES. En la mayoría de los casos, la asociación entre la 
enzima y el sustrato es no covalente, aunque se conocen muchos 
ejemplos en los que se forma un enlace covalente transitorio.
Aquella parte de la molécula de la enzima que está directa-
mente involucrada en la unión del sustrato se denomina sitio 
activo. El sitio activo y el (los) sustrato(s) tienen formas comple-
mentarias, lo que les permite unirse con un alto grado de preci-
sión. La unión del sustrato a la enzima se realiza mediante los 
mismos tipos de interacciones no covalentes (enlaces iónicos, 
enlaces de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas) que determi-
nan la estructura de la proteína misma. Por ejemplo, la enzima 
representada en la FIGURA 3-11a) contiene varios residuos carga-
dos positivamente, ubicados de forma estratégica para unir áto-
mos de sustrato cargados negativamente. Además de unirse al 
sustrato, el sitio activo contiene una matriz particular de cadenas 
laterales de aminoácidos, que influye en el sustrato y disminuye 
la energía de activación de la reacción. La importancia de las ca-
denas laterales individuales delsitio activo se puede evaluar me-
diante mutagénesis dirigida al sitio (consúltese sección 18.25), 
una técnica en la que un aminoácido particular es reemplazado 
por otro aminoácido que tiene propiedades diferentes.
El sitio activo normalmente está enterrado en una hendidura 
o grieta que conduce desde el entorno acuoso a las profundida-
des de la proteína. Cuando un sustrato ingresa en la hendidura 
del sitio activo, por lo general abandona sus moléculas de agua 
ligada (desolvatación) y entra en un entorno hidrofóbico dentro 
de la enzima. La reactividad de las cadenas laterales del sitio ac-
la energía cinética necesaria en un momento dado. Una forma de 
aumentar la velocidad de reacción es aumentar la energía de los 
reaccionantes. Esto se hace más fácilmente en el laboratorio ca-
lentando la mezcla de reacción (consúltese figura 3-9). Por el con-
trario, la aplicación de calor a una reacción mediada por enzimas 
conduce a la inactivación rápida de la enzima debido a su desna-
turalización.
Se dice que los reaccionantes están en el estado de transición 
cuando están en la cresta de la curva de energía y listos para 
convertirse en productos (véase figura 3-8). En este punto, los 
reaccionantes han formado un complejo momentáneo y activado 
en el que los enlaces se forman y se rompen. Es posible ilustrar la 
naturaleza de una estructura en estado de transición examinando 
la interconversión de los estereoisómeros d y l de la prolina, una 
reacción catalizada por la enzima bacteriana prolina racemasa.
Esta reacción tiene lugar en cualquier dirección mediante la pér-
dida de un protón del α-carbono de la molécula de prolina. Como 
resultado, la estructura del estado de transición contiene un car-
banión con carga negativa, en el que los tres enlaces formados 
por el átomo de carbono están todos en el mismo plano.
De forma contraria a la diferencia de la energía libre estándar 
para una reacción, la energía de activación requerida para alcan-
Energía
25°C
75°C
Energía mínima 
requerida de las moléculas
para la reacción catalizada
Energía mínima 
requerida de las 
moléculas para la 
reacción no 
catalizada
Moléculas capaces de 
reaccionar en presencia 
de un catalizador de 
enzima a menor 
temperatura
N
úm
er
o 
de
 m
ol
éc
ul
as
 c
on
 u
na
 e
ne
rg
ía
 p
ar
tic
ul
ar
Moléculas capaces de 
reaccionar a 
temperatura elevada- 
sin catalizador
Moléculas capaces de 
reaccionar a una 
temperatura menor-
sin catalizador
FIGURA 3-9 El efecto de reducir la energía de activación en la veloci-
dad de una reacción. Las curvas en forma de campana indican el conteni-
do de energía de una población de moléculas presente en una mezcla re-
accionante a dos temperaturas diferentes. El número de moléculas 
reactivas que contienen suficiente energía para experimentar la reacción 
se incrementa calentando la mezcla o añadiendo un catalizador enzimáti-
co. El calor incrementa la velocidad de reacción al aumentar el contenido 
de energía de las moléculas para que una fracción más grande tenga 
energía suficiente para superar la barrera de energía de activación (curvas 
rojas versus azules), mientras que la enzima lo hace al disminuir la energía 
de activación requerida para que ocurra la reacción (líneas de puntos ver-
ticales).
Estado de
transición
COO–N
H
–
H+
H+
H+
H+
D-prolina
COO–
N
H H
L-prolina
N
H
H
COO–
93
3.6 • M
ecanism
os de la catálisis de enzim
as
mayoría de las enzimas son capaces de unir solo una molécula 
biológica, o un pequeño número de ellas estrechamente relacio-
nadas.
tivo puede ser mucho mayor en este entorno protegido en com-
paración con el disolvente acuoso de la célula. Los aminoácidos 
que componen el sitio activo normalmente están situados en pun-
tos distantes a lo largo de la cadena polipeptídica extendida, pero 
se acercan entre sí a medida que el polipéptido se pliega en su 
estructura terciaria final (consúltese figura 3-11b). La estructura 
del sitio activo no solo explica la actividad catalítica de la enzima, 
sino también su especificidad. Como se indicó anteriormente, la 
EnzimaADP
PEP
ATP
Piruvato
Complejo enzima-
sustrato
FIGURA 3-10 Formación de un complejo enzima-sustrato. Dibujo esque-
mático de la reacción catalizada por la piruvato cinasa (véase figura 3-24) 
en la que los dos sustratos, fosfoenolpiruvato (PEP, phosphoenolpyruvate) 
y ADP, se unen a la enzima para formar un complejo enzima-sustrato (ES), 
que conduce a la formación de los productos piruvato y ATP.
FIGURA 3-11 Sitio activo de una enzima. a) Diagrama del sitio activo de la enzima ribulosa bisfosfato carboxilasa oxigenasa que muestra los diversos si-
tios de interacción entre los sustratos unidos (RuBP y CO2) y ciertas cadenas laterales de aminoácidos de la enzima. Además de determinar las propieda-
des de unión al sustrato del sitio activo, estas interacciones no covalentes alteran las propiedades del sustrato de manera que aceleran su conversión a 
productos. b) Mapa de densidad electrónica del sitio activo de una enzima de coagulación de la sangre llamada factor Xa con un inhibidor químico que 
imita el sustrato, la protrombina, que se muestra superpuesta (roja). La superficie gris proporciona una indicación de los alcances externos de los orbitales 
de electrones de los átomos que forman las cadenas laterales de la enzima, plasmando así una representación visual del espacio ocupado por los áto-
mos del sitio activo. Se puede ver claramente que el sustrato se une a una hendidura profunda en la proteína, típica de los sitios activos. El sitio activo se-
rina, Ser195, aparece en azul. Las regiones de proteínas importantes para determinar qué moléculas se pueden unir como sustratos, conocidas como S1 y 
S4, están formadas por múltiples cadenas laterales y están indicadas en amarillo y verde.
Fuente: a) D. A. Harris. Bioenergetics at a Glance, Blackwell; 1995, p. 88; b) de Yeh C. H., Fredenburgh J. C., Weitz J. I. Oral direct factor Xa inhibitors. 
Circulation Research 2012;111,1069-1078.
b)
Fr
om
 Y
eh
 C
H
, F
re
de
nb
ur
gh
 J
C
, W
ei
tz
 J
I. 
20
12
. O
ra
l d
ire
ct
 fa
ct
or
 X
a 
in
hi
bi
to
rs
.
C
irc
ul
at
io
n 
R
es
ea
rc
h 
11
1,
 1
06
9
–1
07
8.
 
+
-
-
-
lys
HN
NH
RuBP
his NH
NH2 H3N
+
H3N
+
O
O–
O–
–O O
O
O
O
C
CO2
O
O O
O
O
H
H H
H
H HO
P
P
O O
OMg2+
C
C
C
lys
lys
asp
arg
a)
REPASO
1. ¿Cómo es posible tener una reacción caracterizada por un ΔG 
grande y una EA pequeña? ¿Una gran EA y un pequeño ΔG?
2. Explique cómo las enzimas pueden ser tan específicas hacia 
los sustratos a los que se unen.
3.6 Mecanismos de la catálisis 
de enzimas
¿Cómo es que una enzima puede causar que una reacción ocurra 
cientos de veces por segundo cuando la misma reacción puede 
ocurrir a tasas indetectables en ausencia de la enzima? La res-
puesta radica en la formación del complejo enzima-sustrato, que 
permite que el (los) sustrato(s) se extraiga(n) de la disolución y se 
mantenga(n) en la superficie de la gran molécula del catalizador. 
Una vez allí, las propiedades físicas y químicas del sustrato se 
pueden ver afectadas de varias maneras, algunas de las cuales 
se describen en las siguientes secciones.
C
APÍTU
LO
 3 • Bioenergética, enzim
as y m
etabolism
o
94 te cargadas hasta altamente no polares. Cuando un sustrato se 
une a la superficie de una enzima, la distribución de electrones 
dentro de esa molécula de sustrato está influenciada por las cade-
nas laterales vecinas de la enzima (véase figura 3-12b). Esta in-
fluencia aumenta la reactividad del sustrato y estabiliza el com-
plejo de estado de transición formado durante la reacción. Estos 
efectos se logran sin la entrada de energía externa, como el calor.
Existen varios mecanismos generales por los cuales la reacti-
vidad de los sustratos aumenta por la asociación con enzimas. 
Básicamente, estos mecanismos son similares a los caracterizados 
por los químicos orgánicos que estudian los mecanismos de las 
reacciones orgánicasen un tubo de ensayo. Por ejemplo, la velo-
cidad de las reacciones puede verse muy afectada por los cambios 
en el pH. Aunque las enzimas no pueden cambiar el pH de su 
medio, sí contienen numerosos aminoácidos con cadenas latera-
les ácidas o básicas. Estos grupos son capaces de donar o aceptar 
protones hacia y desde el sustrato, alterando así el carácter elec-
trostático del sustrato, haciéndolo más reactivo.
Los sitios activos de muchas enzimas contienen cadenas late-
rales con una carga parcial positiva o negativa. Dichos grupos son 
capaces de interactuar con un sustrato para alterar sus propieda-
des electrostáticas (véase figura 3-12b), y por tanto su reactividad. 
Dichos grupos también son capaces de reaccionar con un sustra-
to para producir un enlace covalente enzima-sustrato temporal. 
La quimotripsina, una enzima que digiere las proteínas de los 
alimentos dentro del intestino delgado, actúa de esta manera. La 
serie de reacciones que tienen lugar cuando la quimotripsina hi-
droliza un enlace peptídico en una proteína sustrato se muestra 
en la FIGURA 3-13. En dicha figura la reacción está dividida en 
dos pasos. En el primer paso, el átomo de oxígeno electronegati-
vo de la cadena lateral de una serina de la enzima “ataca” a un 
átomo de carbono del sustrato. Como resultado, el enlace peptí-
dico del sustrato se hidroliza y se forma un enlace covalente entre 
la serina y el sustrato, desplazando el resto del sustrato como uno 
de los productos. Como se plantea en la leyenda de la figura, la 
capacidad de la serina para llevar a cabo esta reacción depende 
de un residuo de histidina cercano, que atrae al protón del grupo 
hidroxilo de la serina, lo cual aumenta el poder nucleofílico del 
átomo de oxígeno del grupo. Las enzimas también son expertas 
en utilizar moléculas de agua en las reacciones que catalizan. En 
el segundo paso que se muestra en la figura 3-13b), el enlace co-
valente entre la enzima y el sustrato se escinde mediante una 
molécula de agua, la enzima vuelve a su estado original sin unión, 
y se libera el resto del sustrato como segundo producto.
Aunque las cadenas laterales de aminoácidos pueden partici-
par en una variedad de reacciones, no son adecuadas para donar 
o aceptar electrones. Como veremos en la siguiente sección (y 
con más profundidad en los capítulos 5 y 6), la transferencia de 
electrones es el desempeñan central en las reacciones de oxida-
ción-reducción que desempeñan un papel tan vital en el metabo-
lismo celular. Para catalizar estas reacciones, las enzimas contie-
nen cofactores (iones metálicos o coenzimas) que aumentan la 
reactividad de los sustratos al eliminar o donar electrones. En 
varios casos, las enzimas crean su propio cofactor aceptor de elec-
trones al modificar químicamente uno de los residuos de aminoá-
cidos situados en su sitio activo.
La inducción de tensión en el sustrato
Aunque el sitio activo de una enzima puede ser complementario 
a su(s) sustrato(s), varios estudios revelan un cambio en las posi-
ciones relativas de ciertos átomos de la enzima una vez que el 
sustrato se ha unido. En muchos casos, la conformación cambia 
de modo que se mejora el ajuste complementario entre la enzima 
y los reaccionantes (un ajuste inducido), y los grupos reaccio-
nantes apropiados de la enzima se mueven en su lugar. Un ejem-
plo de ajuste inducido se muestra en la FIGURA 3-14. Estos tipos 
de movimientos dentro de una molécula de enzima proporcionan 
Orientación del sustrato
Suponga que usted coloca un puñado de tuercas y tornillos cortos 
en una bolsa y agita la bolsa durante cinco minutos. Es muy poco 
probable que alguno de los tornillos tenga una tuerca firmemente 
unida a su extremo cuando haya terminado. Por el contrario, si 
tomara un tornillo con una mano y una tuerca con la otra, podría 
rápidamente guiar el tornillo hacia la tuerca. Al mantener la tuer-
ca y el tornillo en la orientación correcta, habrá disminuido en 
gran medida la entropía del sistema. Las enzimas reducen la en-
tropía de sus sustratos de una manera similar.
Los sustratos unidos a la superficie de una enzima se juntan 
exactamente en la orientación correcta para realizar la reacción 
(consúltese FIGURA 3-12a). En contraste, cuando los reaccionan-
tes están presentes en la solución, son libres de experimentar 
movimientos de traslación y rotación, e incluso aquellos que po-
seen suficiente energía no necesariamente experimentan una 
colisión que resulta en la formación de un complejo de estado de 
transición.
El cambio de la reactividad del sustrato
Las enzimas se componen de aminoácidos que tienen una varie-
dad de diferentes tipos de cadenas laterales, desde completamen-
Sustrato 
alineado
a)
b)
c)
+_ _
+
El sustrato 
adquiere la 
región cargada
Enz
ima
Enz
ima
Enzi
ma
 Sustrato 
estresado
Sustrato 
alineado
a)
b)
c)
+_ _
+
El sustrato 
adquiere la 
región cargada
Enz
ima
Enz
ima
Enzi
ma
 Sustrato 
estresado
Sustrato 
alineado
a)
b)
c)
+_ _
+
El sustrato 
adquiere la 
región cargada
Enz
ima
Enz
ima
Enzi
ma
 Sustrato 
estresado
FIGURA 3-12 Tres mecanismos mediante los cuales las enzimas acele-
ran las reacciones: a) manteniendo una orientación precisa del sustrato, 
b) cambiando la reactividad del sustrato al alterar su configuración elec-
trostática, c) ejerciendo un estrés físico sobre los enlaces en el sustrato 
que se va a romper.
3.6 • M
ecanism
os de la catálisis de enzim
as 
95
CH
O
H
NH
CH HC
CH2
R
H
C
H
CH
C
R"
R'
C
Enzima
Sustrato
Ser 195
HN
N
N
HC
: :O
C O
O
HC
CH2
H
C
H
CH
C
R'
R"
H
C
R
H
HN
HC
Ser 195
His 57 His 57
His 57
N
N
:C
O
C
NH
CH
O
O
HC
CH2
H
C
H
CH
C
H
C
R
Ser 195
N
N
H
:C
O
O
HWater
H
:
H
C
R
Ser 195
His 57
C OH
O Segundo
producto
Primer
producto
+
+
δ+δ–
δ–
δ+
Acil-enzima intermediaria
a) b)
O
H
HC
CH2
H
C
H
CH
C
N
N
:
FIGURA 3-13 Diagrama del mecanismo catalítico de la quimotripsina. La 
reacción se divide en dos pasos. a) El átomo de oxígeno electronegativo 
de un residuo de serina (Ser195) en la enzima, que lleva una carga negati-
va parcial, lleva a cabo un ataque nucleófilo en el átomo de carbono car-
bonilo del sustrato, que lleva una carga positiva parcial, lo que divide el 
enlace péptido. El sustrato polipeptídico se muestra en azul. La serina se 
vuelve más reactiva mediante un residuo de histidina aplicado de cerca 
(His57) que extrae el protón de la serina y posteriormente dona el protón 
al átomo de nitrógeno del enlace peptídico escindido. La histidina puede 
hacer esto porque su cadena lateral es una base débil que es capaz de 
ganar y perder un protón a un pH fisiológico. (Una base más fuerte como 
la lisina permanecería totalmente protonada a este pH). Parte del sustrato 
forma un enlace covalente transitorio con la enzima por medio de la cade-
na lateral de serina, mientras que el resto del sustrato se libera como el 
primer producto. (Se puede observar que los residuos de serina e histidina 
están situados a 138 aminoácidos uno del otro en la secuencia primaria, 
pero se juntan dentro de la enzima mediante el plegamiento del polipépti-
do. Un ácido aspártico, el residuo 102 que no se muestra, también desem-
peña un papel en la catálisis, influyendo en el estado iónico de la histidi-
na). b) En el segundo paso, el átomo de oxígeno electronegativo de una 
molécula de agua desplaza al sustrato unido en forma covalente de la en-
zima, y regenera la molécula de enzima no unida. Como en el primer pa-
so, la histidina realiza un papel en la transferencia de protones; en este 
paso, el protón se elimina del agua, por lo que es un nucleófilo mucho 
más fuerte. El protón se dona posteriormente al residuo de serina de la 
enzima.
FIGURA 3-14 Un ejemplo de ajuste inducido. Cuando una molécula de 
glucosa se une a la enzima hexoquinasa, la proteína sufre un cambio con-
formacional que encierra el sustrato dentro de la bolsa del sitio activo y 
alinea los grupos reaccionantes de la enzima y el sustrato. 
Fuente: