CBC Capitulo 4 Introducción al metabolismo

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Resumen de Biología – Cuadernillos Negros 
Capítulo 4 – Introducción al metabolismo 
 
La célula es una máquina química isotérmica y que constituye un sistema abierto en estado 
estacionario. 
 
La célula recupera energía química 
 
La energía libre que va a utilizar la célula para los distintos tipos de trabajo celular la 
recupera en forma de energía química, que es aquella contenida en los enlaces que realizan 
los átomos para construir moléculas, la que los mantiene unidos entre sí. 
 
¿Todas las células obtienen del entorno el mismo tipo de energía? 
 
Existen células fotosintéticas y heterotróficas. Las primeras se caracterizan por utilizar la 
luz del sol como fuente de energía. La energía lumínica es absorbida por la clorofila y 
transformada en energía química. Por eso se las llama autotróficas, ya que ellas mismas 
fabrican su alimento a partir de la energía lumínica absorbida. Las segundas, heterotróficas, 
son las que aprovechan del entorno la energía química contenida en diferentes moléculas 
orgánicas ricas en energía, como la glucosa. Ambos tipos recuperan la energía química y la 
centralizan en ATP, que es el transportador de energía química más importante en todos los 
organismos. 
 
¿Qué es el ATP? 
 
Adenosina TriFosfato. El ATP pertenece al grupo de los nucleótidos, constituidos por una base 
nitrogenada constituida por uno o dos anillos de carbono, nitrógeno e hidrogeno 
principalmente, una pentosa o sea un monosacárido de cinco carbonos y una o varias 
moléculas de fosfato. El ATP posee como base nitrogenada a la adenina, como pentosa a la 
ribosa y tres moléculas de fosfato. 
 
El enlace entre el segundo y tercer fosfato es un enlace rico en energía y que al romperse 
libera una gran cantidad de ella. El aporte energético para forma ATP proviene de energía 
libre obtenida por la célula del entorno, la que entonces queda recuperada como energía 
química en este tercer enlace fosfato del ATP. 
 
¿Qué ocurre con el ATP cuando se rompe su tercer enlace fosfato? 
 
Se libera una gran cantidad de energía que va a ser utilizada convenientemente por la celula 
en distintos trabajos. Otro producto es el ADP que es la molecula en que se convierte el ATP 
al perder su tercer grupo fosfato. La regeneración del ATP se consigue con la fosforilación del 
ADP, que requiere además de una molécula de fosfato un gran aporte energético para formar 
el enlace. 
 
Cuando la célula consume ATP está generando ADP y cuando toma energía libre del entorno, 
ese ADP es fosforilado a ATP, por lo que se forma un ciclo, denominado el ciclo del ATP. Por 
eso es un intermediario energético. 
 
Metabolismo celular 
 
El metabolismo intermediario o celular es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren 
en el interior de la celula de manera ordenada, eficaz y especifica gracias a estar catalizadas 
cada una de ellas por enzimas específicas. Funciones especificas: 
1. Obtención de energía química a partir de moléculas orgánicas combustibles o de la 
luz solar. 
2. Convertir los principios nutritivos exógenos en precursores para las macromoléculas 
de la célula. 
3. Ensamblar estos precursores para formar proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y otros 
componentes. 
4. Formar y degradar las biomoléculas necesarias para el cumplimiento de las funciones 
especializadas de la célula. 
 
Reacciones endergónicas: para que ocurran necesitan el aporte de energía aportada por el 
ATP. 
Reacciones exergónicas: para ocurrir liberan energía, que es tomada por el ADP para 
fosforilarse. 
 
Asi también aparece el papel de intermediario común del ATP, que realiza el acoplamiento 
energético de estos dos tipos de reacciones que ocurren en el metabolismo celular. 
 
Catabolismo y anabolismo 
 
Catabolismo: constituye la fase de degradación, en la cual las moléculas nutritivas complejas 
y relativamente grandes (glúcidos, proteínas, lípidos) que obtiene la celula del entorno o que 
tiene reservadas son degradadas a moléculas más sencillas. El objetivo es la obtención de la 
energía contenida, para formar ATP. 
Anabolismo: constituye la fase constructiva o biosintética del metabolismo, se produce la 
biosíntesis de todos los componentes moleculares de la célula a partir de precursores 
sencillos. Para lograrlo, se libera energía contenida en el ATP. 
 
Enzimas 
 
Las enzimas actúan como catalizadores biológicos que aumentan la velocidad con que ocurren 
ciertas reacciones químicas en intervienen en la interconversión de distintos tipos de energía. 
 
¿Qué es una enzima? ¿Qué es un catalizador? 
 
Todas las reacciones químicas requieren superar cierta barrera energética para iniciarse, 
conocida como energía de activación, que es la cantidad mínima de energía necesaria para 
que se lleve a cabo una determinada reacción química. Está relacionada con la temperatura, 
ya que al aumentar, acelera la velocidad de las reacciones químicas por aumentar el número 
de choques entre las moléculas. 
 
Es necesario disminuir esos valores de energía para que las distintas reacciones puedan 
llevarse a cabo sin depender tanto de las temperaturas, ahí aparecen los catalizadores 
biológicos, como las enzimas de origen proteico y también se han encontrado moléculas de 
ARN con capacidad catalítica, llamadas ribozimas. Estos catalizadores logran acelerar las 
reacciones químicas al disminuir la energía de activación. Las moléculas sobre las que actúan 
se llaman sustratos y las que resultan de la reacción, productos. 
 
Características 
 
Las enzimas son excelentes catalizadores producidos por los seres vivos que logran acelerar 
las reacciones químicas llevadas a cabo por los sistemas biológicos. Son altamente 
específicas, participan de una determinada reacción química reconociendo y actuando sobre 
un sustrato en particular, por eso habrá una gran variedad de enzimas. Son eficientes en 
pequeñas cantidades. Se recuperan luego de la reacción y no alteran el equilibrio de las 
reacciones que catalizan, solo permiten que se alcance el equilibrio en un tiempo mucho 
menor. 
 
Las más comunes son de naturaleza proteica, por eso sus estructuras se verán afectadas por 
la temperatura y el pH, afectando su capacidad catalítica. Se verán sujetas a un gran número 
de controles celulares que serán capaces de afectar tanto la actividad enzimática como la 
cantidad de enzima presente en la celula a través de la regulación de la expresión genética. 
 
Clasificación de las enzimas 
 
Enzimas simples: las que la parte proteica posee actividad catalítica por sí sola. 
Enzimas conjugadas: las que requieren de otra sustancia no proteica para alcanzar la 
capacidad catalítica. La parte proteica sola es inactiva y recibe el nombre de apoproteína. Y 
los otros componentes de distinta naturaleza, tienen el nombre de cofactores enzimáticos. 
Estos pueden ser: iones inorgánicos o una coenzima (molecula orgánica pequeña), como por 
ejemplo NAD, NADP, FAD, CoA. En aquellos casos en los que las coenzimas se encuentran 
unidas fuertemente a la parte proteica se las denomina grupos prostéticos. 
 
Una vez conjugada la apoenzima con su cofactor se obtiene la holoenzima. 
 
 
Reconocimiento del sustrato 
 
El primer paso es la unión entre la enzima y el sustrato, con la formación del complejo 
enzima-sustrato. La región de la enzima que interacciona se llama sitio activo, donde están 
ubicados los aminoácidos que participan en el proceso catalítico. Es indispensable mantener 
la estructura terciaria de la enzima para que sea catalíticamente activa. Las uniones que se 
forman entre la enzima y el sustrato son débiles: enlaces electrostáticos, de hidrogeno, 
fuerzas de van der Waals e interacciones hidrofóbicas. Así, la unión es reversible y la enzima 
puede recuperarse al final de la reacción. Hay dos modelos para describir el modo de 
interacción entre la enzima y el sustrato, distintas enzimas pueden actuar a través de 
distintos mecanismos, las dos son verdaderas. 
 
Modelo llave-cerradura: establece la existencia de una total complementariedadentre el 
sitio activo de la enzima y el sustrato sobre el cual actúa. 
 
Modelo de ajuste inducido: la complementariedad entre el sitio activo de la enzima y el 
sustrato se alcanza luego de la interacción entre ellos, es decir que hay un reconocimiento 
dinámico que involucra una modificación apreciable de los sitios activos de alunas enzimas al 
unirse con sus sustratos. 
 
Cinética enzimática 
 
Estudia la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas. Asi se puede medir la 
cantidad de moléculas de producto formadas por unidad de tiempo, como también la 
cantidad de moléculas de sustrato desaparecidas en un tiempo determinado. 
 
En condiciones iniciales, la cantidad de sustrato no es un factor limitante y por lo tanto, la 
enzima puede trabajar a su mayor capacidad en la velocidad inicial. Luego, ésta va 
disminuyendo ya que cada vez hay menos sustrato y por lo tanto es menos probable su 
interacción con la enzima. Termina por alcanzar un estado de equilibrio en el cual la 
velocidad de formación de producto es igual a cero. 
 
Factores que afectan la cinética enzimática 
 
La velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas puede ser afectada por 
distintos factores: concentración del sustrato, de enzima, temperatura, pH, y presencia de 
inhibidores. 
 
Efecto de la concentración de sustrato sobre la cinética enzimática 
La velocidad “V” varía con la concentración de sustrato “S”. A bajas concentraciones de 
sustrato la velocidad aumenta de modo proporcional al aumento de la concentración del 
sustrato; cuando la concentración del sustrato es alta, la velocidad es prácticamente 
independiente y tiende a alcanzarse una velocidad máxima, que solo podrá ser aumentada 
aumentando la concentración de enzima. A este estado en el cual todos los sitios activos 
están ocupados y se ha alcanzado la velocidad máxima se lo conoce como saturación. 
 
La concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la velocidad máxima es 
igual a la Km de la enzima. Cuando menor sea el valor de la Km mayor será la afinidad de la 
enzima por su sustrato y viceversa. 
 
Ecuación de Lineweaver-Burk: es una línea recta con una ordenada al origen igual a 
1/Vmax, una pendiente de Km/Vmax y la intersección con el eje de las abscisas 
corresponderá a -1/Km. 
 
Efecto de la temperatura sobre la cinética enzimática 
 
A bajas temperaturas, la velocidad de reacción también es baja, pero se incrementa a medida 
que la temperatura sube ya que se favorece la probabilidad de choques entre las sustancias 
involucradas. Luego de alcanzada la temperatura óptima (de mayor actividad), la actividad 
va disminuyendo. A bajas temperaturas la enzima se encuentra inactiva y a altas 
temperaturas se desnaturaliza. Todas las enzimas tendrán una temperatura óptima que en la 
mayoría de los casos coincide con la fisiológica. 
 
Efecto del pH sobre la cinética enzimática 
 
Al tomar o ceder protones se afecta la carga neta del aminoácido y esto produce atracciones 
y repulsiones. La actividad enzimática se encuentra modulada por el PH y en muchos casos 
puede considerarse un mecanismo de control ejercido por la celula. La sensibilidad al pH 
varía dependiendo de la composición de aminoácidos de la proteína en estudio. En muchos 
casos, en la interacción entre el sitio activo de la enzima y el sustrato, participan grupos 
cargados que son importantes tanto en el reconocimiento como asi también en la 
estabilización de la unión. Si estas cargas son modificadas, se verá afectada la capacidad de 
unión entre la enzima y el sustrato. 
 
Inhibición de la actividad enzimática 
 
Puede ser disminuida o suprimida completamente por la acción de diversas sustancias 
llamadas inhibidores enzimáticos. Ocurre en forma natural, siendo uno de los patrones 
normales de la biorregulación. Puede ser reversible o irreversible. 
 
Inhibición reversible 
 
El inhibidor se fija a la enzima dando por resultado una pérdida de la actividad. Puede ser de 
tres tipos: competitiva, no competitiva y acompetitiva. 
 
Inhibición competitiva 
El inhibidor competitivo tiene una similitud estructural con el sustrato y se combina 
irreversiblemente en el sitio activo donde debería unirse el sustrato. Cuando están presentes 
“S” e “I”, la enzima puede fijarse a “S” para formar “ES” o a “I” para formar “EI”, son 
excluyentes. La formación de “EI” reduce la concentración de enzima disponible, por tanto la 
velocidad de reacción disminuye. Este tipo de inhibición puede contrarrestarse 
incrementando la concentración de sustrato. 
 
Un inhibidor competitivo disminuye la afinidad de la enzima por su sustrato (el KM) pero no 
altera la Vmax, ya que esta se alcanza de todos modos a concentraciones elevadas de 
sustrato. 
 
Inhibición no competitiva 
El inhibidor no competitivo y el sustrato pueden unirse simultáneamente a la enzima. Sus 
sitios de unión son diferentes y se puede formar “ESI”. Este es catalíticamente inactivo e 
incapaz de generar los productos de esta reacción. 
 
No se modifica la afinidad de la enzima por el sustrato (Km no varía) pero la Vmax disminuye 
notablemente. 
 
Inhibición acompetitiva 
El inhibidor acompetitivo se une exclusivamente al complejo “ES”, resultando un compuesto 
ternario “ESI” no productivo. Incrementando la concentración de sustrato se refuerza el 
efecto inhibidor, ya que se eleva la concentración de “ES” disponible para unirse a “I”. 
 
En presencia del inhibidor disminuyen Km y también Vmax. 
 
Inhibición irreversible 
 
Provocada por sustancias que producen un cambio permanente en la molecula de enzima, que 
pierde definitivamente su actividad. Por ejemplo el Pb2+, varios compuestos de mercurio y 
arsénico. 
 
Regulación de la actividad enzimática 
 
Tres niveles básicos de regulación de las enzimas: 
- Regulación de la actividad catalítica (activación-inhibición) 
- Regulación de la síntesis de enzimas (inducción-represión) 
- Regulación de la degradación de las enzimas 
 
Regulación de la actividad catalítica 
 
Consiste en modificar la actividad de las unidades de moléculas de enzimas preformadas, sin 
variar la cantidad de enzima ya sintetizada por la celula, lo que constituye un ahorro de 
energía importante. Varios factores contribuyen en este proceso: 
 
-sistemas multienzimáticos 
Existe una serie de etapas, llamadas vías metabólicas, cada una de ellas catalizada por una e 
enzima diferente; el producto formado será utilizado como sustrato por la enzima de la 
siguiente etapa. Cuando las enzimas están alineadas, se forma un sistema multienzimático, 
que posee la capacidad de autorregulación de su velocidad global de reacción. 
 
La enzima que cataliza la primera etapa actúa generalmente como reguladora del proceso, y 
tiene un control denominado retroinhibición o inhibición feed-back. La primera enzima 
disminuye su actividad cuando la concentración del producto final ha alcanzado un nivel 
suficientemente alto. La cadena entre en reposo y se evita la acumulación inútil de 
metabolitos. Cuando la concentración de producto desciende, la enzima se vuelve a activar. 
 
Aparentemente resulta más fácil inhibir una enzima que hacerla más activa, por eso las 
activaciones consisten en suprimir una inhibición previa. Sin embargo, también se postula una 
activación por precursor, donde el primer sustrato actúa como activador, ya sea de la primera 
o la ultima enzima de la secuencia. 
 
-efectos alostéricos 
A bajas concentraciones de sustrato la velocidad es baja, cuando la concentración de sustrato 
aumenta, la velocidad aumenta en forma marcada. Esta cinética es congruente con la 
presencia de dos o más subunidades polipeptídicas, y en consecuencia dos o más sitios de 
unión del sustrato. Entre las subunidades existe una relación tal que hace que la unión de la 
molecula de sustrato en un sitio activo produzca un cambio conformacional, este se transmite 
a las otras subunidades facilitando la aptitud para recibir más sustrato. Esto se llama 
cooperatividad respecto de la concentracióndel sustrato. Esto ocurre con las llamadas 
enzimas alostéricas o reguladoras. 
 
Estas enzimas también pueden ser reguladas por otros modificadores diferentes del sustrato 
capaces de activarlas (modulador positivo) o inhibirlas (modulador negativo). Cuando el 
modulador es el sustrato, el efecto se llama homotrópico, y si es distinto del sustrato, se 
llama heterotrópico. 
 
Para estas enzimas el fenómeno de fijación de ciertas sustancias en un sitio de su superficie 
puede ocasionar cambios en la conformación y actividad de otro sitio. Las enzimas que 
presentan este comportamiento se denominan alostéricas, y las sustancias que causan el 
efecto se llaman efectores alostéricos, ya se trate de inhibidores, aceleradores o de los 
propios sustratos. 
 
Se han propuesto dos modelos para explicar el alosterismo, el concertado y el secuencial. 
Probablemente el real sea un modelo intermedio. 
 
Modelo concertado: inicialmente las moléculas diferentes de la misma proteína existen en 
dos conformaciones distintas que están en el equilibrio entre sí, antes de unirse con el 
sustrato. 
 
Modelo secuencial: la fijación inicial de una molecula de sustrato a un sitio activo de cierta 
subunidad induce cambio de conformación en esta, los cuales provocan a su vez, cambios de 
conformación en otra subunidad. 
 
-Modificación covalente 
 
Reversible: algunas enzimas son reguladas por adición o sustracción de grupos unidos 
covalentemente. La ventaja de este tipo de regulación por enzimas interconvertibles radica 
en el hecho de que se puede ejercer a corto plazo, variando la proporción de la enzima 
activa, sin necesidad de remover la estructura proteica total. 
 
Irreversible: algunas enzimas se sintetizan en formas de precursores inactivos y son activadas 
a un tiempo y en un lugar fisiológicamente apropiado. Si este tipo de enzima fuera sintetizada 
en una forma activa dentro de la celula, seria potencialmente autodestructiva, 
desencadenando su acción proteolítica contra cualquiera de las otras proteínas. Los 
precursores enzimáticamente inactivos de las enzimas proteolíticas se denominan zimógenos. 
Carecen de sitio activo, la ruptura irreversible de uno o más enlaces peptídicos se traduce en 
una nueva conformación mediante la cual los residuos del sitio activo adoptan nuevas 
posiciones óptimas para la catálisis. 
 
-compartimentalización 
La localización de los procesos metabólicos en el citosol o en organelas facilita su regulación. 
Muchas enzimas por ejemplo asociadas al núcleo, están involucradas en el mantenimiento, 
renovación y utilización del aparato genético. 
 
-isoenzimas 
En un organismo y también en una celula, pueden existir variedades de una misma enzima con 
la misma actividad catalítica. Estas diferentes formas estructurales de una enzima se 
denominan isoenzimas. 
 
Regulación de la síntesis de enzimas 
 
Este tipo de regulación implica un cambio en la cantidad de moléculas de enzima. La síntesis 
puede ser inducida por sus propios sustratos y reprimida por sus productos a nivel 
genético. El objetivo es que las enzimas se sinteticen únicamente cuando sean necesarias. 
El resultado consiste en un equilibrio entre el aumento en la síntesis del numero de moléculas 
de enzimas y la neutralización de este efecto. Este tipo de regulación es considerado 
relativamente burdo y lento frente a la regulación de la catálisis que es una forma más fina e 
instantánea para adecuar la actividad enzimática a los requerimientos celulares. 
 
Regulación de la degradación de enzimas 
 
La presencia o ausencia de sustratos y cofactores puede alterar la conformación de las 
enzimas haciéndolas más o menos susceptibles a su degradación. 
 
Multimodulación 
 
Los distintos tipos de regulación pueden coexistir, lo que ha generado el concepto de 
multimodulación los procesos de regulación catalítica y genética se pueden integrar en una 
misma via metabólica.