Biología, la vida en la tierra con fisiología Tomo 01-páginas-29

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Flujo d e energía en la wda d e la cékjla
6 .4 ¿C Ó M O FA V O R E C E N LA S EN Z IM A S 
LA S R E A C C IO N E S B IO Q U ÍM IC A S ?
S e sabe q ue las células acop lan reacciones, de m o d o q ue im p u l­
san las reacciones endergón icas q ue requ ieren energ ía co n las 
reacciones exergóniras que la liberan. T am b ién ap rend im os q ue 
las célu las s in te tizan m oléculas portadoras de energía q u e captan 
energía d e las reacciones exergónicas y la transportan a las end e r­
gónicas. Pero, ¿có m o fom entan y co n tro lan las células todas las 
reacciones b io qu ím icas que se necesitan para m an tener el eq u ili­
b r io q u ím ico q ue es necesario para la v ida?
A tem peratura corpora l, las reacciones 
espontáneas ocurren con dem asiada 
lentitud para sostener la vida
En general, la ve loc idad de un a reacción está dete rm inada por 
s u energ ía d e activac ión , e s decir, p o r la can tid ad d e energ ía que 
se necesita para in ic ia r la reacción (ufase la figura 6-6). A lgunas 
reacciones, co m o la sa l de m esa q ue se d isue lve e n agua (ufase 
la figura 2-9), tienen poca energ ía d e ac tiva c ió n y ocurren fá c il­
m ente a la tem peratura d e l cuerpo h u m an o (a lre d e d o r d e 3 7 *C ). 
En cam b io , se puede m an tener azúcar a la tem pera tu ra corporal 
duran te décadas s in q ue m uestre cam bios.
la reacción de la g lucosa con el oxígeno para p roducir 
d ió x id o d e ca rb o n o y agua es exergónica, pero t ie n e un a gran 
energía d e activac ión . El ca lo r de un ce rillo increm enta e l m o ­
v im ien to d e las m oléculas cercanas d e ox ígeno y azúcar y hace 
q u e ch o qu en con la fuerza su fic ien te para superar su energ ía de 
activac ión y reaccionar; e l azúcar se quem a. Ia ene rg ía q ue se l i ­
bera d e esta reacción exergónica ag iliza e l m o v im ie n to d e más 
m oléculas cercanas de azúcar y oxígeno, así que el azúcar arde 
p o r sus p rop ios m edios. P e ro a la tem peratura de los organism os 
vivos, la glucosa y m uchas o tras m oléculas energéticas casi nunca 
se degradan n i lib eran su energía. Los catalizadores s irven para 
favorecer las reacciones que tienen energ ía de activac ión elevada.
Los catalizadores reducen la energía 
de activación
Los c a ta liz a d o re s son m o lécu las q ue ace le ran la ve lo c id ad de 
reacción s in consum irse n i queda r alteradas d e m anera perm a­
nen te . U n ca ta lizado r ace le ra u n a reacción reduciendo la energía 
d e activación de la reacción (F IG U R A 6-10). P o r e je m p lo , p iensa 
en los convertido res catalíticos del escape de los coches. Las in ­
su fic iencias e n la co m b u stió n d e la gasolina generan m onóx ido 
d e ca rb o n o (C O ) tóxico. E l m o n ó x id o de ca rbono reacciona de 
m anera espontánea p ero lenta co n e l ox ígeno del a ire para form ar 
d ió x id o de carbono:
2 C O ♦ O , - * 2 C O , ♦ energía térm ica
E n el tráfico pesado, la reacción espontánea d e l C O co n e l O , 
n o es ta n ráp ida para usar to d o el C O em itid o , d e m o d o que 
se a cu m u la n concentraciones insa lubres d e éste. L lega e l conver­
tido r cata lítico . D entro , hay catalizadores co m o el p latino, q ue 
p rop o rc io na u n a superficie especia lizada e n la q u e e l O , y e l C O 
se co m b in an m ás fác ilm en te y apresuran la conversión d e C O en 
C O , , lo q u e reduce la con tam inación atm osférica .
To do s los catalizadores com parten tres im portantes pro­
piedades:
progreso cío la reacción
A F IG U R A 6-10 L o s c a ta liz a d o re s (c o m o la s e n z im a s ) 
d ism in u y e n la e n e rg ía d e a c t iv a c ió n 9 se requiere mucha 
energía de activación «curva roja), las moléculas reactantes deben 
chocar con mucha fuerza para que reaccionen. Los catalizadores 
dism inuyen la energía de activación d e una reacción (curva azul); 
asi. una proporción mucho m ayor d e moléculas se m ueve con 
suficiente rapidez para reaccionar cuando las moléculas chocan, 
risr tanto, la reacción e s mucho más rápida.
P R E G U N T A ¿Puede un catalizador hacer que ocurra una reacción 
endergónlca espontánea?
• Los catalizadores aceleran las reacciones porque d ism in uyen 
la energ ía de activac ión que se requ iere para q ue com ience la 
reacción.
• Los catalizadores pueden acelerar reacciones exergónicas y 
endergón icas, p ero n o pueden hacer q ue ocu rra d e m anera 
espontánea un a reacción endergón ica. la s reacciones ender­
gónicas necesitan u n ap o ne de energía, co n o s in catalizador.
• l.os catalizadores n o se consum en n i cam b ian d e fo rm a per­
m anente e n las reacciones q ue p rom ueven.
Las enzim as son catalizadores biológicos
Iz » catalizadores inorgánicos, co m o el p latino d e l convertido r ca­
talítico, aceleran un gran nú m ero d e reacciones quím icas. Acelerar 
ind iscrim inadam ente docenas de reacciones n o sería útil; de he­
cho , seguramente sería casi m ortal. E n cam b io , las células em p lean 
catalizadores b io lógicos m u y especializados llam ados en z im a* , 
proteínas q ue están com puestas d e am inoácidos. U n a enz im a ca­
taliza pocas reacciones quím icas. Casi todas las enz im as catalizan 
un a reacción ún ica que abarca m oléculas específicas, inc luso dejan 
intactas las m oléculas m u y parecidas.
Las reacciones exergónicas y endergón icas están ca ta liza ­
das p o r enzim as. Po r e je m p lo , la síntesis d e A T P a p a rtir d e A D P 
y P es tá catalizada p o r la enz im a A T P sintasa. Es ta enz im a capta 
parte d e la energ ía liberada e n la serie d e reacciones q ue degra­
dan la g lucosa y luego la gua rdan e n el A T P . C u a n d o se requ iere 
energ ía para im p u ls a r reacciones endergón icas, la A T Pasa degra­
d a e l A T P (o b se rva q u e a lgunas enz im as se n o m b ra n agregando 
d su fijo 'a s a ' a la descripc ión d e lo q ue hace la enz im a |A TP
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1 0 4 | l i : I I U v r f a d e la c é lu U
sintasa) y o lía s , agregando 'a s a ' a la m o lé cu la e n la q u e actúan 
|AH>asa|).
Algunas enzim as necesitan para fu nc iona r ciertas m o lécu ­
las orgánicas auxiliares pequeñas q ue n o so n proteínas, las cocn- 
z im a s . M uchas v itam inas so lub les e n agua (co m o las v itam in as 
B ) so n esenciales para los seres h u m an os porque e l o rg an ism o las 
usa para s in te tiza r coenzim as. I>as enzim as, q u e pueden catalizar 
va rio s m illo n e s d e reacciones p o r segundo, usan sus estm eturas 
trid im ensiona les para o rien tar, d isto rs ionar y reconfigurar otras 
m o lécu las y sa lir s in su frir n in gú n cam b io .
im as le s perm iten cata lizarL a s es tru c tu ra s d e las 
c ie rtas reacciones 
La fu n d ó n d e un a e n z im a está dete rm inada por su estructura. 
Cada e n z im a tien e u n lugar e n fo rm a d e 'b o ls a ' lla m ad a s it io 
a c t ivo , en e l q ue pueden entrar un a o m ás m oléculas reactantes 
llam adas s u s tra to s . Recordarás d e l cap itu lo 3 q ue las proteínas 
tienen form as trid im ensiona les com p le jas (léase la figura 3-20). 
Su estructura p r in a p a l está determ inada p o r e l o rd e n preciso en 
que se en lazan los am in o ád d o s . A ro n t in u a d ó n , la cadena de 
am in o ád d o s se d ob L i sobre s i m ism a e n un a con figu rac ión l la ­
m ad a estructura secundaria (p o r lo regular, co m o un a a lfa hélice 
o un a lám in a beta p legada). La p rote ína adqu iere ensegu ida los 
giros y d ob lam ien tos de la estructura terciaria. A lgunas enz im as 
con tienen tam b ién un idades p ep tid icas un idas e n un a estructura 
cuaternaria. E l o rd e n d e los am ino ád d o s y la m anera e n q u e las 
cadenas d e am in o á d d o s d e u n a p rote ina g iran y se d o b la n crea la 
fo rm a d is tin tiva d e l s it io activo y un a d is tr ib u d ó n específica de 
cargas eléctricas d en tro d e l m ism o.
C o m o una e n z im a y su sustrato e m b o n an exactam ente, 
s ó lo d e rla s m o lécu las pueden en tra r e n e l s it io activo . T o m em os 
p o r e jem p lo la e n z im a am ilasa. Ésta degrada p o r h id ró lis is las 
m o lécu las d e a lm id ó n , pero deja intactas las m o lécu las d e ce lu ­
losa, aunq ue las dos constan d e cadenas de m o lécu las d e glucosa. 
U n a fo rm a diferente d e l en lace en tre las m oléculas d e g luco ­
sa d e la celu losa ev ita q ue entren e n el s it io activo d e la enz im a 
(s i m asticas un a galleta salada m u ch o rato , p erd b irás e l sabor 
d u lce de la s m o lécu las de glucosa d e l a lm id ó n d e la galleta, que 
rom pe la am ilasa d e la sa liva ). 1 .a enz im a estom aca l pepsina es 
se lectiva para las p rote ínas y las ataca e n m u chos sitios de las ca­
denas d e am inoác idos. O tras enz im as que d ig ieren proteínas 
(c o m o la trip s in a ) ro m p en só lo los enlaces en tre am inoác idos 
específicos. E l sistem a d igestivo e labo ra diferentes enz im as que 
co laboran para degradar p o r co m p le to las proteínas d e la d ie ta en 
sus am in o ád d o s com ponentes.
¿C ó m o ca ta lizan un a reaedón las e nz im as? Prim ero, tan to 
por la fo rm a co m o por la carga d e l s it io activo, los sustratos e n ­
tran e n la e n z im a só lo e n determ inadas o rien tad on es (F IG U R A
6-11 O )- Segundo, cuando un sustrato en tra en e l s it io activo , 
el sustrato y el s it io cam b ian d e fo rm a (F IG U R A 6-11 © ) . C ie r ­
tos am ino ád d o s e n e l s it io activo d e la enz im a pueden enlazarse 
tem poralm ente con áto m o s de los sustratos, o b ien , interacrio- 
nes eléctricas e n tre los am in o ád d o s del s it io ac tivo y los sustra­
tos a lte ran los en laces qu im ico s d e los sustratos. La co m b in ac ió n 
de se lectiv idad y o rien tac ión de los sustratos, en laces qu im ico s 
tem porales y la d isto rsión d e los enlaces anterio res, favorece un a 
reacción q u ím ica cata lizada p o r un a enz im a particular. C u an d o 
te rm ina la reaedón en tre los sustratos, e l p roducto o los produc­
tos y a n o e m b o n a n e n e l s it io ac tivo y sa len (F IG U R A 6-11 © ) . La
sitio ac tivo 
d e la enzima
O Lo s sustra to s 
entran e n e l sitio a c t ivo 
en determ inada
\ orientación - .
0 Lo s su stra to s, unidos, 
aban do nan la onzkna, q ue 
q u e d a Usía p a ra un n u e vo p ar 
d e sustra to s
0 Lo s sustra to s y el 
sitio a c t ivo ca m b ian do 
form a, lo q ue favo rece una 
« a c c ió n en tre los sustra to s
* F IG U R A 6-11 G c lo d e in te ra c c io n e s d e e n z im a s y 
s u s tra to s
enzim a vuelve a su con figu rac ión orig ina l y está lis ta para aceptar 
otras m o lécu las d e sustrato.
L a s enzim as, com o to d o s los cata lizadores, 
d ism inuyen la energ ía de activac ión
¿C ó m o increm en tan las enz im as la v e lo d d a d d e las reacciones 
q u ím icas? En un a cé lu la , la degradación o sintesis d e u n a m o lécu ­
la ocurre e n breves etapas defin idas, cada un a catalizada p o r una 
enz im a d iferen te (véase la figura 6-12). Todas estas enz im as d is­
m inu yen la energ ía d e ac tiva c ió n d e la reacción particu lar d e cada 
una, para q ue se produzca con fac ilidad a tem peratura am biente. 
P iensa e n un a esca ladora q ue trepa u n acan tilad o u b ican d o una 
suces ión d e asideros para m an o s y pies, d e m o d o que asciende 
gradualm ente. D e m anera parecida, un a serie de etapas d e una 
reacción, cada un a co n un a can tid ad pequeña d e energ ía d e ac­
tivac ió n y catalizada p o r un a enz im a q ue reduce esta energ ía, da 
p o r resu ltado un a reacción general (e n e l e jem p lo , la ox idación 
de la g lu co sa ) q u e rem onta su energ ía general d e activación (el 
'a c a n t i la d o ') y se produce a la tem peratura d e l cuerpo.
La s enz im as co n tro lan la v e lo d d a d d e lib erad ó n 
d e la energ ía y c a p a n energ ía de l A T P
Si se e n r ie n d e azúcar, se p ren de e n llam as al com b inarse ráp ida­
m ente c o n e l oxígeno y se desprende d ió x id o d e ca rb o n o y agua. 
La m ism a reacción general ocu rre e n nuestras céluLts, pero no 
corren e l riesgo d e incendiarse. Gracias a u n a serie d e transfo rm a­
cio nes qu ím icas — cada un a cata lizada p o r un a e n z im a d ife ren ­
te— , la energ ía a lm acenada e n e l azúcar se libera pau latinam ente. 
Parte se p ie rd e co m o ca lor, q ue nos m an tien e tib ios, m ientras 
que parte se ap ro vech a para im p u lsa r las reacciones endergóni- 
cas que lle va n a la s ín tesis del ATP.
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