2020 TP4 BIOENERGÉTICA Y CINÉTICA (2)

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TRABAJO PRÁCTICO N°°°°4 
BIOENERGÉTICA Y CINÉTICA ENZIMÁTICA 
AÑO 2020 
 
OBJETIVOS 
- Comprender el alto grado de orden existente en la célula así como la necesidad de 
energía para generar y mantener el mismo. 
- Relacionar esa necesidad energética con la ingesta y oxidación de los alimentos 
por medio de reacciones catalizadas enzimáticamente. 
 
UNIDAD DE CONOCIMIENTO 
CONOCIMIENTOS PREVIOS REQUERIDOS: Nociones básicas de equilibrio 
químico. Nociones elementales de cinética química. Trabajos prácticos de pequeñas 
moléculas y macromoléculas. 
 
TEMARIO 
Bioenergética: Universo, sistema y entorno. Sistemas cerrados y abiertos. La célula 
como un sistema abierto. Distintos tipos de energía: interconversión entre ellas. El 
calor como una forma de energía degradada. Conceptos de entropía (S) y energía 
libre (G). Unidades. Reacciones endergónicas y exergónicas. Relación entre ∆G y 
∆G°, y entre ∆G° y Keq. ∆G°’ definición. Criterios de espontaneidad de las 
transformaciones. Reacciones acopladas. 
Velocidad de Reacción: Definición de velocidad de reacción. Unidades. Estado 
activado y energía de activación. Reacciones reversibles e irreversibles. Factores 
que modifican la velocidad de reacción. Catalizadores inorgánicos y biológicos. 
Diferencias entre ellos. 
Enzimas: Definición de enzimas. Centro activo y centro alostérico o regulador. 
Características de las enzimas y de la catálisis enzimática. Nociones de cinética 
enzimática. Km y Vmáx: Conceptos y unidades. Actividad enzimática: efectos del pH 
y temperatura. Regulación de la actividad: inhibidores competitivos y no 
competitivos. Cofactores enzimáticos: inorgánicos y orgánicos (coenzimas). 
 
VOCABULARIO ESPECÍFICO DEL TEMA 
Universo, sistema, energía, entorno, entropía, entalpía, calor, energía interna, 
energía libre, endotérmica, exotérmica, endergónico, exergónico, catalizador, 
velocidad de reacción, equilibrio químico, trabajo, estado activado, energía de 
activación, reversibilidad, cinética, inhibidor, alosterismo, cofactor, sitio activo, sitio 
alostérico, feedback, apoenzima, holoenzima. 
 
BIBLIOGRAFÍA 
- Karp, G. “Biología Celular y Molecular”. 6ª Edición. Ed. McGraw-Hill 
Interamericana. 2010. 
- Becker W.M y col. “El mundo de la célula” Ed. Pearson – 2007 - 
- Blanco, A. “Química Biológica”. 8
a
 Edición. Editorial El Ateneo. 2015 
- Alberts, B. et al. “Biología molecular de la célula”, Editorial Omega. 6ta Ed. 2014. 
 
 
 
CUESTIONARIO GUÍA DE ESTUDIO 
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1. a) Defina universo, sistema abierto, cerrado y entorno. Realice un esquema 
donde se puedan visualizar estos conceptos. 
b) ¿Qué tipo de sistema representa una célula? ¿Por qué? 
2. a) Defina ∆G y ∆G°. ¿Cómo se vinculan? ¿En qué unidades se expresan? 
b) Defina ∆S e indique en qué unidades se expresa. 
c) ¿Qué entiende por espontaneidad de una transformación? 
d) ¿Cómo debe ser ∆G del sistema y ∆S del universo para que una reacción sea 
espontánea? 
e) ¿Para decidir si una reacción es espontánea o no en una célula debemos tener 
en cuenta el valor de ∆G o ∆G°? 
f) Defina ∆G °’. En biología ¿qué ∆G usamos? 
3. Dada la reacción A → B donde G°A es mayor que G°B: 
a) ¿Qué puede decir respecto de la espontaneidad de la reacción A → B y B → A? 
a1- En condiciones estándar. Justifique. 
a2- En condiciones celulares. Justifique. 
b) ¿Cómo debería ser la concentración de B respecto de la de A para que la 
reacción B → A tenga lugar en condiciones celulares? 
c) Teniendo en cuenta su respuesta al item b) ¿por qué cree usted que en la célula 
sólo son reversibles aquellas reacciones con un ∆G° próximo a cero? 
4. a) Represente gráficamente los cambios de energía libre en el curso de una 
reacción. 
b) Defina estado activado y energía de activación. 
c) ¿Qué entiende por velocidad de reacción química? ¿En qué unidades se mide? 
d) ¿De qué depende y cómo puede modificarse la velocidad de una transformación? 
5. a) ¿Qué son las enzimas? ¿Todas son proteínas? Fundamente. 
b) ¿En qué se diferencian las enzimas de los catalizadores inorgánicos? 
c) ¿De qué manera las enzimas aceleran la velocidad de una reacción biológica? 
d) ¿Cómo se denomina al sitio donde se une el sustrato? 
¿Qué características estructurales posee? 
¿Sus aminoácidos deben ser contiguos en la estructura primaria de la enzima? 
e) ¿Cómo se modificaría el gráfico de los cambios de energía libre vs. coordenada 
de reacción en presencia de un catalizador? Grafíquelo. 
6- a) ¿Qué características particulares presentan las enzimas reguladoras? 
b) ¿Qué tipo de enzimas reguladoras conoce? 
7. a) Defina velocidad enzimática y mencione tres posibles unidades para 
expresarla. 
 b) Realice un gráfico en donde se observe como varía la velocidad de reacción en 
función de la concentración de reactivos para una transformación catalizada 
enzimáticamente. 
c) ¿A qué se denomina Km y Vmáx y en qué unidades se expresan ambos 
parámetros? 
d) ¿Cómo se puede modificar la actividad de una enzima en función de: 
d1) Variación de pH; 
d2) Variación de temperatura. 
d3) Presencia de un inhibidor competitivo. 
d4) Presencia de un inhibidor no competitivo. 
8. a) ¿Para qué necesita la célula energía? ¿Cómo la almacena y en qué 
moléculas? 
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b) ¿Qué es un trabajo biológico? ¿Qué necesita la célula para realizarlo? 
c) ¿La energía consumida por la célula es igual, mayor o menor a la estrictamente 
requerida para realizar los trabajos biológicos? ¿Por qué? 
 
PROBLEMAS DE APLICACIÓN 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. Es bien conocido que con el tiempo las cosas abandonadas a su suerte pasan a 
quedar desordenadas: los edificios se derrumban, los organismos muertos se 
descomponen, etc. Esta tendencia general se halla expresada en la Segunda Ley 
de la Termodinámica, que afirma que “En toda transformación espontánea la 
entropía del universo aumenta”. De acuerdo con esto responda: 
a) En un sistema aislado, ¿qué ocurrirá con el grado de desorden del mismo en una 
transformación espontánea? Justifique. 
b) En una célula la entropía disminuye con el tiempo, esta situación ¿contradice a la 
segunda ley de la termodinámica? Justifique se respuesta. 
 
2. Los siguientes datos corresponden a la reacción A B: 
• la transformación de la sustancia A en la sustancia B (y viceversa) se produce 
cuando las moléculas alcanzan una energía de 12 Kcal/mol. 
• G°°°°A es de 9 Kcal/mol y G°°°°B es de 8,8 Kcal/mol 
a) Realice el gráfico de nivel energético vs coordenada de reacción. 
b) Calcule los valores de Ea y ∆∆∆∆G°°°° de la transformación de A en B y los de B en A. 
c) ¿Cuál de las dos transformaciones es más rápida? 
d) Si le afirmásemos que en la célula ambas transformaciones (A ����B y B ���� A) 
pueden ser espontáneas ¿qué nos diría? 
e) ¿Cree usted que ésta será una reacción reversible? 
f) ¿Cuál de las dos sustancias (A ó B) predominará en el equilibrio? 
 
3. Analice la siguiente frase y responda: 
“La transformación X����Y cuyo ∆∆∆∆G = 3 Kcal/mol puede llevarse a cabo en una célula 
si se acoplase a una reacción A����B con ∆∆∆∆G < 0 o si existiese una enzima capaz de 
catalizarla" 
a) ¿La frase es completamente cierta? (SI / NO). Justifique. 
b) ¿Qué valor deberá tener el ∆∆∆∆G de la reacción acoplada para que la frase sea: 
 b1- Parcialmente cierta b2-. Completamente falsa 
 
4. Los ácidos grasos y la glucosa sufren un proceso denominado “activación” antes 
de ser degradados o almacenados: 
� R-COOH + HS-CoA ����R-CO-S-CoA + H2O ∆∆∆∆G°°°° = 7,52 Kcal/mol 
� Glucosa + Pi ���� glucosa – 6 – P + H2O ∆∆∆∆G°°°° = 3,30 Kcal/mol 
a) ¿Qué puede decir respecto a la espontaneidad de ambas reacciones? 
En esta sección, hemos incluido problemas que relacionan los temas 
estudiados en este TP con problemáticas de importancia médica, identificados 
con el símbolo: 
Al final de algunos de estos problemas encontrará un texto breve identificado 
como “Lectura complementaria” que brinda una breve explicación sobre el tema 
biomédicoque se desarrolla en el mismo. Su lectura no resulta indispensable 
para la resolución del problema pero brinda información útil para su futura 
formación como médico tanto generalista como especialista. 
 
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b) ¿Con cuál de las siguientes reacciones acoplaría a las anteriores activaciones 
para que el proceso acoplado sea espontáneo en condiciones estándar? 
ATP + H2O ���� ADP + Pi ∆∆∆∆G°°°° = -7,30 Kcal/mol 
ATP + H2O ���� AMP + PPi ∆∆∆∆G°°°° = -10,0 Kcal/mol 
 
c) ¿Cuál sería el valor del ∆∆∆∆G°°°° de los procesos acoplados? 
 
5. La glucosa es la principal fuente de energía para la mayoría de las células. Para 
liberar la energía almacenada en esta molécula, las células aeróbicas la oxidan 
completamente en presencia de oxígeno hasta CO2 y H2O (proceso denominado 
combustión en química y respiración celular en biología). 
C6(H2O)6 + 6O2 ���� 6CO2 + 6H2O 
a) ¿Cree Ud. qué el ∆∆∆∆G de esta reacción variará si el proceso se lleva a cabo en un 
sólo paso o en múltiples pasos? Justifique su respuesta. 
b) Si bien este proceso de combustión es muy exergónico, la glucosa puede 
permanecer durante años en contacto con el oxígeno de la atmósfera sin 
transformarse en CO2 y H2O. 
b1- ¿A qué se debe esto? 
b2- Si la combustión ocurre en el interior de una célula (respiración celular) ¿la 
velocidad del proceso será la misma? Justifique. ¿Y el ∆∆∆∆G? 
 
6. La lactosa es la principal fuente de energía de los lactantes. Para su absorción 
debe ser hidrolizada en el intestino delgado por la enzima lactasa, situada en células 
del borde en cepillo. En los mamíferos, esta enzima muestra su máxima actividad en 
el momento del nacimiento y durante el período de lactancia para declinar tras el 
destete a menos de una décima parte de la capacidad funcional máxima. 
a) ¿Qué representa la lactosa para la lactasa? ¿Cómo se denomina la región donde 
ocurre la reacción química que transforma la lactosa en sus productos? 
b) Para estudiar la cinética de la lactasa incubó homogenado de mucosa intestinal 
de lactante (obtenida por biopsia) con concentraciones crecientes de lactosa 
registrando la velocidad (v0) de aparición de productos. Los resultados obtenidos se 
muestran en la siguiente tabla: 
 
I. ¿Qué parámetros cinéticos puede obtener a partir 
de los datos de la tabla? 
II. Realice el gráfico de velocidad (vo) en función de 
la concentración de sustrato y ubique en el mismo 
los parámetros referidos en el ítem I. 
III. ¿Con qué características de la enzima se asocian 
dichos parámetros? Justifique su respuesta 
 
 
 
 
 
c) Si repite el experimento desarrollado en el ítem b) 
cuando el individuo ha alcanzado el estado adulto ¿Qué modificaciones espera 
encontrar en los parámetros cinéticos? Justifique su respuesta. 
 
[Lactosa] 
(mM) 
v0 
(µµµµM/min) 
0 0,0 
10 7,0 
20 10,0 
30 13,0 
50 16,0 
100 19,8 
150 20,0 
200 20,0 
 
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7. En la siguiente figura se representa la relación entre el pH y la actividad catalítica 
de tres enzimas: la pepsina (P), la tripsina (T) y la fosfatasa alcalina (F) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 3 
 
a) Explique para una enzima en particular ¿a qué se debe la variación de la 
actividad catalítica en función del pH en cada región de la curva? 
b) Si el pH sanguíneo es 7,3 ¿qué enzimas podrían presentar actividad en el 
plasma? 
c) Siendo 37°C la temperatura óptima para la tripsina, realice un gráfico de la 
variación de la actividad enzimática vs temperatura. Describa qué sucede en cada 
región de la curva. 
 
8. La glucosa llega a los tejidos periféricos transportada por la sangre e ingresa a las 
células a través de una proteína transportadora. En el citosol es fosforilada a 
glucosa-6-P evitando que pueda escapar de ella. 
En células hepáticas existen dos enzimas capaces 
de catalizar la reacción: 
 
Glucosa + ATP ���� glucosa – 6 – P + ADP 
 
- Hexoquinasa (presente en todos los tejidos) 
 
- Glucoquinasa (localizada en hepatocitos y en 
células de los islotes pancreáticos) 
 
a) En la figura de la derecha se muestra el gráfico 
de actividad enzimática vs [glucosa] para ambas 
enzimas hepáticas. También puede observarse el 
rango de concentración de glucosa en ayunas. 
a1- ¿Cuál de las enzimas tiene mayor afinidad por 
la glucosa? Justifique. 
a2- ¿Cuál es más efectiva en la catálisis en 
condiciones de ayuno? 
a3- ¿Qué sucederá en condiciones postprandiales? 
 
 
 
b) A diferencia de la glucoquinasa, la hexoquinasa 
no es específica para glucosa (también puede 
fosforilar D-Manosa y D-Fructosa). Observe los 
gráficos A y B y determine si: 
I. la glucosa es el sustrato preferencial de la enzima 
 
 
AE: actividad enzimática 
P F T 
AE 
3 5 7 9 1 pH 11 
 6 
II. la fructosa es el sustrato preferencial de la enzima 
III. ambos son igualmente preferenciales. 
Justifique su elección. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9. E es una enzima citosólica hepática que cataliza la reacción A���� B. Los 
compuestos X y Z están presentes en sustancias hepatotóxicas y ambos son 
inhibidores de esta enzima. 
Para caracterizar a la enzima E de hígado de rata y para clasificar el tipo de 
inhibición ejercida por X y Z se realizaron los siguientes experimentos: 
I- Se incubó una cantidad fija de E con concentraciones crecientes de A y se 
determinó la cantidad de B generada a los 60 segundos. 
II- Se repitió el protocolo I en presencia de una pequeña cantidad de X 
III- Se repitió el protocolo I en presencia de una pequeña cantidad de Z 
Los resultados fueron: 
 
nmoles de B / minuto [A] uM 
Experimento I Experimento II Experimento III 
2 33,33 11,11 26,67 
4 50,00 20,00 40,00 
8 66,67 33,33 53,33 
16 80,00 50,00 64,00 
512 99,22 96,97 79,38 
4096 99,90 99,61 79,92 
36000 99,99 99,96 79,99 
100000 100,00 99,98 80,00 
1000000 100,00 100,00 80,00 
a) Indique el valor de Km y Vmáx obtenido en cada uno de los experimentos. 
b) ¿Qué tipo de inhibidores son X y Z? Justifique su respuesta. 
c) ¿Espera que X y/o Z sean estructuralmente similares a A? 
d) Si repite el experimento I poniendo el doble de enzima E ¿qué valores de Km y 
Vmáx espera encontrar? 
 
 
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10. a) El colesterol celular proviene de dos fuentes (Figura): 
 
1- Incorporación de colesterol plasmático por captación 
mediada por un receptor de membrana de lipoproteínas 
que lo transportan en el plasma (LDL plasmáticas). 
2- Síntesis endógena a través de una ruta multienzimática 
conocida como vía del mevalonato. El principal punto de 
regulación de esta vía es la reacción catalizada por la 
enzima H (HMG-CoA reductasa). 
 
A nivel celular el propio colesterol regula procesos que 
garantizan el mantenimiento de su homeostasis. Un 
aumento del contenido de colesterol celular estimula la 
degradación de la enzima H y disminuye el número de 
receptores para LDL. Por el contrario, una disminución del 
contenido de colesterol celular ocasiona un incremento de 
la síntesis de la enzima H y de receptores para LDL (por 
lo tanto aumenta la captación de colesterol –LDL desde el 
plasma). 
 
 
Para obtener los parámetros cinéticos característicos de la enzima H de hepatocitos 
humanos se incubó una cantidad fija de enzima con concentraciones crecientes de 
sustrato y se cuantificó la cantidad de producto generado por minuto. Se observó 
que tiene un Km de 0,02 mM, concentración a la cual la velocidad (v0) registrada 
corresponde a 60 mmoles/min. ¿Cuál es el valor de Vmáx para esta enzima? 
 
b) Las estatinas conforman un grupo de medicamentos (naturales, semisintéticos y 
sintéticos) capaces de reducir los niveles de colesterol sérico por inhibición de la 
enzima H. En la actualidad estas son ampliamente utilizadas en el tratamiento de 
pacientes con hipercolesterolemia. 
 
 
Como puede observarse en la 
figura de la izquierda, todas las 
estatinas presentan un 
componente estructural que es 
muy similar al mevalonato. 
 
 
 
 
 
 
Marque con una (X) cuál/es de los siguientes pares de valores de Km y Vmáx 
presentados en la tabla pueden corresponder a los parámetroscinéticos de la 
enzima detectados en presencia de algunas de las estatinas. 
 
 Km (mM) Vmáx (moles/min) 
 
Acetil-CoA 
3-Hidroxi-3-metil-
glutaril-CoA 
(HMG-CoA) 
Mevalonato 
Colesterol 
(intracelular) 
Colesterol de LDL 
(extracelular) 
HMG-CoA 
reductasa 
Endocitosis 
mediada por 
receptor 
↑ ↓ 
ΧΧΧΧ
ΧΧΧΧ∆∆∆∆ 
∆∆∆∆ 
 
 8 
( ) 1- 0,02 80 
( ) 2- 0,02 120 
( ) 3- 0,01 100 
( ) 4- 0,01 120 
( ) 5- 0,04 100 
( ) 6- 0,04 120 
( ) 7- 0,05 120 
( ) 8- 0,03 120 
 Justifique su respuesta. 
c) Sabiendo que los valores seleccionados e el ítem anterior corresponden a los 
parámetros cinéticos registrados en presencia de Simvastatina, Pravastatina y 
Lovastatina, respectivamente ¿Cuál de las drogas es más efectiva como inhibidor de 
la enzima H? 
d) Teniendo en cuenta que todas las estatinas son administradas por vía oral ¿Cree 
que será necesariamente un mejor medicamento la droga que produzca la mayor 
inhibición de la enzima en su ensayo in vitro, o le parece que deberá tener en cuenta 
otros factores para su elección como fármaco hipocolesterolemiante de uso 
humano? 
LECTURA COMPLEMENTARIA: Las estatinas son los principales compuestos exógenos capaces de 
bloquear la síntesis endógena de colesterol. Estas actúan como inhibidores sobre la HMG-CoA 
reductasa al unirse a una porción del sitio de unión de la HMG-CoA, bloqueando el acceso de este 
sustrato, y reduciendo la producción de mevalonato. 
La primera estatina natural fue aislada de Pennicillium citrinum en 1971 y recibió el nombre de 
mevastatina o compactina. En la actualidad las comercialmente disponibles son lovastatina 
(Mevacor®, Merck Frosst), pravastatina (Pravachol®, Bristol-Meyers Squibb), simvastatina (Zocor®, 
Merck Frosst), fluvastatina (Lescol®, Novartis), atorvastatina (Lipitor®, Parke-Davis) y rosuvastatina 
(Crestor®, Astra-Zeneca). Para el caso específico de la cerivastatina (Baycol®/Lipobay®, Bayer), que 
se comercializó durante un buen periodo de tiempo, fue voluntariamente retirada del mercado desde 
2001 después de determinar clínicamente que su empleo produce rabdomiolisis. Dentro de las 
estatinas sintéticas de última generación se encuentra la pitavastatina, la cual está disponible para uso 
en Japón, y en Europa se encuentra en la fase III de prueba. 
 
 
 
 
 
- EN EL ENTORNO DE LA CÁTEDRA PODRÁ ENCONTRAR PROBLEMAS ADICIONALES 
QUE LE PERMITIRÁN SEGUIR UTILIZANDO LOS CONOCIMIENTO TEÓRICOS 
ADQUIRIDOS PARA LA RESOLUCIÓN DE SITUACIONES PROBLEMÁTICAS -