metaboli smo y enzimas. - Liceo Manuel Barros Borgoño

Liceo Manuel Barros Borgoño
Dpto. de Biología
Curso: 1º medio
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METABOLISMO Y ENZIMAS.
Esta guía de estudio, se enmarca en el postulado de la teoría celular que considera a la célula como la unidad
funcional de todo ser vivo. Este postulado debe entenderse como la capacidad que tiene una célula de llevar a
cabo una serie de procesos que permiten su mantención, crecimiento y reproducción.
La serie de procesos señalados no son más que una infinidad de reacciones químicas. Coloquialmente, se puede
decir que una célula es una bolsa de reacciones químicas, las que involucran, por ejemplo, la formación de
macromoléculas a partir de monómeros, o el rompimiento de éstas en sus unidades básicas.
Al conjunto de reacciones químicas que ocurren al interior de la célula se le denomina metabolismo celular. La
ocurrencia de estas reacciones es facilitada por proteínas especiales que reciben el nombre de enzimas.
Estas reacciones ocurren en todas las estructuras de la célula, pero principalmente en el citoplasma y al interior de
los organelos.
Antes de comenzar nuestro estudio sobre el metabolismo, es necesario precisar el concepto de reacción química.
Por lo tanto, comenzaremos con esto, para luego adentrarnos en las características de los dos tipos básicos de
metabolismo: anabolismo y catabolismo. Finalmente, se analizará el papel de las enzimas en el metabolismo
celular.
Nota: los virus no son considerados como seres vivos, pues no presentan una maquinaria metabólica. Es por
ello que funcionan como parásitos celulares, invadiendo células y apropiándose de la maquinaria metabólica de
éstas para la formación de los distintos productos víricos.
1. CONCEPTO DE REACCIÓN QUÍMICA.
Una reacción química es el proceso mediante el cual una o más sustancias se transforman en otras sustancias
nuevas. Una reacción química siempre implica la ruptura de los enlaces de las sustancias iniciales y la formación
de otros enlaces nuevos durante la formación de los productos finales. Un ejemplo de reacción química es la
formación de agua a partir de moléculas de hidrógeno y oxígeno, tal como lo representa la siguiente figura:
Note que las sustancias iniciales (hidrógeno y oxígeno) se transforman en una nueva sustancia (el agua). Para ello
es necesario, en primer lugar, que se rompa el enlace que une a los átomos de hidrógeno en la molécula de
hidrógeno y también que se rompa el enlace que mantiene unidos a los átomos de oxígeno en la molécula de
oxígeno. Finalmente, deben formarse nuevos enlaces. Es así como, un átomo de oxígeno forma dos nuevos
enlaces con los cuales se une a dos átomos de hidrógeno para producir una molécula de agua.
Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas, las que utilizan símbolos químicos para
mostrar qué sucede durante una reacción química. En una ecuación química las sustancias iniciales se escriben a
la izquierda y reciben el nombre de reactantes o reactivos, mientras que las sustancias finales se escriben a la
derecha y reciben la denominación de productos. El ejemplo anterior se puede representar mediante la siguiente
ecuación química:
Esta ecuación química se lee de la siguiente manera: “2 moléculas de hidrógeno reaccionan con 1 molécula de
oxígeno para producir 2 moléculas de agua”.
Cuando se estudió la función de la mitocondria se indicó que este organelo lleva a cabo el proceso de respiración
celular, en el que a partir de glucosa y oxígeno se obtiene agua, dióxido de carbono y energía, tal como lo
representa la siguiente ecuación química:
C6H12O6 (glucosa) + 6O2 → 6H2O + 6CO2 + Energía (almacenada en forma de ATP)
El proceso de respiración celular es, por tanto, un ejemplo concreto de metabolismo celular, al igual que la
fotosíntesis.
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2. METABOLISMO CELULAR.
La expresión metabolismo celular se refiere a la totalidad de reacciones químicas que tienen lugar en el interior de
las células para su mantención, crecimiento y reproducción. La formación de proteínas y lípidos en el RE y la
ruptura de macromoléculas en el interior de los lisosomas, son algunos ejemplos de procesos metabólicos.
2.1 TIPOS DE METABOLISMO.
De un modo general, los procesos metabólicos se dividen en dos categorías: catabolismo y anabolismo.
a) El catabolismo corresponde al conjunto de reacciones químicas en las que se obtienen moléculas simples a
partir de moléculas complejas (Figura 1). Algunos ejemplos de catabolismo son la obtención de aminoácidos
(moléculas simples) a partir de la ruptura de las proteínas (molécula compleja) y la respiración celular, en la que
la glucosa (molécula compleja) da origen a agua y dióxido de carbono (moléculas más simples). En consecuencia,
estas reacciones siempre implican la ruptura de la molécula, lo que recibe el nombre de degradación o
desdoblamiento. Además, cuando ocurren estas reacciones siempre se libera energía, por lo que se dice que son
exergónicas. En términos prácticos, considere al catabolismo como un proceso destructivo (en el buen sentido de
la palabra).
b) El anabolismo corresponde al conjunto de reacciones químicas que originan moléculas complejas a partir de
moléculas simples (Figura 1), por lo que se considera un proceso opuesto al catabolismo. La formación de
proteínas (moléculas complejas) a partir de aminoácidos (moléculas simples) y la producción de glucosa
(molécula compleja) a partir agua y dióxido de carbono (moléculas simples) durante la fotosíntesis, son algunos
ejemplos de anabolismo. El anabolismo, por consiguiente, implica la formación de una molécula más grande a
partir de otras más pequeñas, recibiendo esto el nombre de síntesis. Estas reacciones requieren energía, por
tanto, se dice que son endergónicas. Considere al anabolismo como un proceso constructivo.
Figura 1. Esquema que muestra los conceptos de anabolismo y catabolismo. Note que el catabolismo implica la degradación de una molécula
compleja en otras más simples, proceso que ocurre con liberación de energía (flecha hacia la izquierda). Por el contario, en el anabolismo se
sintetiza una molécula compleja a partir de otras moléculas más sencillas, proceso que requiere energía (flecha hacia la derecha).
2.2 SÍNTESIS POR DESHIDRATACIÓN E HIDRÓLISIS.
En este punto, es necesario analizar la manera en cómo se sintetizan y degradan algunas biomoléculas estudiadas.
Comenzaremos con los carbohidratos y luego con las proteínas, ácidos nucleicos y triglicéridos (lípidos).
Cuando dos monosacáridos se unen mediante un enlace glucosídico se forma un disacárido (que no es un
polímero). Recuerden que la unión de una glucosa con una fructosa forma la sacarosa (azúcar de mesa), una
glucosa unida a una galactosa forma la lactosa (el azúcar de la leche) y una glucosa unida a otra glucosa forma la
maltosa (azúcar usada como materia prima en la producción de bebidas alcohólicas).
El enlace glucosídico se produce a través de la pérdida de una molécula de agua, recibiendo esto el nombre de
síntesis por deshidratación o condensación. Cuando se forma el enlace glucosídico, cada monómero aporta
parte de la molécula de agua que se pierde. Un monómero proporciona un grupo hidroxilo (-OH), mientras que el
otro aporta el hidrógeno (-H) (Figura 2).
Figura 2. Síntesis por deshidratación para la formación de sacarosa a partir de glucosa y fructosa. Note que la formación del enlace
glucosídico tiene como consecuencia la pérdida de una molécula de agua. Esta molécula de agua se forma a partir del grupo
hidroxilo (-OH) de la glucosa y del hidrógeno (-H) de la fructosa.
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Ahora bien, también puede darse el proceso inverso, es decir, el enlace glucosídico del disacárido puede
romperse, dando origen a los monómeros por los cuales está formado. Así por ejemplo, si la sacarosa se degrada,
producirá una molécula de glucosa y otra molécula de fructosa. Este proceso recibe el nombre de hidrólisis, el
cual es esencialmente inverso a la síntesis por deshidratación. Hidrólisis significa romper con agua, por lo tanto,
el enlace que une a estos monosacáridos se rompe mediante la adición de una molécula de agua, donde un
hidrógeno (-H) del agua se une a un monómero y el grupo hidroxilo (-OH) se une al otro monómero. La hidrólisis
de la sacarosa pude representarse de la siguiente manera (Figura 3):
Figura 3. La hidrólisis de la sacarosa genera glucosa y fructosa. Note que este proceso requiere de una enzima para producirse; esta
enzima tiene el nombre de sacarasa.
Además de disacáridos, los monosacáridos también pueden formar polisacáridos. Estos polímeros se fabrican
mediante la unión de muchos monómeros a través de enlaces glucosídicos, cuyo formación depende de la síntesis
por deshidratación. No obstante, un polisacárido puede degradarse, generando sus unidades básicas mediante la
ruptura de los enlaces glucosídicos, lo que implica la hidrólisis de dicho enlace.
Si bien, los conceptos de síntesis por
deshidratación e hidrólisis se ilustraron en el caso
particular de los carbohidratos, estos procesos
también tienen lugar en la síntesis y degradación,
respectivamente, de las proteínas y de los ácidos
nucleicos. Cuando se forma una proteína a partir
de aminoácidos, estos se unen mediante enlaces
peptídicos, los que se forman a través de la
síntesis por deshidratación (Figura 3), por el
contario, cuando se degrada una proteína, se
rompen los enlaces peptídicos por hidrólisis,
liberándose los aminoácidos que forman a dicha
proteína.
De forma similar, cuando se forma un ácido
nucleico, sus unidades básicas, los nucleótidos, se
unen mediante enlaces fosfodiéster gracias a la
síntesis por deshidratación, en tanto, estas
biomoléculas se degradan al romperse los enlaces
fosfodiéster por hidrólisis.
Los triglicéridos se sintetizan y degradan bajo los
mismos principios. Una molécula de glicerol se
une a 3 moléculas de ácidos grasos mediante la
formación de 3 enlaces éster que se originan por
el proceso de síntesis por deshidratación. Por su
parte, cuando se degrada un triglicérido se
rompen los 3 enlaces éster por hidrólisis,
liberándose 1 molécula de glicerol y 3 moléculas
de ácidos grasos (Figura 4).
Figura 3. Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos a través de
enlaces peptídicos. La formación de enlaces peptídicos de debe a la
síntesis por deshidratación. En la formación de la molécula de agua
participa el grupo hidroxilo (-OH) del aminoácido 2 y el hidrógeno (-H)
del aminoácido 3.
Figura 4. Síntesis de un triglicérido a partir de 1 molécula de glicerol y 3
moléculas de ácidos grasos. Para que se una la molécula de glicerol a un
ácido graso, debe perderse una molécula de agua, formándose el llamado
enlace éster. Un triglicérido presenta 3 enlaces éster, ya que para su
formación es necesario que 3 ácidos grasos se unan al glicerol.
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3. ENZIMAS Y ENERGÍA DE ACTIVACIÓN.
En los procesos de síntesis por deshidratación e hidrólisis participan proteínas especiales llamadas enzimas. Las
enzimas son proteínas que actúan como catalizadores biológicos, es decir, aceleran las reacciones metabólicas, sin
ser alteradas químicamente por la reacción que catalizan. Debido a esto último, las enzimas pueden actuar varias
veces y, por lo tanto, resultan efectivas aun en cantidades pequeñas.
A temperaturas moderadas, como las de la materia viviente, la mayoría de las moléculas orgánicas son
notablemente estables, vale decir, no reaccionan unas con otras, a menos que sean activadas de algún modo. La
situación es similar a la que se produce con muchos productos orgánicos en la vida cotidiana. Por ejemplo, un
trozo de papel o de madera no arde espontáneamente a la temperatura ambiente, salvo que una chispa o la
aplicación de una llama inicien su combustión. Otro ejemplo adicional ocurre cuando disolvemos sacarosa (azúcar
de mesa) en agua. La azúcar disuelta no se degrada espontáneamente a glucosa y fructosa. De hecho, podríamos
estar toda una vida esperando esta descomposición y, sin embargo, no ocurriría, salvo que calentáramos la
solución o agregáramos una sustancia que activara esta reacción.
Lo anterior es debido a que toda reacción química requiere de energía para producirse. A la energía necesaria
para iniciar una reacción química se le denomina energía de activación.
En los laboratorios químicos, es frecuente que la energía de activación sea proporcionada por el calor. Cuando se
aplica la llama de un mechero al matraz que contiene las sustancias reactantes, las moléculas de estas sustancias
aceleran sus movimientos, lo que se traduce en un aumento de choques moleculares que favorecen las reacciones
químicas. En las células vivas, un incremento del
calor aceleraría igualmente todas las reacciones
metabólicas, pero, muy pronto las proteínas se
destruirían con la consiguiente pérdida de su
actividad, lo que terminaría por matar a la célula.
Entonces, ¿de qué manera la célula consigue llevar
a cabo reacciones químicas a temperaturas
moderadas y a una velocidad considerable? La
respuesta está en el rol que cumplen las enzimas en
las reacciones metabólicas. Las enzimas
disminuyen la energía de activación de las
reacciones químicas, permitiendo que éstas se
produzcan rápidamente (Figura 5). Para que se
haga una idea del papel que cumplen las enzimas,
considere la siguiente analogía: imagine que usted
debe subir una montaña: sin la acción de una enzima
sería como subir el monte Everest (8848 metros de altura), mientras que con la acción de una enzima sería
como subir el cerro San Cristóbal (880 metros).
Figura 5. Efecto de las enzimas en la velocidad de reacción. Las
enzimas aumentan la velocidad de reacción al disminuir la energía de
activación, que corresponde a la barrera energética que debe sortear
toda reacción química. Note la diferencia entre las energías de
activación sin enzima y con enzima. Ea= energía de activación.
3.1 MECANISMO DE ACCIÓN DE LAS ENZIMAS.
En las líneas anteriores se definió el concepto de enzima y se indicó lo que hace una enzima. En esta sección se
estudiará, en términos generales, la forma en cómo actúa una enzima.
Recuerden que las sustancias iniciales en una reacción química reciben el nombre de reactivos. Ahora bien, el
reactivo sobre el cual actúa una enzima se llama sustrato. El sustrato se une en una región específica de la enzima
llamada sitio activo, que corresponde a un surco o bolsillo que se encuentra en la superficie de dicha proteína.
La reacción catalizada por una enzima es muy específica, es decir, una enzima es capaz de reconocer un sustrato
específico aún entre compuestos íntimamente relacionados. Por ejemplo la enzima sacarasa (el nombre de las
enzimas siempre termina en asa) actúa específicamente sobre el sustrato sacarosa y no se unirá a otros disacáridos
como la maltosa o galactosa. Esta especificidad se debe a la complementariedad que existe entre la forma del
sustrato y la forma del sitio activo de la enzima, tal como una llave (enzima) a una cerradura (sustrato).
Cuando una enzima (E) se une a su sustrato (S) se forma el complejo enzima-sustrato (ES). Mientras que el
sustrato y la enzima se mantienen unidos, la enzima convierte el sustrato en producto (P), generando el complejo
enzima-producto (EP), después de lo cual éste se libera del sitio activo (Figura 6). Lo anterior se puede
simbolizar de la siguiente manera.
E + S → ES → EP → E + P
Luego, la enzima queda libre para unirse a otra molécula de sustrato. El ciclo completo ocurre con tanta rapidez
que una misma enzima puede actuar sobre unas 1000 moléculas de sustrato por segundo. Esta capacidad de actuar
sobre muchas moléculas de sustrato se debe a que la enzima no se consume durante la reacción química,
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manteniendo intacta su forma. Por lo tanto, cantidades muy pequeñas de enzimas pueden tener un gran impacto
metabólico al actuar una y otra vez.
Figura 6. El sitio activo y el ciclo catalítico de una
enzima. Una enzima puede convertir una o más
moléculas de reactivo en una o más moléculas de
producto. La enzima que se muestra aquí convierte
dos moléculas de reactivos en dos moléculas de
producto.
Muchas enzimas requieren ayudantes no proteicos para su actividad catalítica, sin los cuales no son activas. Estos
auxiliares se llaman cofactores enzimáticos. EL cofactor puede ser uno o varios iones inorgánicos tales como
Fe+2, Mg+2, Mn+2 o Zn+2, o bien, una molécula orgánica, en cuyo caso recibe el nombre de coenzima. La mayor
parte de las vitaminas funcionan como coenzimas o materias primas a partir de las cuales se elaboran las
coenzimas, por lo tanto, es importante su consumo en la dieta mediante la ingesta de frutas y verduras.
Una coenzima o ión metálico unido fuertemente a una enzima se denomina grupo prostético. Una enzima unida a
su coenzima o ión metálico recibe el nombre de holoenzima (enzima + cofactor). La parte proteica de tal enzima
se llama apoproteína o apoenzima.
Nota: existen dos modelos que dan cuenta de la forma en que un sustrato se une al sitio activo de una enzima.
Estudios sobre la especificidad enzimática llevados a cabo por Emil Fischer, le condujeron a proponer, en
1884, que los sitios activos de las enzimas eran estructuralmente complementarios a sus sustratos, de forma que
se acoplaban del mismo modo que una llave a una cerradura, es por ello que recibe el nombre de modelo llavecerradura. Sin embargo, si esto fuera así, tal enzima sería muy deficiente (por motivos que no indicaremos).
Esta idea ha sido reemplazada por un mecanismo postulado por Daniel Koshland en el año 1958, el que
sostiene que cuando se fija el sustrato al sitio activo, se produce un cambio de forma de la enzima que se ajusta
a la forma del sustrato. Este modelo recibe el nombre de ajuste o encaje inducido.
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4. FACTORES QUE AFECTAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA.
Son varios los factores que afectan la actividad o eficacia de una enzima. A continuación se expondrán algunos de
ellos.
4.1 CONCENTRACIÓN DEL SUSTRATO.
La velocidad a la cual una cantidad particular de enzima convierte un sustrato en
producto depende, en parte, de la concentración inicial del sustrato: cuantas más
moléculas de sustrato haya disponibles, más a menudo accederán a los sitios
activos de las enzimas. Por lo tanto, a mayor concentración de sustrato mayor
velocidad enzimática (Figura 7). Sin embargo, a partir de cierto punto, la
concentración de sustrato será lo suficientemente alta como para que todas las
moléculas de enzimas tengan sus sitios activos ocupados (tan pronto como el
producto sale de un sitio activo, entra otra molécula de sustrato). A esta
concentración de sustrato se dice que la enzima está saturada. Cuando una
población enzimática se satura, la única manera de incrementar la velocidad de
formación del producto consiste en añadir más enzima. Las células, en ocasiones,
realizan esto, sintetizando más moléculas de enzimas.
Figura 7. Velocidad enzimática en
función de la concentración de sustrato
4.2 TEMPERATURA.
En general, las reacciones enzimáticas ocurren lentamente o no se efectúan a
temperaturas relativamente inferiores a la de las células, pero la actividad
catalítica reaparece cuando la temperatura celular se aproxima a la normal.
Temperaturas superiores a los 50-60ºC inactivan rápidamente a la mayoría de las
enzimas (Figura 8), porque el calor excesivo afecta los enlaces que mantiene la
forma de la enzima. Este fenómeno recibe el nombre de desnaturalización, en
cuyo caso la enzima pierde su forma tridimensional y, por lo tanto, su función
(Figura 9). Es por ello que la gran mayoría de los organismos biológicos no
pueden vivir a temperaturas demasiado altas: sus enzimas son inactivadas-y,-porFigura 8. Actividad enzimática en
lo-tanto,-cesa-el-metabolismo-celular.
función de la temperatura.
Figura 9. Al igual que otras proteínas, casi todas las enzimas son inactivadas
por temperaturas relativamente altas. Esta inactivación es el resultado de la
pérdida de la forma tridimensional de la enzima y, por lo tanto, de su función
Este fenómeno recibe el nombre de desnaturalización.
4.3 pH.
El pH es una medida de la concentración de iones hidrógenos (H+). El pH
puede ser ácido o básico. Un pH ácido significa que un medio tiene una gran
concentración de iones de hidrógenos (H+), mientras que un pH básico implica
una baja concentración de iones hidrógenos (H+) en el medio.
Las enzimas son muy sensibles a los cambios en la acidez o basicidad del
medio en donde actúan. De hecho, cada enzima exhibe un pH óptimo bien
definido, que la capacita para desarrollar su función catalizadora. Se supone
que tal pH óptimo mantiene la estructura tridimensional de la enzima,
permitiéndole cumplir su actividad específica. Cuando el pH cambia más allá
de ciertos límites estrechos, la enzima pierde su forma normal y se
desnaturaliza.
Figura 9. Actividad enzimática en
función del pH para la tripsina, una
enzima que degrada proteínas en el
intestino delgado
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