II) La clula

II) La clula5) Enzimas5) EL METABOLISMO CELULAR: GENERALIDADES. ENZIMASEL METABOLISMO: CONCEPTOLa nutricin de las clulas supone una serie de complejos procesos qumicos catalizados por enzimas que tienen como finalidad la obtencin de materiales y/o energ a. Este conjunto de procesos recibe el nombre de metabolismo.

ANABOLISMO Y CATABOLISMOEl metabolismo va a poder descomponerse en dos series de reacciones:

Anabolismo. Son aquellos procesos qumicos que se producen en la clula y que tienen como finalidad la obtencin de sustancias orgnicas complejas a partir de sustancias ms simples con un consumo energa. Son anablicos, por ejemplo, la fotos n tesis, la sntesis de prote nas o la replicacin del ADN.

Catabolismo.

En estos

procesoslas molculas complejasson degradadas formndosemolculasmssimples.Setratadeprocesosdestructivos generadores de energa; como por ejemplo: la glucolisis.

22Glcidos

Compuestosorgnicos

PrtidosGlucosaGluclisis

LpidosCompuestos intermediarios

aminocidosNitrgeno inorgnicoFermentacinRespiracincido LcticoEtanol

CO2H2O

anabolismo catabolismoFig. 1 Principales rutas del metabolismo.TIPOS DE METABOLISMOLos organismos no se diferencian en la manera de procurarse compuestos inorgni- cos del medio, todos los obtienen de una manera directa. En cambio, si se van a

Pgina II-5-1II) La clula5) Enzimasdiferenciar en cmo van a obtener las sustancias orgnicas. Ciertos organismos las obtienen a partir de sustancias inorgnicas, como el CO2 , H2 O, NO3-, PO4-3 , etc. A estos organismos se les llama auttrofos. Otros son incapaces de elaborar los com- puestos orgnicos a partir de compuestos inorgnicos y deben obtenerlos del medio, son los organismos hetertrofos.

Los organismos adems de materiales necesitan tambin energa. Cuando la fuente

de energ a es la luz, el organismo recibe el nombre de fotosinttico. Cuando la energ alaobtienenapartirdesustanciasqu micas,tantoorgnicascomo inorgnicas, los llamaremos quimiosintticos.

LAS ENZIMAS. CONCEPTO DE CATLISISLas enzimas son prote nas o asociaciones

de prote nas y otras molculas orgnicas o inorgnicasqueactancatalizandolos procesos qumicos que se dan en los seres vivos.

Energa total305, 14 KJ

Sin enzimacon enzima

Energa de activacin sin enzima292,6KJId. con enzima

Energa neta

12,54 KJ

Estoes,actanfacilitandolas transformaciones

qumicas;acelerando considerablemente

las reacciones

y disminuyendo la energa de activacin que muchas reacciones requieren.

As, por ejemplo:

Adesarrollo de la reaccinBFig. 2 Energa de activacin necesaria para que A se trasforme en B, con y sin enzima.I) La descomposicin del agua oxigenada (perxido de hidrgeno) en agua y oxgeno, segn la reaccin:2H2O2 ----------> 2H2O + O2es una reaccin que puede transcurrir espontneamente pero es extraordinariamente lenta. En condi-

23ciones normales se descomponen 100 000 molculas cada 300 aos por cada mol de H2O2 (6,023*10molculas). Sin embargo, en presencia de una enzima que hay en nuestras clulas, la catalasa, el proceso

se desarrolla con extraordinaria rapidez (el burbujeo que se produce al echar agua oxigenada en una herida es debido a esto).

II) La reaccin de desfosforilacin de la glucosa:

Glucosa-6-P + H2O ----------> Glucosa + Pi

es exergnica, pero se necesitan 292,6 kJ/mol para romper el enlace fosfoster. Esto significa que para poder obtener 305,14 kJ/mol de glucosa, deberemos suministrar primero 292,6 kJ/mol

(rendimiento neto 12,54 kJ/mol de glucosa). Esta energa (292,6 kJ) recibe el nombre de energa de

activacin (E ).A

Pgina II-5-2II) La clula5) EnzimasLas enzimas, como catalizadores que son, no modifican la constante de equilibrio y tampoco se transforman, recuperndose intactas al final del proceso. La rapidez de actuacin de las enzimas y el hecho de que se recuperen intactas para poder actuar

de nuevo es la razn de que se necesiten en pequesimas cantidades.

ESPECIFICIDAD DE LAS ENZIMASEsdedestacarquelasenzimasson

especficas.

Esto es,

unaenzimapuede actuar sobre un substrato o un grupo de substratos relacionados

(especificidad de substrato) perono

sobre

otros;

por ejemplo:la sacarasa, que hidroliza la sacaro- sa.Otrasenzimas,sin embargo,tienen especificidad de accin al realizar una accin determinada pero sobre mltiples substratos; por ejemplo: las lipasas que hidrolizan los enlaces ster en los l pidos. Debido a esta especificidad de las enzimas existen en la clula miles de enzimas diferentes.

La especificidad de las enzimas ha llevado

acomparar

astas conllavesy alos substratoscon

cerraduras (modelode la llave y la cerradura).

CONSTITUCIN QU MICA DE LAS ENZIMA Y MODO DE ACTUACINEn el pasado las enzimas se conocan con el nombre de fermentos, porque los primeros enzimas estudiados fueron los fermentos de laslevadurasydelasbacterias.En

la actualidadeltrmino

fermentose aplica nicamente a las enzimas que las bacterias, hongos y levaduras vierten al exterior para realizardeterminadas

trasformaciones:lasfermentaciones.

Las enzimas son, en general, prtidos. Algu- nas son prote nas en sentido estricto. Otras poseen una parte proteica (apoenzima) y una parte no proteica, ambas estn ms o menos ligadas qu mica mente.

Laconformacinespacialdelaparte proteica es la responsable de la funcin que realiza la enzima. Para ello la sustancia o

Fig. 3 Estructura de una enzima.Centro activoCentro reguladorFig. 4 Representacin esquemtica de la estructura de una enzima.sustratoproductoscoenzimaCentro activoCentro reguladorFig. 5 Trasformaciones de un sustrato por la accin de una enzima.

Pgina II-5-3II) La clula5) Enzimassustancias que van a reaccionar y transformarse se unen a la enzima en una zona que llamaremos centro activo y son las interacciones qumicas entre los restos de los aminocidos presentes en el centro activo y el substrato o los substratos las responsablesde

latransformacin;yaque

estas interaccionesproducen reordenamientosde los electronesque debilitanciertosenlaces yfavorecenla formacin de otros desencadenando la transformacin qu mica.

MECANISMO DE ACCIN ENZIMTICA

sustratocoenzimaenzimaCentro activosustratocoenzimaenzima

1) En primer lugar, se forma un complejo: enzima- substrato o substratos.2) El sustrato o los sutratos y la coenzima, si es necesaria, se unen al centro activo de la enzima.

ProductoscoenzimaenzimaProductosenzima

3) Los restos de los aminocidos que configuran elcentro activo catalizan el proceso. Para ello debilitan los enlaces necesarios para que la reaccin qumica se lleve a cabo a baja temperatura y no se necesite una elevada energa de activacin.4) Los productos de la reaccin se separan del centro activo y la enzima se recupera intacta para nuevas catlisis. Las coenzimas colaboran en el proceso; bien aportando energa (ATP), electrones (NADH/NADPH) o en otras funciones relacionadas con la catlisis enzimtica.

La parte proteica o apoenzima es tambin, y

por las mismas razones, la que determina la especificidad de la enzima. As , la sacarasa acta sobre la sacarosa por ser esta la nica molcula que se adapta al centro activo.

Muchas enzimas precisan para su actuacin la presencia deotras sustanciasno proteicas: los cofactores. Qumicamente son sustancias muy variadas. En algunos casos setratadesimplesiones,

cationesen particular, comoel Cu+ +

o el Zn+ + .En otros, son sustancias orgnicas mucho ms complejas, en cuyo caso se llaman coenzi- mas.Muchas vitaminassoncoenzimas o

Nivel de saturacin de la enzimaConcentracin de sustratoFig. 6 Grfica de Michaelis_Menten que muestra la variacin de la actividad enzimtica con la concentracin de sustrato. Esta grfica demuestra la formacin de un complejo enzima- sustrato.J. L. Snchez GuillnPgina II-5-4II) La clula5) Enzimasforman parte de coenzimas. Las coenzimas son imprescindiblespara quelaenzima acte. Suelen, adems, ser las responsables de la actividad qumica de la enzima. As , muchasreacciones de oxidacin precisan delNAD+ ,quees

elque captalos electrones y sin su presencia la enzima no puede actuar. Otro ejemplo lo tenemos en las reacciones que necesitan energa en las que acta como coenzima el ATP.

Por ltimo,indicarque lasenzimas se

nombran aadiendo la terminacin asa, bien al nombre del substrato sobre el que actan

(sacarasa), al tipo de actuacin que realizan

(hidrolasas), o ambos (ADN polimerasa).

ALGUNAS COENZIMAS IMPORTANTESi)Coenzimasqueintervienenenlas reacciones en las que hay transferencias de energa:*ATP (adenosina-5'- trifosfato): Adenina-Ribo- sa-P-P-P

*ADP (adenosina-5'- difosfato): Adenina-Ribo-

sa-P-P.

Fig. 7 Esquema del NAD+ -NADP+ . X es un hidrgeno en el NAD+ y un grupo fosfato en el NADP+ .Enlace rico en energaFig. 8 Esquema del ATP.ii) Coenzimas que intervienen en las reacciones en las que hay transferencias deelectrones:*NAD+(Nicotinam nadenndinucletido).Se tratade undinucletido formado por: Nicotinamida-Ribosa-P-P-Ribosa-Adenina.

* NADP+(Nicotinamn adenn dinucletido fosfato). Similar NAD+ pero con un grupo fosfato ms esterificando el HO- del carbono 2 de la ribosa unida a

la adenina.

*FAD(Flav nadenndinucleti do).SimilaralNADperoconteniendo riboflavina (otra de las vitaminas del complejo B2 ) en lugar de nicoti namida.iii) Coenzimas que intervienen como transportadores de grupos acilo.Coenzima A. Coenzima de estructura compleja y de la que forma parte el cido panto tnico (otra de las vitaminas del complejo B2).J. L. Snchez GuillnPgina II-5-5II) La clula5) EnzimasEL ATP Y EL TRANSPORTE DE ENERGAEn los procesos metablicos que se dan en

laclula,algunasreaccionessonEendergnicas: necesitan

energ a

para producirseyencasocontrariono

se producen. Otras son exergnicas: producen energ a y si sta no se emplea en realizar un trabajo f sico o una reaccin qumica se

perder en forma de calor.ECiertas coenzimas, como el ATP y otras,

actantransportando energ a

desdelos procesos

exergnicosalosendergnicos. Pues el ATP se puede transformar en ADP y

Fig. 9 El ATP transporta energa (E)desde los procesos exergnicos (A > B) a los endergnicos (C >D).Pi(fosfatoinorgnico)alhidrolizarseelltimodesusenlacesster-fosfato, desprendindose ms de 7 kcal por mol de ATP. Por el contrario,

en aquellas

reacciones en las que se produce energa esta es acumulada al sintetizarse ATP a partir de ADP y fosfato inorgnico (Pi).

LAS COENZIMAS TRANSPORTADORAS DEELECTRONESMuchosprocesos

qu micos

celulares de gran

importancia:fotos n tesis,

respiracin celular,etc.Son procesosde oxidacin- reduccin. As ,por ejemplo: la respiracin celular, en la que la glucosa se oxida al perder electrones, mientras que el ox ge no loscapta

reducindose.Ciertas coenzimas actan transportando estos electro nes desde las sustancias que se oxidan a las que se reducen: son los transportadores de electro- nes.

e-e-Fig. 10 Transporte de electrones (e-) por elNAD+ /NADH desde una sustancia que se oxida(O) a otra que se reduce (G).As , por ejemplo, el NAD+ es capaz de captar dos electrones, y dos protones (H+ ),

reducindose y transformndose en NADH +H + . Mientras que el NADH +H +puede ceder estos dos electro nes alldonde se necesiten para reducir a un compuesto qumico, transformndose de nuevo en NAD+ .

FACTORES QUE CONDICIONAN LA ACTIVIDAD ENZIMTICALas enzimas, como sustancias proteicas que son, van a ver condicionada su actuacin por determinados factores f sicos y qumicos. Algunos de estos factores son:

La temperatura. Como toda reaccin qu mica, las reacciones catalizadas enzimtica-

J. L. Snchez GuillnPgina II-5-6II) La clula5) Enzimasmente siguen la regla de Van t'Hoff. Segn la cual, por cada 10 C de aumento de temperatura, la velocidad de la reaccin se

duplica. No obstante, las enzimas tienen una temperatura ptima. En el hombre, y en los

animales homeotermos como el hombre, esta temperatura ptima

coincidecon

la temperaturanormaldelorganismo.Los enzimas, como prote nas que son, se desna- turalizan a elevadas temperaturas.

El pH, que al influir sobre las cargas elctri - cas, podr alterar la estructura del centro activo y por lo tanto tambin influir sobre la acti vidad enzimtica.

Los inhibidores. Determinadas sustancias van

a poderactuar

sobre las

enzimas disminuyendo

oimpidiendosu actuacin. Estas sustancias son los inhibidores. Se trata demolculasqueseunen ala

enzima impidiendo que sta acte sobre el substrato.

Temperatura ptimaFig. 11 Variacin de la actividad enzimtica en funcin de la temperatura.pH ptimoBAInhibicin competitiva:Cuandoel inhibidor seune al centro activo

delaenzimaimpidiendoqueel

sustrato se una a l. Se trata de una inhibicin que depende de la concentracindesustratoyde inhibidor.

Inhibicin no competitiva:Cuando

el inhibidor se une reversiblemente a unpunto diferentedel

centro activo pero con su actuacin lo modificalo suficiente paraque, aunque se puedan unir la enzima y elsustrato, lacatlisis

no

se produzca ola velocidadde sta disminuya. Este tipo de inhibicin no depende de la concentracin de

sustrato.

Inhibicin alostrica: El inhibidor se une tambin reversiblemente a un puntodiferentealcentro

activo, pero con su actuacin lo modifica de tal manera que impidela unin de la enzima y el substrato.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14pHFig. 12 Variacin de la actividad enzimtica en funcin del pH de dos enzimas.sustratoinhibidorEnzimaFig. 13 Inhibicin competitiva. El inhibidor se une al centro activo, reversiblemente, y con ello impide que el sustrato se una a l.Es frecuente que el inhibidor sea el propio producto de la reaccin enzimtica o el

producto final de una cadena de reacciones. Cuando se trata del producto final,

J. L. Snchez GuillnPgina II-5-7II) La clula5) Enzimasrecibe el nombre de retrorregulacin o feed- back.

Envenenadores: Son molculas que se unen irreversiblemente alcentro

activodela enzima impidiendo pernanentemente que esta acte.Muchostxicosyvenenos tienen este modo de actuacin.

Los activadores. Son sustancias que se unen

alaenzima, queseencuentrainactiva, cambiandosu estructura espacial activndola.

inhibidorFig. 14 Inhibicin no competitiva. El inhibidor se une reversiblemente a la enzima en un punto diferente del centro activo y, modifica este de tal manera, que aunque el sustrato se una no se realiza la catlisis.sustratoEnzima

inhibidorFig. 15 Inhibicin alostrica. El inhibidorse une a la enzima en un punto diferente del centro activo y modifica este de tal manera que el sustrato no se puede unir a l.sustrato

envenenadorEnzimaFig. 16 Envenenador. Los envenenadoresson sustancias que se unen al centro activo mediante enlaces fuertes en un proceso irreversible, con lo que impiden de manera definitiva la catlisis.J. L. Snchez GuillnPgina II-5-8Sales mineralesCOH O

Fotosntesis

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