Las Enzimas

Las enzimas son biocatalizadores. Al rebajar la energía de activación, aumentan la velocidad de la reacción y la aceleran.

Todas las enzimas, excepto las ribozimas, son proteínas globulares.

Las enzimas cumplen las dos características propias de los catalizadores:

• Aceleran la reacción.
• No se consumen durante la reacción. Al finalizar la reacción la cantidad de enzimas es la misma que al principio.

Las enzimas se diferencian de los catalizadores no biológicos en:

• Alta especificidad.
• Actúan siempre a la temperatura del ser vivo.
• Alta actividad. Algunas consiguen aumentar la velocidad de reacción en más de un millón de veces.

Presentan una masa molecular muy elevada.

Las enzimas, según su estructura, se pueden clasificar en dos tipos:

• Enzimas estrictamente proteicas. Solo contienen cadenas polipeptídicas.
• Holoenzimas. Constituidas por una fracción polipeptídica denominada apoenzima y por una fracción no polipeptídica, denominada cofactor. A su vez, según el origen de su composición, pueden dividirse en:
  • Cofactores inorgánicos (Son iones metálicos)
  • Cofactores orgánicos o coenzimas (Las coenzimas más importantes son el ATP, el NAD⁺, el NADP⁺, el FAD y la coenzima A (Co-A).)

Coenzimas

Actúan como transportadores de grupos químicos. Por ello, se modifican en la reacción al aceptar o perder átomos. Las coenzimas no suelen ser específicas de un solo tipo de apoenzima y se pueden unir a muchos tipos distintos, con funciones diferentes.

Hay dos tipos:

• Coenzimas de oxidación y reducción (Son las que transportan protones (H⁺) u electrones. Destacan NAD⁺, el NADP⁺, el FAD).
• Coenzimas de transferencia (Son las que transportan radicales. Las más importantes son el nucleótido nucleico ATP y un derivado de nucleótido no nucleico, el acetil-CoA).

Centro Activo de las Enzimas

La región de la enzima que se une al sustrato recibe el nombre de centro activo.

Presentan las siguientes características:

• Constituyen una parte muy pequeña del volumen total de la enzima.
• Tienen una estructura tridimensional en forma de cavidad que facilita que el sustrato encaje.
• Están formados por aminoácidos que, aunque distantes en la secuencia polipeptídica, quedan próximos.
• Los radicales de algunos de estos aminoácidos presentan afinidad química por el sustrato, por lo que lo atraen y se establecen enlaces débiles entre ellos.

Especificidad de las Enzimas

Entre la enzima y el sustrato existe una alta especificidad. Solo se fijan a las enzimas, los sustratos que pueden establecer algún enlace con los radicales de los aminoácidos fijadores. La especificidad entre la enzima y el sustrato puede ocurrir en varios grados:

• Especificidad absoluta. La enzima tan solo actúa sobre un sustrato.
• Especificidad de grupo. La enzima reconoce un determinado grupo de moléculas.
• Especificidad de clase. La actuación de la enzima depende del tipo de enlace y no del tipo de molécula.

Cinética de la Actividad Enzimática

Si se incrementa la concentración del sustrato se produce un aumento de la velocidad de reacción. Si se sigue aumentando la concentración del sustrato, se llega a un punto en que la velocidad de reacción deja de incrementarse. Esta velocidad se denomina velocidad máxima (V_max). Esta situación se debe a que todas las moléculas de la enzima ya están ocupadas por moléculas de sustrato. Este proceso se denomina saturación de la enzima.

A partir de este comportamiento enzimático, la constante de Michaelis-Menten (K_M), es la concentración del sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima. La constante K_M depende del grado de afinidad que hay entre la enzima y su sustrato.

La siguiente ecuación permite calcular, a partir de la V_máx y la K_M, la velocidad de la reacción a las diferentes concentraciones de sustrato.

Factores que Afectan a la Actividad Enzimática

La velocidad de reacción conseguida por una enzima depende de la concentración del sustrato y de otros factores, como:

• La temperatura. Si a una reacción enzimática se le suministra energía calorífica aumenta la velocidad de reacción. Hay una temperatura óptima para cada enzima, para la cual la actividad enzimática es la máxima. Si se sigue calentando se produce una desnaturalización de la enzima.
• El pH. Las enzimas presentan dos valores límite de pH entre los cuales son eficaces. Sobrepasados estos valores, se desnaturalizan y dejan de actuar.
• Los inhibidores. Son sustancias que disminuyen la actividad de una enzima o bien impiden completamente su actuación.

Características del Metabolismo Celular

El metabolismo celular es el conjunto de reacciones químicas que se producen en el interior de las células y que conducen a la transformación de unas biomoléculas en otras con el fin de obtener materia y energía para llevar a cabo las tres funciones vitales (nutrición, reproducción y relación).

Catabolismo y Anabolismo

Según el tipo de reacciones que se llevan a cabo, se pueden distinguir dos tipos de vías metabólicas:

• Catabolismo. Es la transformación de moléculas orgánicas complejas en otras más sencillas. En el proceso se libera energía que se almacena en los enlaces fosfato del ATP.
• Anabolismo. Es la síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras biomoléculas más sencillas, para lo cual se necesita energía, proporcionada por los enlaces fosfato del ATP.

Catabolismo

• Son reacciones de degradación.
• Son reacciones de oxidación.
• Desprenden energía.
• A partir de muchos sustratos diferentes se forman casi siempre los mismos productos, principalmente CO₂, ácido pirúvico y etanol.
• Es un conjunto de vías metabólicas convergentes.

Anabolismo

• Son reacciones de síntesis.
• Son reacciones de reducción.
• Precisan energía.
• A partir de unos pocos sustratos se pueden formar muchos productos diferentes.
• Es un conjunto de vías metabólicas divergentes.

Vitaminas con Función de Coenzima

Las vitaminas son precursores de coenzimas y de moléculas activas en el metabolismo o son imprescindibles para su síntesis.

Las vitaminas, según su solubilidad en agua, se clasifican en dos grupos:

• Vitaminas liposolubles. Generalmente no son cofactores o precursores.
• Vitaminas hidrosolubles. Son solubles en agua y, por tanto, se difunden muy bien por la sangre. Generalmente actúan como coenzimas o precursores de coenzimas. Por ejemplo:
  • Vitaminas del complejo B. Actúan en muchas vías metabólicas y en la formación de glóbulos rojos.

Entre otras destacan:

• La forma activa de la vitamina B₁ que es la coenzima pirofosfato de tiamina (TPP) que interviene en el metabolismo de glúcidos y lípidos.
• La B₂ forma parte de las coenzimas FAD y FMN, que actúan en el ciclo de Krebs y en la cadena celular respiratoria.
• La vitamina B₃ forma parte de la coenzima NAD que actúa en la oxidación de glúcidos y proteínas, y en la coenzima NADP, que actúa en la fotosíntesis.
• La B₅ forma parte de la coenzima A que cataliza el metabolismo de ácidos grasos y el ácido pirúvico.
• Vitamina C.

Adenosín-Trifosfato (ATP)

El adenosín-trifosfato o ATP es un nucleótido que actúa en el metabolismo como molécula energética. Almacena y cede energía, gracias a sus dos enlaces éster-fosfóricos. Cada uno de ellos es capaz de almacenar 7,3 kcal/mol.

Cuando se hidroliza, se rompe el último enlace éster-fosfórico por un proceso de desfosforilación y se produce adenosín-difosfato o ADP y una molécula de ácido fosfórico (H₃PO₄), o P_i y energía.

El ADP también es susceptible de ser hidrolizado. Al romperse el otro enlace éster-fosfórico, se liberan otras 7,3 kcal/mol, se produce adenosín-monofosfato o AMP y una molécula de ácido fosfórico:

La síntesis de ATP se puede realizar de dos formas distintas:

• Fosforilación a nivel de sustrato. Gracias a la energía liberada de una biomolécula, al romperse alguno de sus enlaces ricos en energía. La fosforilación ocurre, por ejemplo, en la glucólisis y en el ciclo de Krebs.
• Reacción enzimática con ATP-sintetasas. En las crestas de las mitocondrias y en los tilacoides de los cloroplastos, estas enzimas sintetizan ATP cuando su interior es atravesado por un flujo de protones (H⁺).

El ATP se considera como la «moneda energética» de la célula, pues almacena energía de uso inmediato.

Tipos de Catabolismo

Se pueden distinguir dos tipos de catabolismo:

• Respiración. Interviene la cadena transportadora de electrones.
  • Respiración aeróbica. El agente oxidante es el oxígeno molecular (O₂). Al reducirse el O₂ y aceptar electrones y protones forma agua (H₂O).
  • Respiración anaeróbica. El agente oxidante no es el oxígeno molecular, sino iones como el ion nitrato (NO₃^–) que al reducirse forma el ion nitrito (NO₂^–).
• Fermentación. No interviene la cadena transportadora de electrones.

El Catabolismo por Respiración

La glucosa es el monosacárido más abundante, por lo que su proceso degradativo puede servir de ejemplo del catabolismo respiratorio de los glúcidos.

En la célula procariota tanto la glucólisis como el ciclo de Krebs se realizan en el citosol y la cadena transportadora de electrones en su membrana plasmática.

En la célula eucariota la glucólisis se realiza en el citosol y la respiración en las mitocondrias. Su primera etapa, el ciclo de Krebs, se realiza en la matriz mitocondrial, y la segunda, la cadena transportadora de electrones, en la membrana de las crestas mitocondriales.

Glucólisis

En la glucólisis la glucosa se escinde en dos moléculas de ácido pirúvico y la energía liberada se utiliza para sintetizar dos moléculas de ATP.

Respiración de Glúcidos

Dos procesos:

Ciclo de Krebs

En cada vuelta del ciclo se genera una molécula de GTP, tres de NADH y una molécula de FADH₂. El balance energético del ciclo de Krebs aparentemente es muy bajo ya que en una vuelta completa solo se genera un ATP. Sin embargo, el resto de la energía se invierte en producir tres NADH y un FADH₂ que en la cadena respiratoria liberarán mucha energía (ATP).

Transporte de Electrones en la Cadena Respiratoria

En ella se oxidan las coenzimas reducidas (NADH y FADH₂) producidas en las etapas anteriores; y de esta forma son utilizadas para sintetizar ATP a partir de la energía que contienen. En esta etapa se pueden distinguir tres procesos:

• Transporte de electrones. Está constituida por una serie de proteínas, englobadas de forma ordenada en la membrana interna de las mitocondrias de las células eucariotas.
• Quimiósmosis. La energía perdida por los electrones se utiliza, en tres puntos concretos de la cadena, para bombear protones (H⁺) al exterior, que en el caso de las mitocondrias pasan de la matriz mitocondrial al espacio intermembranoso.
• Fosforilación oxidativa. Esto provoca cambios en tres lugares: producen la unión de un ADP y un grupo fosfato generando así un ATP.

El Catabolismo por Fermentación

La fermentación es un proceso catabólico en el que no interviene la cadena respiratoria. Este proceso presenta las siguientes características:

• Es un proceso anaeróbico.
• El aceptor final es un compuesto orgánico.
• La síntesis de ATP ocurre a nivel de sustrato. No intervienen las ATP-sintetasas. Una glucosa al degradarse mediante respiración produce 38 ATP, mientras que por fermentación solo produce dos ATP.

La fermentación ocurre generalmente en los microorganismos, como ciertas levaduras y bacterias, aunque puede realizarse en el tejido muscular de los animales si no llega suficiente oxígeno a las células.

Según sea la naturaleza del producto final, se distinguen varios tipos de fermentaciones: la alcohólica, si el producto final es alcohol etílico; la láctica, si es ácido láctico; la butírica, si es ácido butírico, y la putrefacción, si son productos orgánicos y malolientes.

Se pueden distinguir dos tipos de organismos según el proceso catabólico que realicen:

• Anaerobio facultativo (Son organismos que realizan fermentación si no hay oxígeno disponible, pero pueden realizar la respiración aeróbica si hay oxígeno).
• Anaerobio estricto (Son organismos que siempre realizan la fermentación, incluso en presencia de oxígeno).

Formas de Nutrición de los Organismos

El anabolismo es la vía constructiva del metabolismo, es decir, la ruta de síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas sencillas.

En el anabolismo se distinguen dos etapas, que son:

• Anabolismo autótrofo. Es el paso de moléculas inorgánicas a moléculas orgánicas sencillas, como glucosa, glicerina o aminoácidos.
• Anabolismo heterótrofo. Es la transformación de moléculas orgánicas sencillas en otras de mayor complejidad como almidón, grasas o proteínas.

Se pueden diferenciar dos tipos de anabolismo autótrofo en función de la fuente de energía utilizada:

• Anabolismo fotosintético o fotosíntesis. Si utiliza la energía luminosa.
• Anabolismo quimiosintético o quimiosíntesis. Si utiliza la energía procedente de reacciones de oxidación de compuestos inorgánicos.

Los seres autótrofos son aquellos que fabrican su materia orgánica a partir de materia inorgánica.

El anabolismo heterótrofo es común, sin embargo, a los organismos autótrofos y a los heterótrofos, y se realiza de forma muy similar en todos ellos.

La Fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso de conversión de la energía luminosa procedente del sol en energía química, que queda almacenada en moléculas orgánicas. Este proceso es posible gracias a unas moléculas especiales, los pigmentos fotosintéticos, que son capaces de captar la energía luminosa y utilizarla para activar alguno de sus electrones y transferirlos a otros átomos. De este modo, dan inicio a una serie de reacciones químicas que constituyen la fotosíntesis.

Los electrones que pierden los pigmentos se recuperan por la descomposición de moléculas de agua o de ácido sulfhídrico. En función del tipo de molécula que se disocia, se distinguen dos modalidades de fotosíntesis:

• Fotosíntesis oxigénica. En ella, los electrones se obtienen de una molécula de agua. Se produce oxígeno y esta modalidad es propia de las plantas, algas y de las cianobacterias.
• Fotosíntesis anoxigénica o bacteriana. Se descomponen moléculas de ácido sulfhídrico. No se libera oxígeno, sino que se forman precipitados de azufre y es propio de las bacterias purpúreas y verdes del azufre.

Estructuras Fotosintéticas

En las células de las plantas y las algas, la fotosíntesis se realiza en unos orgánulos membranosos, los cloroplastos. En su estroma están los tilacoides, unos sáculos en los que se encuentran los pigmentos fotosintéticos.

Pigmentos Fotosintéticos

Los pigmentos fotosintéticos son moléculas lipídicas que están unidas a proteínas presentes en las membranas de los tilacoides. En las plantas hay clorofilas y carotenoides; en las cianobacterias y en las algas rojas además hay ficocianina y ficoeritrina; y las bacterias fotosintéticas tienen bacterioclorofila.

• La clorofila está constituida por un anillo porfirínico con un átomo de magnesio en el centro, asociado a un metanol y a un alcohol de cadena larga llamado fitol. Hay dos tipos de clorofila: la clorofila a, que absorbe luz de longitud de onda próxima a 683 nm, y la clorofila b, que la absorbe de 660 nm.
• Los carotenoides son isoprenoides y absorben luz de 440 nm. Pueden ser de dos tipos: los carotenos, que son rojos, y las xantofilas, que son amarillentas.

Fotosistemas

Un fotosistema es un complejo formado por proteínas transmembranosas que contienen pigmentos fotosintéticos y forman dos subunidades funcionales: el complejo captador de luz o antena y el centro de reacción.

Fotosistema I

Clorofila P700. Este fotosistema es abundante en los tilacoides del estroma y no puede romper la molécula de agua para liberar electrones al medio.

Fotosistema II

Clorofila P680. Este fotosistema abunda más en los tilacoides apilados que forman los grana y puede romper las moléculas de agua para liberar al medio electrones que repongan los que ha cedido el pigmento diana.

Visión General de la Fotosíntesis

En la fotosíntesis se pueden diferenciar dos fases en función de su dependencia a la luz:

• Fase luminosa o dependiente de la luz. Ocurre en los tilacoides. En esta fase se capta la energía luminosa y se generan ATP y nucleótidos reducidos (NADPH + H⁺).
• Fase oscura o independiente de la luz. Tiene lugar en el estroma de los cloroplastos. En esta fase se emplean el ATP y los nucleótidos reducidos que se han obtenido en la fase luminosa para sintetizar moléculas orgánicas. Así, en la fotosíntesis de los compuestos de carbono, se obtienen hidratos de carbono a partir del CO₂ atmosférico.

La ecuación global de la fotosíntesis de una molécula de glucosa es la siguiente:

6CO₂ + 12H₂O + Energía luminosa → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Fase Luminosa de la Fotosíntesis

La fase luminosa puede presentarse en dos modalidades:

Fase Luminosa Acíclica

En esta fase ocurren tres procesos: la fotólisis del agua, la fotofosforilación del ADP y la fotorreducción del NADP⁺. Al incidir la luz sobre el fotosistema II, su pigmento diana, la clorofila P680 se excita y cede dos electrones al primer aceptor de electrones. Para reponer todos los electrones perdidos por la clorofila P680, se produce la fotólisis. Esta reacción ocurre en la cara interna de los tilacoides y los dos protones quedan en el interior del tilacoide.

El primer aceptor cede los electrones a una cadena de transporte electrónico que, en último término, los cede a la clorofila P700 del fotosistema I. Durante este transporte, otros dos protones pasan desde el estroma al interior del tilacoide.

Por cada dos electrones, entran cuatro protones: dos procedentes de la hidrólisis del agua y otros dos impulsados por la cadena de transporte electrónico.

Fase Luminosa Cíclica

En esta fase, el único proceso que ocurre es la fotofosforilación del ADP y solo interviene el fotosistema I. Se genera un flujo cíclico de electrones que hace que se introduzcan protones en el interior del tilacoide. El gradiente electroquímico se emplea para la síntesis de ATP. Como no interviene el fotosistema II, no hay fotólisis del agua y no se desprende oxígeno ni se produce la reducción del NADP⁺.

Balance de la Fase Luminosa de la Fotosíntesis

Por cada NADP⁺ que se reduce durante la fase luminosa acíclica, son necesarios dos electrones y dos protones, procedentes de la fotólisis de una molécula de agua. Se necesitan cuatro fotones. Como la ATP-sintetasa produce un ATP por cada tres protones que salen al estroma, por cada molécula de agua que se hidroliza, se producen 1,33 moléculas de ATP. Por su parte, en la fase cíclica solo se produce ATP.

Fase Oscura de la Fotosíntesis

En la fase oscura se utiliza la energía (ATP) y el NADPH, obtenidos en la fase luminosa, para sintetizar materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas. Recibe el nombre de fase oscura, aunque suele realizarse durante el día, pues es cuando se producen ATP y NADPH + H⁺.

Síntesis de Compuestos de Carbono

Esta síntesis se realiza mediante un proceso cíclico que fue descubierto por el bioquímico Melvin Calvin.

• Fijación del dióxido de carbono (CO₂). La enzima ribulosa-difosfato-carboxilasa-oxidasa lo fija.
• Reducción del CO₂ fijado. Mediante el consumo del ATP y del NADPH obtenidos en la fase luminosa, el ácido 3-fosfoglicérico es reducido a gliceraldehído-3-fosfato (G3P).

El G3P puede seguir, a su vez, tres vías:

• Regeneración de la ribulosa-1-5-difosfato dentro de los cloroplastos, mediante un proceso complejo, en el que se suceden compuestos de cuatro, cinco y siete átomos de carbono. Este proceso recibe el nombre de ciclo de las pentosas-fosfato.
• Síntesis de almidón, ácidos grasos y aminoácidos en los cloroplastos.
• Síntesis de glucosa y fructosa fuera del cloroplasto, es decir, en el citosol, por un proceso similar a la glucólisis, pero en sentido inverso.

Balance de la Síntesis de Compuestos de Carbono

Por cada CO₂ que se incorpora en el ciclo de Calvin, se requieren dos moléculas de NADPH y tres de ATP; por tanto, para una glucosa (seis átomos de carbono) son necesarios 12 NADPH y 18 ATP.

Por tanto, en total se producen 16 moléculas de ATP. Como se necesitan 18 ATP para sintetizar una molécula de glucosa, los dos ATP que faltan se deben producir mediante la fase luminosa cíclica.

Síntesis de Compuestos de Nitrógeno y Azufre

• Las plantas toman el nitrógeno disuelto en forma de iones de nitrato y en los cloroplastos se reducen formando ácido glutámico.
• El azufre lo toman como iones sulfatos y una vez reducidos entran a formar parte del aminoácido cisteína.

Factores que Influyen en la Fotosíntesis

• Intensidad lumínica: a mayor intensidad lumínica mayor rendimiento en la fotosíntesis hasta que se produce la fotooxidación irreversible de los pigmentos fotosintéticos.
• Temperatura: La eficacia del proceso aumenta con la temperatura por el movimiento de las moléculas hasta llegar a la temperatura donde se desnaturalizan las enzimas.
• Concentración de CO₂: si la intensidad lumínica es elevada y constante el rendimiento del proceso fotosintético aumenta en relación directa con la concentración de CO₂, hasta llegar a un valor en el que el rendimiento se estabiliza.
• Concentración de O₂: Cuando aumenta la concentración de O₂ disminuye el rendimiento de la fotosíntesis por la fotorrespiración.
• Escasez de agua: Por la escasez de agua disminuye el rendimiento porque se cierran los estomas para evitar la desecación.

La Quimiosíntesis

La quimiosíntesis consiste en la síntesis de ATP a partir de la energía que se desprende en las reacciones de oxidación de determinadas sustancias inorgánicas. Todos los organismos quimiosintéticos son bacterias.

Muchos de los compuestos reducidos que utilizan las bacterias, como el NH₃ o el H₂S, son sustancias procedentes de la descomposición de la materia orgánica. Al oxidarlas, las transforman en sustancias minerales que pueden ser absorbidas por las plantas. Estas bacterias cierran, por tanto, los ciclos biogeoquímicos, posibilitando la vida en el planeta.

Fases de la Quimiosíntesis

Se pueden distinguir también dos fases:

• La primera en la que se obtiene ATP y la coenzima reducida NADH, y
• La segunda en la que se emplean el ATP y el NADH anteriores para sintetizar compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas.