Capítulo 3: Bioenergética, enzimas y metabolismo

La interrelación entre estructura y función es evidente en todos los niveles de organización biológica, desde el molecular hasta el de organismo. En el capítulo previo se explicó que las proteínas tienen una intrincada estructura tridimensional que depende de la presencia de residuos de aminoácidos específicos en el sitio correcto. En este capítulo se revisa más de cerca a un grupo grande de proteínas, las enzimas, y cómo su compleja arquitectura las dota con la capacidad de aumentar mucho la velocidad de reacciones biológicas. Para comprender la forma en que las enzimas pueden lograr estas hazañas, es necesario considerar el flujo de energía durante una reacción química, lo cual conduce al tema de la termodinámica. Una breve revisión de los principios de la termodinámica también ayuda a explicar muchos de los procesos celulares que se revisan en éste y en los siguientes capítulos, incluido el movimiento de iones a través de las membranas, la síntesis de macromoléculas y el ensamble de redes citoesqueléticas. Como se describirá, el análisis termodinámico de un sistema particular revela si los fenómenos pueden ocurrir en forma espontánea, y de no ser así, indica qué cantidad de energía debe gastar una célula para que se lleve a cabo el proceso. En la sección final de este capítulo se explica cómo se vinculan entre sí las reacciones químicas individuales para formar vías metabólicas y cómo puede controlarse el flujo de energía y materias primas a través de ciertas vías.

Una célula viva bulle de actividad. Se ensamblan macromoléculas de todo tipo a partir de materias primas, se producen y excretan sustancias de desecho, las instrucciones genéticas fluyen del núcleo al citoplasma, las vesículas se desplazan a lo largo de la vía secretora, los iones son bombeados a través de las membranas celulares, y mucho más. Para mantener un nivel tan alto de actividad, una célula debe adquirir y gastar energía. El estudio de los diversos tipos de transformaciones energéticas que ocurren en los organismos vivos se conoce como bioenergética.

Las leyes de la termodinámica y el concepto de entropía

Energía se define como la capacidad para realizar trabajo, es decir, la capacidad para cambiar o mover algo. La termodinámica es el estudio de los cambios en la energía que acompañan a los fenómenos del universo. El texto de las páginas siguientes se enfoca en un conjunto de conceptos que permite predecir la dirección que tomarán los fenómenos y si es necesario o no el aporte de energía para hacer que un fenómeno suceda. Sin embargo, las mediciones termodinámicas no ayudan a determinar la velocidad con la que ocurrirá un proceso específico ni el mecanismo utilizado por la célula para realizar el proceso.

La primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía. Establece que la energía no se crea ni se destruye. Sin embargo, la energía puede convertirse (por transducción) de una forma a otra. La transducción de la energía eléctrica en energía mecánica ocurre cuando se conecta un reloj al tomacorriente (fig. 3.1a), y la energía química se convierte en energía térmica cuando se quema combustible en un calentador de aceite. Las células también son capaces de realizar transducción de energía. Como se explica en capítulos ulteriores, la energía química almacenada en ciertas moléculas biológicas, como el ATP, se convierte en energía mecánica cuando los organelos se mueven de un sitio a otro en una célula, en energía eléctrica cuando los iones fluyen a través de una membrana, o en energía térmica cuando se libera calor durante la contracción muscular (fig. 3.1b). La transducción de energía más importante en el mundo biológico es la conversión de la luz solar en energía química, el proceso de la fotosíntesis, que aporta el combustible que de manera directa o indirecta impulsa las actividades de casi todas las formas de vida.¹ Diversos animales, incluidas las luciérnagas y los peces luminosos, son capaces de convertir la energía química de nuevo en luz (fig. 3.1c). Sin embargo, sin importar el proceso de transducción, la cantidad total de energía en el universo permanece constante.

Para revisar las transformaciones de energía que involucran materia, es necesario dividir el universo en dos partes: el sistema en estudio y el resto del universo, al que se denominará entorno. Un sistema puede quedar definido de varias maneras: puede ser un determinado espacio en el universo o una cierta cantidad de materia. Por ejemplo, el sistema puede ser una célula viva. Los cambios en la energía de un sistema que se producen durante un fenómeno se manifiestan de dos maneras: como un cambio en el contenido de calor del sistema y como la realización de trabajo. Aunque el sistema pierda o gane energía, la primera ley de la termodinámica indica que la pérdida o ganancia deben equilibrarse con una ganancia o pérdida correspondiente en el entorno, de manera que la cantidad de energía en el universo como un todo permanezca constante. La energía del sistema se llama energía interna (E) y su cambio durante una transformación es ΔE (delta E). Una forma de describir la primera ley de la termodinámica es que ΔE = Q − W, donde Q es la energía calórica y W es la energía del trabajo.

Según sea el proceso, la energía interna del sistema al final puede ser mayor, igual o menor que la misma energía interna al principio, dependiendo de su relación con su entorno (fig. 3.2). En otras palabras, ΔE puede ser positiva, cero o negativa. Considérese como un sistema el contenido de un recipiente de reacción. Mientras no haya cambio en la presión o volumen del contenido, no habrá trabajo que esté siendo realizado por el sistema sobre su entorno, ni viceversa. En ese caso, la energía interna al final de la transformación será mayor que al principio si se absorbe calor, y será menor si se libera calor. Las reacciones que pierden calor se llaman exotérmicas y las que ganan calor endotérmicas, y hay muchas reacciones de ambos tipos. El que la ΔE para una reacción particular pueda ser positiva o negativa, no aporta información sobre la probabilidad de que ocurra un fenómeno determinado. Para determinar la probabilidad de una transformación particular, es necesario considerar algunos conceptos adicionales.

Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley de la termodinámica expresa el concepto de que los fenómenos en el universo tienen una dirección; tienden a proceder “cuesta abajo” desde un estado de mayor energía a uno de menor energía. Por lo tanto, en cualquier transformación energética se produce una disminución de la disponibilidad de energía para realizar trabajo adicional. Las rocas caen de los riscos al suelo y una vez en el fondo, su capacidad para realizar trabajo adicional es reducida; es muy poco probable que por ellas mismas se eleven de nuevo a la cima del risco. De igual manera, las cargas opuestas normalmente se atraen, no se separan, y el calor fluye de un cuerpo más caliente a uno más frío, no a la inversa. Se dice que estos fenómenos son espontáneos, un término que indica que son favorables desde el punto de vista termodinámico y pueden ocurrir sin el aporte de energía externa.

En un principio, el concepto de la segunda ley de la termodinámica se formuló para máquinas térmicas y la ley implicaba la idea de que es termodinámicamente imposible construir una máquina de movimiento perpetuo. En otras palabras, es imposible que una máquina sea 100% eficiente, lo cual sería necesario si tuviera que continuar funcionando sin un aporte externo de energía. Es inevitable que se pierda parte de la energía cuando la máquina realiza su actividad. Una relación similar sigue siendo válida para los organismos vivos. Por ejemplo, cuando una jirafa ramonea las hojas de un árbol o un león acecha a la jirafa, gran parte de la energía química del alimento nunca queda disponible para el animal que lo ingiere.

La pérdida de energía disponible durante un proceso es el resultado de una tendencia a aumentar la aleatoriedad, o desorden, del universo cada vez que ocurre una transferencia de energía. Esta ganancia en desorden se mide mediante el término entropía, y la pérdida de energía disponible es igual a TΔS, donde ΔS es el cambio en la entropía entre los estados inicial y final. La entropía está relacionada con los movimientos aleatorios de las partículas de la materia que, como son al azar, no pueden realizar un proceso de trabajo dirigido. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, cada fenómeno se acompaña de un aumento en la entropía del universo. Por ejemplo, cuando se deja caer un cubo de azúcar en una taza de agua caliente, se produce un cambio espontáneo de las moléculas de un estado ordenado en el cristal hacia una condición mucho más desordenada cuando las moléculas de azúcar se dispersan en toda la solución (fig. 3.3a). Conforme las moléculas del cubo de azúcar se disuelven en la solución, aumenta su libertad de movimiento, al igual que la entropía del sistema. El cambio de un estado concentrado a uno disperso se debe a los movimientos aleatorios de las moléculas. Al final, las moléculas de azúcar se dispersan por igual en todo el volumen disponible porque el estado de distribución uniforme es el estado más probable.

Otro ejemplo de un aumento en la entropía es la liberación de calor en la oxidación de la glucosa dentro de una célula o por la fricción generada cuando la sangre fluye por un vaso. La liberación de energía térmica en los organismos vivos aumenta la velocidad de los movimientos aleatorios de los átomos y las moléculas; esto no puede redirigirse para realizar trabajo adicional. Conforme se incrementa la energía de los movimientos moleculares y atómicos con la temperatura, también crece la entropía. Sólo a una temperatura de cero absoluto (0°K), cesan todos los movimientos, y la entropía es cero.

Como ocurre con otros fenómenos espontáneos, es preciso distinguir entre el sistema y su entorno. La segunda ley de la termodinámica indica sólo que la entropía total del universo debe aumentar; el desorden en una parte del universo (el sistema) puede disminuir a expensas de un aumento en su entorno. El azúcar disuelto en la figura 3.3a puede disminuir en entropía; puede volver a cristalizarse si se evapora el agua (fig. 3.3b). No obstante, la consecuencia de este proceso es un aumento todavía mayor en la entropía del entorno. El aumento en la libertad de movimiento de las moléculas de agua en la fase gaseosa equilibra de más la disminución de libertad de las moléculas de los cristales de azúcar.

La vida opera con un principio similar. Los organismos vivos son capaces de disminuir su propia entropía mediante el aumento de la entropía de su ambiente. La entropía disminuye en un organismo cuando las moléculas relativamente simples, como los aminoácidos, se ordenan en moléculas más complejas, como la proteína mioglobina de una célula muscular. Sin embargo, para que esto ocurra debe aumentar la entropía en el ambiente, lo que se logra cuando moléculas complejas y ordenadas, como el glucógeno almacenado en el hígado o el tejido muscular, se convierten en calor y en compuestos más pequeños y menos ordenados (como CO₂ y H₂O) que se liberan al ambiente. Esta característica del metabolismo es la que permite que los organismos vivos mantengan un estado tan altamente ordenado e improbable, al menos por cierto tiempo.

Otra medida del estado energético de un organismo vivo la provee el contenido de información de sus macromoléculas. La información es un asunto difícil de definir, pero fácil de reconocer. La información puede medirse en términos de la disposición ordenada de las subunidades de una estructura. Por ejemplo, las proteínas y los ácidos nucleicos, cuya secuencia lineal específica de las subunidades es muy ordenada, son bajos en entropía y altos en contenido de información. El mantenimiento de un estado con alto contenido de información (entropía baja) requiere el aporte de energía. Considere simplemente una molécula de DNA situada en una célula del hígado. Esa célula tiene docenas de proteínas distintas cuya única tarea es vigilar al DNA, buscando algún daño y reparándolo (se describe en la sección 13.2). El daño en los nucleótidos de una célula activa puede ser tan grande, que sin este gasto de energía el contenido de información del DNA se deterioraría en poco tiempo.

Energía libre

En conjunto, la primera y segunda leyes de la termodinámica indican que la energía del universo es constante, pero la entropía continúa en aumento hacia un máximo. El químico estadounidense J. Willard Gibbs combinó en 1878 los conceptos inherentes a las primeras dos leyes en la expresión ΔH = ΔG + TΔS, donde ΔG (delta G) es el cambio en la energía libre, o sea, el cambio durante un proceso en la energía disponible para realizar un trabajo; ΔH es el cambio en la entalpía o contenido total de energía del sistema (equivalente a ΔE para los propósitos aquí descritos), T es la temperatura absoluta (°K = °C + 273), y ΔS es el cambio en la entropía del sistema. La ecuación establece que el cambio energético total es igual a la suma de los cambios en la energía útil (ΔG) y en la energía que no está disponible para realizar trabajo adicional (TΔS).

Cuando se reordena y se escribe como ΔG = ΔH − TΔS, la ecuación proporciona una medida de la espontaneidad de un proceso particular. Permite predecir la dirección en la que avanzará un proceso y la magnitud con la que ocurrirá. Todas las transformaciones energéticas espontáneas deben tener una ΔG negativa; o sea, que el proceso debe avanzar hacia un estado con menor energía libre. La magnitud de ΔG indica la cantidad máxima de energía que puede ser transferida para utilizarse en otro proceso, pero no aporta información sobre la velocidad con la que se llevará a cabo el proceso. Los procesos que pueden ocurrir en forma espontánea, o sea, los que están favorecidos desde el punto de vista termodinámico (tienen una −ΔG), se denominan exergónicos. Por el contrario, si la ΔG para un proceso determinado es positiva, entonces no puede ocurrir en forma espontánea. Estos procesos son termodinámicamente desfavorables y se llaman endergónicos. Como se describirá, las reacciones que normalmente son endergónicas pueden inducirse si se acoplan con procesos liberadores de energía.

Los signos de ΔH y ΔS para una transformación determinada pueden ser positivos o negativos, dependiendo de la relación entre el sistema y su entorno. (Por lo tanto, ΔH será positiva si el sistema gana calor, negativa si éste pierde calor; ΔS será positiva si el sistema se vuelve más desordenado y negativa si se vuelve más ordenado.) La relación contraria entre ΔH y ΔS se ilustra mediante la transformación hielo-agua. La conversión de agua del estado líquido al sólido se acompaña de un descenso en la entropía (ΔS es negativa, como se ilustra en la figura 3.4) y un descenso en la entalpía (ΔH es negativa). Para que esta transformación ocurra (o sea, para que ΔG sea negativa), ΔH debe ser más negativa que TΔS, una condición que sólo ocurre por debajo de los 0°C. Esta relación puede verse en el cuadro 3-1, que presenta los valores para los diferentes términos si un mol de agua se convirtiera en hielo a 10°C, 0°C o −10°C. En todos los casos, sin importar la temperatura, el nivel de energía del hielo es menor que el del líquido (la ΔH es negativa). Sin embargo, mientras mayor sea la temperatura, el término entropía de la ecuación (TΔS) es más negativo que el término entalpía; por lo tanto, el cambio de energía libre es positivo y el proceso no puede ocurrir en forma espontánea. A 0°C, el sistema está en equilibrio; a −10°C se favorece el proceso de solidificación, o sea que ΔG es negativa.

Cambios de energía libre en las reacciones químicas

Ahora que se explicó el concepto de energía libre en términos generales, puede aplicarse la información a las reacciones químicas dentro de la célula. Todas las reacciones químicas en la célula son reversibles y por lo tanto, se deben considerar dos reacciones ocurriendo en forma simultánea, una en un sentido y la otra en sentido inverso. De acuerdo con la ley de acción de masas, la velocidad de la reacción es proporcional a la concentración de los reactivos. Por ejemplo, considérese la siguiente reacción:

La velocidad de la reacción hacia la derecha es directamente proporcional al producto de las concentraciones molares de A y B. La velocidad de la reacción en ese sentido puede expresarse como k₁[A][B], donde k₁ es una constante de velocidad para esa reacción. La velocidad de la reacción en sentido inverso es igual a k₂[C][D]. Aunque despacio, todas las reacciones químicas avanzan hacia un estado de equilibrio, es decir, hacia un punto en el que las velocidades de las reacciones en un sentido y otro son iguales. En el estado de equilibrio, la cantidad de moléculas A y B que se convierten en moléculas C y D por unidad de tiempo es la misma que la cantidad formada a partir de éstas. Por lo tanto, en el equilibrio,

que puede reordenarse como

En otras palabras, en el equilibrio existe una proporción predecible entre la concentración de productos y la concentración de reactivos. Esta proporción, que es igual a k₁/k₂, se conoce como constante de equilibrio, K_eq.

La constante de equilibrio permite predecir la dirección (hacia adelante o en sentido inverso) en la que la reacción se ve favorecida en unas condiciones determinadas. Supóngase por ejemplo que se estudia la reacción previa, y recién se mezclaron los cuatro componentes (A, B, C, D), por lo que cada uno está presente en una concentración inicial de 0.5 M.

La dirección en la que ocurrirá esta reacción depende de la constante de equilibrio. Si la K_eq es mayor que 1, la reacción procederá a mayor velocidad hacia la formación de los productos C y D que en el sentido inverso. Por ejemplo, si la K_eq fuese 9.0, entonces la concentración de reactivos y productos en el equilibrio de esta particular mezcla de reacción, sería 0.25 M y 0.75 M, respectivamente.

Por otro lado, si la K_eq es menor que 1, la reacción inversa procederá a mayor velocidad que la reacción hacia delante, por lo que la concentración de A y B se elevará a expensas de C y D. Con base en estos puntos, se deduce que la dirección neta en la que procede la reacción en cualquier momento dependerá de las concentraciones relativas de todas las moléculas participantes y puede predecirse a partir de la K_eq.

Ahora, se regresará al tema de la energética. La proporción entre reactivos y productos presentes en el equilibrio está determinada por los niveles relativos de energía libre de los reactivos y los productos. Mientras la energía libre total de los reactivos sea mayor que la de los productos, la ΔG tiene un valor negativo y la reacción procede la formación de productos. Mientras mayor sea la ΔG, más lejos está la reacción del equilibrio y más trabajo puede realizar el sistema. Conforme la reacción avanza, la diferencia en el contenido de energía libre entre los reactivos y los productos disminuye (ΔG se vuelve menos negativa), hasta que al llegar al equilibrio la diferencia es cero (ΔG = 0) y ya no puede obtenerse más trabajo.

Como la ΔG para una reacción determinada depende de la mezcla de reacción presente en un momento dado, ésta no es un término útil para comparar la energética de varias reacciones. Para colocar las reacciones sobre una base comparable y poder hacer varios tipos de cálculos, se adoptó una convención para considerar el cambio en la energía libre que ocurre durante una reacción en condiciones estándar. Para las reacciones bioquímicas, las condiciones se establecieron de manera arbitraria en 25°C (298°K) y 1 atmósfera (atm) de presión, con todos los reactivos y productos a una concentración de 1.0 M, excepto por el agua, que está presente a 55.6 M, y los H⁺ a 10⁻⁷ M (pH 7.0).² El cambio de energía libre estándar (ΔG°′) describe la energía libre emitida cuando los reactivos se convierten en productos en estas condiciones estándar. Debe tenerse en mente que en la célula no existen condiciones estándar y por lo tanto, hay que ser cauteloso con el uso de los valores de las diferencias de energía libre estándar en los cálculos de energética celular.

La relación entre la constante de equilibrio y el cambio de energía libre estándar se expresa mediante la ecuación

Cuando el logaritmo natural (ln) se convierte en logaritmo base 10 (log¹⁰), la ecuación cambia a

donde R es la constante de gas (1.987 cal/mol · K) y T es la temperatura absoluta (298°K).³ Recuérdese que el logaritmo de 1.0 es cero. Por consiguiente, con base en la ecuación previa puede deducirse que las reacciones que tienen constantes de equilibrio mayores que 1.0 tienen valores de ΔG°′ negativos, lo que indica que pueden ocurrir en forma espontánea en condiciones estándar. Las reacciones que tienen constantes de equilibrio menores que 1 tienen valores de ΔG°′ positivos y no pueden ocurrir en forma espontánea en condiciones estándar. En otras palabras, considerando la reacción escrita de la siguiente manera: A + B ⇋ C + D, si ΔG°′ es negativa, la reacción procederá hacia la derecha cuando los reactivos y productos estén presentes a una concentración de 1.0 M a un pH de 7. Mientras mayor sea el valor negativo, más hacia la derecha procederá la reacción antes de alcanzar el equilibrio. En las mismas condiciones, si ΔG°′ es positiva, la reacción procederá hacia la izquierda; o sea que la reacción en sentido inverso está favorecida. La relación entre ΔG°′ y K′_eq se muestra en el cuadro 3-2.

Cambios en la energía libre en las reacciones metabólicas

Una de las reacciones químicas más importantes en la célula es la hidrólisis del ATP (fig. 3.5). En la reacción

la diferencia de energía libre estándar entre los productos y reactivos es −7.3 kcal/mol. Con base en esta información, es evidente que la hidrólisis del ATP es una reacción muy favorable (exergónica), es decir, que tiende hacia una proporción [ADP]/[ATP] alta en el equilibrio. Existen varias razones por las que esta reacción es tan favorable, una de las cuales es evidente en la figura 3.5. La repulsión electrostática creada por cuatro cargas negativas muy próximas en el ATP⁴⁻, se alivia en forma parcial con la formación de ADP³⁻.

Es importante tener presente la diferencia entre ΔG y ΔG°′. La ΔG°′ es un valor fijo para una reacción determinada e indica la dirección en que la reacción procedería si el sistema estuviera en condiciones estándar. Como las condiciones estándar no prevalecen dentro de una célula, los valores de ΔG°′ no pueden usarse para predecir la dirección en la que ocurre una reacción particular en un momento determinado dentro de un compartimiento celular específico. Para hacerlo, debe conocerse la ΔG, que se determina a partir de las concentraciones de los reactivos y los productos presentes en ese momento. A 25°C

donde [A], [B], [C] y [D] son las concentraciones reales en un momento dado. El cálculo de ΔG revela la dirección en la que ocurre la reacción en la célula y qué tan cerca está del equilibrio la reacción en cuestión. Por ejemplo, las concentraciones típicas de los reactivos y los productos en la reacción de hidrólisis del ATP podrían ser [ATP] = 10 mM; [ADP] = 1 mM; [P_i] = 10 mM. Si se sustituyen estos valores en la ecuación,

Por lo tanto, aunque la ΔG°′ para la hidrólisis del ATP es −7.3 kcal/mol, la ΔG típica en la célula para esta reacción es cercana a −12 kcal/mol porque la célula mantiene una proporción [ATP]/[ADP] alta.

Las células realizan muchas reacciones con valores de ΔG°′ positivos porque las concentraciones relativas de reactivos y productos favorecen el progreso de las reacciones. Esto puede ocurrir de dos maneras. La primera ilustra la importante diferencia entre ΔG y ΔG°′, y la segunda revela la forma en que las reacciones con valores positivos de ΔG°′ pueden impulsarse en la célula mediante el aporte de energía química almacenada.

Considérese la reacción de la glucólisis (fig. 3.24) en la cual la dihidroxiacetona fosfato se convierte en gliceraldehído 3-fosfato. La ΔG°′ para esta reacción es +1.8 kcal/mol, y a pesar de ello en la célula tiene lugar la formación del producto de esta reacción. La reacción ocurre porque otras reacciones celulares mantienen la proporción entre reactivo y producto por arriba de la definida por la constante de equilibrio. Mientras se mantenga esta condición, la ΔG será negativa y la reacción continuará en forma espontánea en la dirección de la síntesis de gliceraldehído 3-fosfato. Esto trae a colación una característica importante del metabolismo celular, que reacciones específicas no pueden considerarse de manera independiente como si ocurrieran aisladas en un tubo de ensayo. Cientos de reacciones ocurren al mismo tiempo en una célula. Todas estas reacciones están interrelacionadas porque el producto de una reacción se convierte en el reactivo de la siguiente en la secuencia, y así sucesivamente a lo largo de una vía metabólica y en las que le siguen. Para mantener la producción de gliceraldehído 3-fosfato a expensas de dihidroxiacetona fosfato, la reacción se sitúa dentro de una vía metabólica de tal forma que el producto es retirado por la siguiente reacción a una velocidad suficiente para mantener una proporción favorable entre las concentraciones de estas dos moléculas.

Acoplamiento de reacciones endergónicas y exergónicas

Las reacciones con grandes valores positivos de Δ G°′ son típicamente impulsadas por el aporte de energía. Considérese la formación del aminoácido glutamina a partir del ácido glutámico por acción de la enzima glutamina sintetasa:

Ácido glutámico + NH₃ →

glutamina ΔG°′ = +3.4 kcal/mol

Esta reacción endergónica ocurre en la célula porque el ácido glutámico en realidad se convierte en glutamina mediante dos reacciones secuenciales, ambas exergónicas:

Se dice que la formación de glutamina está acoplada con la hidrólisis de ATP. Mientras la ΔG para la hidrólisis de ATP sea más negativa de lo que la ΔG es positiva para la síntesis de glutamina a partir de ácido glutámico, la reacción “cuesta abajo” de hidrólisis del ATP puede usarse para impulsar la síntesis “cuesta arriba” de la glutamina. Para acoplar las dos reacciones químicas, el producto de la primera reacción se convierte en reactivo de la segunda. El puente entre ambas reacciones, el glutamil fosfato en este caso, se llama intermediario común. En esencia, lo que ocurre es que la hidrólisis exergónica del ATP ocurre en dos pasos. En el primero, el ácido glutámico actúa como un aceptor del grupo fosfato, el cual es desplazado por el NH₃ en el segundo paso.

La hidrólisis del ATP puede usarse en la célula para impulsar reacciones que conducen a la formación de moléculas como la glutamina porque las concentraciones de ATP se mantienen en valores mucho más altos (en relación con los de ADP) de lo que estarían en el equilibrio. Esto puede demostrarse con el cálculo siguiente. Como se indicó antes, una concentración celular típica de P_i sería de 10 mM. Para calcular la proporción de equilibrio del [ATP]/[ADP] en estas condiciones, puede establecerse que la ΔG tenga el valor de equilibrio de 0 y resolver la siguiente ecuación (tomada de la pág. 91) para [ADP]/[ATP]:

Por lo tanto, se esperaría que en el equilibrio la concentración de ADP fuese más de 10⁷ veces la de ATP, pero en realidad las concentraciones de ATP en la mayoría de las células son de 10 a 100 veces más altas que las de ADP. Este es un punto crucial porque son las concentraciones relativas de ATP y ADP lo que importa. Si una célula contuviera una mezcla equilibrada de ATP, ADP y P_i, no importaría la cantidad de ATP presente, la célula no tendría capacidad para realizar trabajo.

La hidrólisis de ATP se usa para impulsar la mayoría de los procesos endergónicos en la célula, incluidas reacciones químicas como la recién descrita, la separación de carga a través de la membrana, la concentración de un soluto, el movimiento de filamentos en una célula muscular y las propiedades de las proteínas (fig. 3.6). El ATP puede usarse para procesos tan diversos porque su grupo fosfato terminal puede transferirse a diversos tipos de moléculas, incluidos aminoácidos, azúcares, lípidos y proteínas. En la mayoría de las reacciones acopladas, el grupo fosfato se transfiere en un paso inicial desde el ATP a uno de estos aceptores, y luego es retirado en un segundo paso (véase un ejemplo en la fig. 4.46).

Equilibrio frente a metabolismo en estado estacionario (estable)

A medida que las reacciones tienden al equilibrio, la energía libre disponible para realizar trabajo disminuye hacia un mínimo y la entropía aumenta hacia un máximo. Por lo tanto, mientras más alejada se mantenga una reacción del estado de equilibrio, menos se pierde su capacidad para realizar trabajo por el aumento en la entropía. En esencia, el metabolismo celular no es un metabolismo en equilibrio, o sea, que se caracteriza por proporciones entre productos y reactivos alejadas del equilibrio. Esto no significa que algunas reacciones no ocurran en o cerca del equilibrio dentro de las células. De hecho, muchas de las reacciones de una vía metabólica pueden estar cerca del equilibrio (fig. 3.25). Sin embargo, al menos una y con frecuencia varias reacciones de una vía están lejos del equilibrio, lo que las hace esencialmente irreversibles. Éstas son las reacciones que mantienen el avance de la vía en un solo sentido; también son las reacciones sometidas a regulación celular porque el flujo de materiales a través de toda la vía puede aumentar o disminuir mucho por la estimulación o inhibición de la actividad de las enzimas que catalizan tales reacciones.

Los principios básicos de la termodinámica se formularon con sistemas no vivos, cerrados (sin intercambio de materia entre el sistema y su entorno) en condiciones de equilibrio reversible. Las características únicas del metabolismo celular requieren una perspectiva distinta. El metabolismo celular puede mantenerse en condiciones irreversibles de no equilibrio porque a diferencia del ambiente dentro de un tubo de ensayo, la célula es un sistema abierto. Los materiales y la energía fluyen en forma continua hacia el interior de la célula desde el torrente sanguíneo o el medio de cultivo. La magnitud de este aporte del exterior hacia la célula se vuelve evidente con tan sólo detener la respiración. Minuto a minuto, el ser humano depende de una fuente externa de oxígeno porque éste es un reactivo muy importante en el metabolismo celular. El flujo continuo de oxígeno y otros materiales hacia dentro y fuera de las células permite que el metabolismo celular se encuentre en un estado estacionario (fig. 3.7). En dicho estado, las concentraciones de reactivos y productos permanecen relativamente constantes, aunque las reacciones individuales no estén necesariamente en equilibrio. Esto no significa que las concentraciones de los metabolitos celulares no cambien. Las células son capaces de ajustar continuamente la concentración de sustancias clave en respuesta a las condiciones cambiantes. Una elevación o caída en el nivel de sustancias reguladoras, como por ejemplo, la hormona insulina, puede causar un aumento o descenso drástico en la producción de azúcares, aminoácidos o grasas. En otras palabras, las células existen en un estado de desequilibrio dinámico, en el que las velocidades de las reacciones hacia delante y en sentido inverso pueden aumentar o disminuir al instante como respuesta a las condiciones cambiantes.

A finales del siglo xix se desencadenó un debate acerca de si el proceso de formación del etanol requería o no de la presencia de células de levadura intactas. En un lado del debate estaba el químico orgánico Justus von Liebig, quien argumentaba que las reacciones de fermentación que se producían en el alcohol no eran distintas a aquellos tipos de reacciones orgánicas que había estado estudiando en el tubo de ensayo. En el otro lado estaba el biólogo Louis Pasteur, quien argumentaba que el proceso de fermentación sólo podía ocurrir dentro de los confines de una célula viva, intacta y altamente organizada.

En 1897, dos años después de la muerte de Pasteur, Hans Büchner, un bacteriólogo, y su hermano Eduard, un químico, preparaban “jugo de levadura”, un extracto obtenido al triturar células de levadura con granos de arena y pasando luego la mezcla por papel filtro. Deseaban conservar el jugo de levadura para usarlo más tarde. Después de intentar conservar el extracto con antisépticos y no lograrlo, trataron de impedir la descomposición de la preparación con la adición de azúcar, el mismo procedimiento usado para conservar mermeladas y jaleas. En lugar de conservar la solución, el jugo de levadura produjo gas a partir del azúcar y burbujeó en forma continua durante días. Después de un mayor análisis, Eduard descubrió que la fermentación producía etanol y burbujas de dióxido de carbono. Büchner había mostrado que la fermentación no requería la presencia de células intactas.

Sin embargo, pronto se encontró que la fermentación era muy distinta de los tipos de reacciones que realizan los químicos orgánicos. La fermentación necesitaba la presencia de un conjunto único de catalizadores que no tenía contraparte en el mundo inanimado. Estos catalizadores se llamaron enzimas (por el término griego “en levaduras”). Las enzimas son las mediadoras del metabolismo, responsables de virtualmente cada reacción que ocurre en la célula. Sin las enzimas, las reacciones metabólicas procederían tan lentamente que serían imperceptibles.

La primera evidencia de que las enzimas son proteínas la obtuvo James Sumner de Cornell University en 1926, cuando cristalizó la enzima ureasa de las habas espada (Canavalia ensiformis) y determinó su composición. Aunque este hallazgo no se recibió con mucho entusiasmo en ese momento, pronto se demostró que varias enzimas más eran proteínas y en las siguientes décadas se aceptó que todos los catalizadores biológicos eran proteínas. Casualmente, se hizo evidente que ciertas reacciones biológicas están catalizadas por moléculas de RNA. Para mayor claridad, el término enzima se reserva en general para los catalizadores proteínicos, mientras que el término ribozima se usa para los catalizadores de RNA. La descripción de este capítulo se limita a los catalizadores proteínicos y las propiedades de los catalizadores de RNA se describen en el capítulo 11.

Aunque las enzimas son proteínas, muchas de ellas son proteínas conjugadas, o sea, que contienen componentes no proteínicos llamados cofactores que pueden ser inorgánicos (metales) u orgánicos (coenzimas). Las vitaminas y sus derivados suelen actuar como coenzimas. Cuando están presentes, los cofactores son participantes importantes en el funcionamiento de la enzima, a menudo realizan actividades para las que los aminoácidos no son adecuados. Por ejemplo, como se explicó en el capítulo 2, en la mioglobina el átomo de hierro del grupo hemo es el sitio donde se une y almacena el oxígeno hasta que se requiere en el metabolismo celular.

Propiedades de las enzimas

Al igual que todos los catalizadores, las enzimas tienen las siguientes propiedades: (1) sólo se requieren en pequeñas cantidades, (2) no se alteran en forma irreversible durante la reacción, por lo que cada molécula de enzima puede participar repetidamente en reacciones individuales y (3) no tienen efecto en la termodinámica de la reacción. Este último punto es muy importante. Las enzimas no aportan energía a una reacción química, por lo que no determinan que una reacción sea o no favorable termodinámicamente. De igual manera, las enzimas no determinan la proporción entre productos y reactivos en el equilibrio. Éstas son propiedades inherentes de las sustancias químicas que estén reaccionando. Como catalizadores, las enzimas sólo pueden aumentar la velocidad en la que procede una reacción química favorable.

No necesariamente existe una relación entre la magnitud de ΔG de una reacción particular y la velocidad con la que ocurre dicha reacción. La magnitud de ΔG sólo informa sobre la diferencia en la energía libre entre el estado inicial y el equilibrio. Es totalmente independiente de la vía o del tiempo que le tome alcanzar el equilibrio. Por ejemplo, la oxidación de la glucosa es un proceso muy favorable, como puede determinarse por la cantidad de energía liberada durante su combustión. Sin embargo, los cristales de glucosa pueden dejarse a temperatura ambiente por tiempo indefinido sin que haya una conversión notable hacia materiales menos energéticos. En otras palabras, la glucosa es cinéticamente estable, aun cuando es inestable desde el punto de vista termodinámico. Aunque el azúcar se disolviera, mientras la solución se mantuviera estéril no se degradaría con rapidez. Sin embargo, si se agregaran unas cuantas bacterias, en muy poco tiempo la glucosa sería captada por las células y degradada por medios enzimáticos.

Las enzimas son expertos catalizadores. Los catalizadores que usan los químicos en el laboratorio, como ácido, platino metálico y magnesio, generalmente aceleran las reacciones de cientos a miles de veces con respecto a la velocidad sin catalizador. En cambio, las enzimas típicamente aumentan la velocidad de una reacción de 10⁸ a 10¹³ veces o incluso más (cuadro 3-3). Con base en estas cifras, las enzimas pueden lograr en 1 s lo que requeriría entre tres y 300 000 años si la enzima no existiera. Lo que es aún más notable, realizan esta hazaña a temperatura ambiente y al pH que existe en el interior de la célula. Además, a diferencia de los catalizadores inorgánicos usados por los químicos, las enzimas son muy específicas con respecto a los reactivos con los que se unen y a la reacción que catalizan. Los reactivos a los que se puede unir una enzima se llaman sustratos. Si por ejemplo, la enzima hexocinasa se encontrara en una solución con cien compuestos de bajo peso molecular además de su sustrato, la glucosa, sólo ésta sería reconocida por la enzima y experimentaría la reacción. Para fines prácticos, los otros compuestos bien podrían estar ausentes. Este tipo de especificidad, ya sea entre enzimas y sustratos o entre otros tipos de proteínas y las sustancias con las que se unen, es crucial para mantener el orden requerido a fin de sostener la vida.

Además de su alto nivel de actividad y especificidad, las enzimas actúan como directores del tráfico metabólico en el sentido de que las reacciones catalizadas por enzimas son muy ordenadas —los únicos productos formados son los apropiados. Esto es muy importante porque la formación de subproductos químicos afectaría pronto la vida de una célula frágil. Por último, a diferencia de otros catalizadores, la actividad de las enzimas puede regularse para cubrir las necesidades particulares de una célula en un momento determinado. Como resulta evidente en este capítulo y el resto del libro, las enzimas de una célula en verdad son una colección asombrosa de máquinas moleculares en miniatura.

Superación de la barrera de la energía de activación

¿Cómo es que las enzimas son capaces de realizar una catálisis tan eficaz? La primera pregunta a considerar es por qué las reacciones con características termodinámicas favorables no proceden por sí mismas a velocidades relativamente altas en ausencia de enzimas. Incluso el ATP, cuya hidrólisis es tan favorable, permanece estable en una célula hasta que se degrada en una reacción enzimática controlada. Si esto no fuera así, el ATP tendría poco uso biológico.

Las transformaciones químicas requieren que se rompan ciertos enlaces covalentes dentro de los reactivos. Para que esto ocurra, los reactivos deben contener suficiente energía cinética (energía de movimiento) para superar una barrera llamada energía de activación (E_A). Esto se expresa en el diagrama de la figura 3.8, donde la energía de activación se representa con la altura de las curvas. Los reactivos de una reacción química a menudo se comparan con un objeto en reposo en la cima de un risco, listo para caer al fondo. Si se deja por sí solo, lo más probable es que el objeto permanezca ahí por tiempo indefinido. Sin embargo, si alguien pasara y le aplicara al objeto la energía suficiente para vencer la fricción u otra pequeña barrera en su camino e hiciera que llegara hasta el borde del risco, caería en forma espontánea hasta el fondo. El objeto tiene el potencial para caer a un estado de menor energía una vez que se eliminan las barreras cinéticas.

En una solución a temperatura ambiente existen moléculas en un estado de movimiento aleatorio, cada una tiene cierta cantidad de energía cinética en un instante determinado. Dentro de una población de moléculas su energía se distribuye en una curva con forma de campana (fig. 3.9), algunas con muy poca energía y otras con mucho más. Las moléculas con alta energía (moléculas activadas) permanecen como tales sólo por un corto tiempo, pierden su exceso de energía hacia otras moléculas por colisión. Considérese una reacción en la que una molécula reactiva se divide en dos moléculas de producto. Si una molécula reactiva determinada adquiere energía suficiente para superar la barrera de activación, existe la posibilidad de que se divida en dos moléculas de producto. La velocidad de la reacción depende del número de moléculas reactivas que contienen la energía cinética necesaria en un momento dado. Una forma de aumentar la velocidad de reacción es incrementar la energía de los reactivos. La forma más fácil de hacer esto en el laboratorio es con la aplicación de calor a la mezcla de reacción (fig. 3.9). Por el contrario, la aplicación de calor a una reacción mediada por enzimas conduce a la rápida inactivación de la enzima porque se desnaturaliza.

Cuando los reactivos están en la cresta de la curva de energía y se encuentran listos para convertirse en productos, se dice que están en el estado de transición (fig. 3.8). En este punto, los reactivos tienen un complejo activado transitorio en el que los enlaces se forman y se rompen. Puede ilustrarse la naturaleza de una estructura en estado de transición si se examina la interconversión de los estereoisómeros d y l de prolina, una reacción catalizada por la enzima bacteriana prolina racemasa.

Esta reacción procede en ambos sentidos mediante la pérdida de un protón del carbono α de la molécula de prolina. Como resultado, la estructura del estado de transición contiene un carbanión con carga negativa en el que los tres enlaces formados por el átomo de carbono están en el mismo plano.

Al contrario de la diferencia en la energía libre estándar para una reacción, la energía de activación necesaria para alcanzar el estado de transición no es un valor fijo, sino que varía dependiendo del mecanismo de reacción particular utilizado. Las enzimas catalizan las reacciones mediante la disminución de la magnitud de la barrera de energía de activación. Por consiguiente, a diferencia de la catálisis por calor, las enzimas hacen que los sustratos sean muy reactivos sin tener que elevarlos a niveles muy altos de energía. La figura 3.9 muestra una comparación entre el porcentaje de moléculas que reaccionan cuando el cambio químico es catalizado por una enzima y cuando no lo es. Las enzimas son capaces de disminuir las energías de activación al unirse con más fuerza al estado de transición que a los reactivos, lo que estabiliza este complejo activado, lo cual reduce su energía. Como consecuencia, en la actualidad constituyen temas de investigación sobre los mecanismos enzimáticos las diferencias en las características geométricas y las propiedades de unión entre los reactivos y el estado de transición. La importancia del estado de transición puede demostrarse de muchas formas. Por ejemplo:

• Los compuestos que se parecen al estado de transición de una reacción tienden a ser inhibidores muy efectivos de esa reacción porque pueden unirse con mucha fuerza a la región catalítica de la enzima.

• En condiciones normales, los anticuerpos no se comportan como enzimas, sino que sólo se unen con gran afinidad a las moléculas. Sin embargo, los anticuerpos que se unen a compuestos que simulan un estado de transición para una reacción a menudo son capaces de actuar como enzimas y catalizar la degradación de ese compuesto.

Conforme el estado de transición se convierte en productos, la afinidad de la enzima por las moléculas unidas disminuye y se liberan los productos.

El sitio activo

Como catalizadores, las enzimas aceleran los procesos de formación y rotura de enlaces. Para lograr esta tarea, las enzimas tienen una participación íntima en las actividades que ocurren entre los reactivos; lo hacen mediante la formación de un complejo con los reactivos, el complejo enzima-sustrato (ES). La figura 3.10 muestra una ilustración esquemática del complejo ES y la figura 3.14 una imagen. En la mayor parte de los casos, la relación entre la enzima y el sustrato es no covalente, aunque se conocen muchos ejemplos en los que se forma un enlace covalente transitorio.

La parte de la molécula de enzima que se une en forma directa con el sustrato es el sitio activo. El sitio activo y el (los) sustrato(s) tienen formas complementarias, lo que les permite unirse con mucha precisión. La unión del sustrato con la enzima se realiza mediante los mismos tipos de interacciones no covalentes (enlaces iónicos, enlaces de hidrógeno, interacciones hidrófobas) que determinan la estructura de la proteína misma. Por ejemplo, la enzima mostrada en la figura 3.11a contiene varios residuos con carga positiva en posiciones estratégicas para unirse con átomos de carga negativa del sustrato. Además de unirse con el sustrato, el sitio activo contiene un conjunto particular de cadenas laterales de aminoácidos que influyen en el sustrato y disminuyen la energía de activación de la reacción. La importancia de las cadenas laterales individuales del sitio activo puede valorarse mediante mutagénesis dirigida a un sitio (pág. 74), una técnica en la que un aminoácido particular se sustituye por otro con propiedades diferentes.

Por lo general, el sitio activo se encuentra en el fondo de una hendidura o grieta que conduce desde los alrededores acuosos hacia el interior de la proteína. Cuando un sustrato entra a la hendidura del sitio activo, casi siempre libera sus moléculas de agua unidas (desolvatación) y entra a un ambiente hidrófobo dentro de la enzima. La reactividad de las cadenas laterales del sitio activo puede ser mucho mayor en este ambiente protegido, en comparación con el solvente acuoso de la célula. Los aminoácidos que conforman el sitio activo casi siempre se sitúan en puntos distantes a lo largo de la cadena polipeptídica extendida, pero quedan próximos entre sí cuando el polipéptido se pliega en su estructura terciaria final (fig. 3.11b,c). La estructura del sitio activo explica no sólo la actividad catalítica de la enzima, sino también su especificidad. Como se indicó antes, la mayor parte de las enzimas es capaz de unirse sólo con una o unas pocas moléculas biológicas estrechamente relacionadas.

Mecanismos de catálisis enzimática

¿Cómo es que una enzima puede hacer que una reacción ocurra cientos de veces por segundo cuando esa misma reacción sucede a una velocidad indetectable en ausencia de la enzima? La respuesta radica en la formación del complejo enzima-sustrato, que permite que el (los) sustrato(s) sea(n) extraído(s) de la solución y sujetado(s) en la superficie de la gran molécula catalizadora. Una vez ahí, las propiedades físicas y químicas del sustrato pueden modificarse de varias formas, algunas de las cuales se describen en las secciones siguientes.

Orientación del sustrato

Supóngase que se coloca un puñado de tornillos y tuercas en una bolsa y ésta se sacude durante 5 minutos. Es muy improbable que alguno de los tornillos tenga una tuerca firmemente unida en su extremo cuando se termine la agitación. En cambio, si se sujeta un tornillo en una mano y una tuerca en la otra, es posible colocar pronto el tornillo dentro de la tuerca. Al sujetar el tornillo y la tuerca en la orientación adecuada, se disminuyó mucho la entropía del sistema. Las enzimas disminuyen la entropía de sus sustratos en una forma similar.

Los sustratos unidos con la superficie de una enzima quedan muy próximos entre ellos y en la orientación correcta precisa para que puedan reaccionar (fig. 3.12a). Por el contrario, cuando los reactivos están en una solución, son libres para tener movimientos de traslación y rotación, e incluso los que tienen energía suficiente no siempre llegan a una colisión que conduzca a la formación de un complejo en estado de transición.

Cambio en la reactividad del sustrato

Las enzimas se componen de aminoácidos que tienen diversos tipos de cadenas laterales, desde las que tienen cargas completas hasta las que son no polares. Cuando el sustrato se une con la superficie de una enzima, la distribución de los electrones dentro de la molécula de sustrato es influida por las cadenas laterales vecinas de la enzima (fig. 3.12b). Esta influencia aumenta la reactividad del sustrato y estabiliza el complejo en estado de transición que se forma durante la reacción. Tales efectos se logran sin el aporte de energía externa, como calor.

Hay varios mecanismos generales por los que aumenta la reactividad de los sustratos cuando se unen a las enzimas. En términos básicos, dichos mecanismos son similares a los descritos por los químicos que estudian los mecanismos de las reacciones orgánicas en un tubo de ensayo. Por ejemplo, la velocidad de las reacciones puede modificarse mucho por los cambios en el pH. Aunque las enzimas no pueden cambiar el pH del medio, contienen muchos aminoácidos con cadenas laterales ácidas o básicas. Estos grupos son capaces de donarle o quitarle protones al sustrato, lo que altera el carácter electrostático del sustrato y lo hace más reactivo.

Los sitios activos de muchas enzimas contienen cadenas laterales con una carga parcial positiva o negativa. Estos grupos son capaces de interactuar con un sustrato para alterar sus propiedades electrostáticas (fig. 3.12b) y por lo tanto, su reactividad. Dichos grupos también son capaces de reaccionar con un sustrato para producir una unión enzima-sustrato covalente temporal. La quimotripsina, una enzima que digiere las proteínas de la dieta en el intestino delgado, actúa de esta manera. La figura 3.13 presenta la serie de reacciones que ocurre cuando la quimotripsina hidroliza un enlace peptídico en una proteína sustrato. La reacción de la figura 3-13 se divide en dos pasos. En el primero, el átomo de oxígeno electronegativo de la cadena lateral de una serina de la enzima “ataca” a un átomo de carbono del sustrato. Como resultado, el enlace peptídico del sustrato se hidroliza y se forma un enlace covalente entre la serina y el sustrato, lo que desplaza al resto del sustrato como uno de los productos. Como se explica en el pie de la figura, la capacidad de la serina para llevar a cabo esta reacción depende de un residuo cercano de histidina, que atrae al protón del grupo hidroxilo de la serina y esto aumenta el poder nucleofílico del átomo de oxígeno del grupo. Las enzimas también son expertas en usar las moléculas de agua en las reacciones que catalizan. En el segundo paso mostrado en la figura 3.13b, el enlace covalente entre la enzima y el sustrato se rompe con una molécula de agua, lo que regresa a la enzima a su estado libre original y libera el resto del sustrato como el segundo producto.

Aunque las cadenas laterales de los aminoácidos puedan participar en diversas reacciones, no son muy adecuadas para donar o aceptar electrones. Como se explica en la sección siguiente (y con más detalle en los caps. 5 y 6), la transferencia de electrones es el fenómeno central en las reacciones de oxidación-reducción que tienen una función vital en el metabolismo celular. Para catalizar estas reacciones, las enzimas contienen cofactores (iones metálicos o coenzimas) que aumentan la reactividad de los sustratos mediante la eliminación o donación de electrones. En diversos casos las enzimas generan su propio cofactor aceptor de electrones mediante la modificación química de uno de los residuos aminoácidos situados en su sitio activo.

Inducción de tensión en el sustrato

Aunque el sitio activo de una enzima puede ser complementario a su(s) sustrato(s), diversos estudios revelan un cambio en las posiciones relativas de ciertos átomos de la enzima una vez que se haya unido el sustrato. En muchos casos, la conformación cambia tanto que mejora el ajuste complementario entre la enzima y los reactivos (un ajuste inducido) y los grupos reactivos apropiados de la enzima se mueven a su sitio. Un ejemplo de ajuste inducido se muestra en la figura 3.14. Estos tipos de movimientos dentro de una molécula de enzima son un buen ejemplo de una proteína que actúa como una máquina molecular. Conforme ocurren estos cambios en la conformación, se realiza un trabajo mecánico, lo que permite a la enzima ejercer una fuerza física en ciertos enlaces dentro de una molécula de sustrato. Esto tiene el efecto de desestabilizar el sustrato, lo que hace que adopte el estado de transición en el que se alivia la tensión (fig. 3.12c).

Estudio de los cambios en la conformación y los intermediarios catalíticos Para comprender del todo el mecanismo por el cual una enzima cataliza una reacción particular, es necesario describir los diversos cambios en la estructura atómica y electrónica, tanto en la enzima como en el (los) sustrato(s), que ocurren conforme procede la reacción. En el capítulo previo se explicó cómo las técnicas de cristalografía por rayos X revelan detalles de la estructura de una molécula enzimática grande. Como el 40 a 60% del volumen de un cristal de proteína típico consiste en solvente atrapado, la mayor parte de las enzimas cristalizadas conservan un alto nivel de actividad enzimática. Por lo tanto, debería ser posible usar las técnicas de difracción de rayos X para estudiar los mecanismos de reacción. Existe una limitación importante, que es el tiempo. En un estudio cristalográfico estándar, los cristales de enzima deben someterse a un haz de rayos X por un periodo de horas o días mientras se recopilan los datos necesarios. El retrato que se obtiene con tales estudios captura la estructura de la molécula promediada en el tiempo. Sin embargo, las innovaciones recientes han hecho posible usar las técnicas cristalográficas de rayos X para observar los cambios estructurales fugaces que ocurren en el sitio activo mientras una enzima está catalizando un único ciclo de reacción. Esta técnica, llamada cristalografía resuelta en tiempo, puede incluir lo siguiente:

• Uso de haces de rayos X de ultra alta intensidad generados por un sincrotón, un instrumento usado por los físicos nucleares para estudiar las partículas subatómicas. Esto puede acortar el periodo de exposición a los rayos X a unos cuantos picosegundos, que es la misma escala de tiempo requerida para que una enzima catalice una sola transformación química.

• Enfriamiento de los cristales de enzima a temperaturas entre 20 y 40 grados por abajo del cero absoluto, lo que disminuye la velocidad de la reacción en un factor de hasta 10 000 millones, y aumenta mucho la vida de los intermediarios transitorios.

• Uso de técnicas para inducir una reacción en un cristal completo de forma que todas las moléculas de enzima en él estén en la misma etapa de reacción al mismo tiempo. Por ejemplo, en el caso de una reacción en la que el ATP es un sustrato, los cristales de la enzima pueden infiltrarse con moléculas de ATP no reactivas a las que se les haya unido un grupo inerte (p. ej., un grupo nitrofenilo) mediante un enlace sensible a la luz. Cuando los cristales se exponen a un pulso breve de luz, todas las moléculas de ATP “encapsuladas” se liberan, lo que inicia la reacción al mismo tiempo en los sitios activos de todo el cristal.

• Uso de enzimas con mutaciones en sitios específicos (pág. 74) que imponen barreras cinéticas en etapas específicas de la reacción, lo que aumenta la vida de intermediarios particulares.

• Determinación de la estructura a una resolución ultra-alta (atómica) (p. ej., 0.8 Å), lo que permite visualizar hidrógenos individuales que podrían estar presentes en enlaces de hidrógeno o relacionados con grupos ácidos en la proteína; la presencia o ausencia de moléculas de agua unidas; la conformación precisa de las cadenas laterales catalíticas, y la sutil tensión que aparece en partes del sustrato durante la catálisis. El detalle notable que puede obtenerse con estas imágenes de alta resolución se ilustra mediante el enlace de hidrógeno de la figura 3.15.

Al combinar estas técnicas, los investigadores han podido determinar la estructura tridimensional de una enzima en las etapas sucesivas durante una sola reacción catalizada. Cuando estas “tomas” individuales se ponen juntas en una secuencia, producen una “película” que muestra los diversos intermediarios catalíticos que aparecen y desaparecen conforme avanza la reacción. La figura 3.16 presenta un ejemplo de los datos que pueden obtenerse utilizando varias de estas estrategias.

Si bien la atención se ha enfocado en los cambios de conformación que ocurren cuando una enzima transforma sus sustratos en productos, en años recientes también se ha prestado considerable atención a los cambios de conformación que ocurren dentro de la proteína misma. Como se muestra en la figura 2.37, las proteínas son moléculas dinámicas capaces de un movimiento propio (intrínseco) que puede tener mucha relevancia funcional. En el caso presentado en la figura 2.37, este movimiento permite la entrada del sustrato al sitio activo de la enzima. El análisis de este tipo de movimiento intrínseco con varias técnicas experimentales sugirió que las proteínas, incluso en ausencia de sustrato, son capaces de muchos de los mismos movimientos que pueden detectarse durante el ciclo catalítico de una proteína. Si esto es cierto, sugiere que la evolución ha seleccionado estructuras proteínicas capaces de movimientos intrínsecos que pueden ser útiles para las funciones potenciales de una proteína. En lugar de inducir un cambio de conformación específico, los sustratos estarían simplemente “esperando” a que una proteína asumiera una conformación en la cual se pudieran unir de forma eficaz.

Cinética enzimática

Las enzimas varían mucho en su capacidad para catalizar reacciones. La actividad catalítica de una enzima se revela mediante el estudio de su cinética, es decir, de la velocidad con la que cataliza una reacción bajo ciertas condiciones experimentales. En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten publicaron la relación matemática entre la concentración del sustrato y la velocidad de las reacciones enzimáticas medidas por la cantidad de producto formado (o de sustrato consumido) en un tiempo determinado. Esta relación puede expresarse con una ecuación (presentada en la pág. 103) que genera una hipérbola, como se muestra en la figura 3.17. En lugar de considerar los aspectos teóricos de la cinética enzimática, puede obtenerse la misma curva de una manera práctica, como se hace para cada enzima estudiada. A fin de conocer la velocidad de una reacción, se incuba a una temperatura deseada una mezcla que contenga todos los ingredientes necesarios, excepto uno, que cuando se agregue iniciará la reacción. Si al momento en que inicia la reacción no hay producto en la mezcla, la cantidad de producto que aparezca a lo largo del tiempo proporcionará una medida de la velocidad de la reacción. En este procedimiento existen factores que lo complican. Si el tiempo de incubación es demasiado prolongado, la concentración de sustrato disminuye en forma mensurable. Además, conforme aparece el producto puede convertirse de nuevo en sustrato mediante la reacción inversa, que también está catalizada por la enzima. Lo ideal es determinar la velocidad inicial, es decir, la velocidad en el instante en el que aún no se ha formado producto. Para medir con exactitud la velocidad de reacción inicial, se usan tiempos de incubación cortos y técnicas de medición sensibles.

Para generar una curva como la que se muestra en la figura 3.17, se determina la velocidad inicial para una serie de mezclas de incubación que contienen la misma cantidad de enzima, pero una concentración creciente de sustrato. A partir de esta curva resulta evidente que la velocidad de reacción inicial varía mucho con la concentración de sustrato. Con concentraciones bajas de sustrato, las moléculas de enzima sufren relativamente pocas colisiones con el sustrato en un tiempo determinado. Por consiguiente, la enzima tiene “tiempo ocioso”, es decir, las moléculas de sustrato son las que limitan la velocidad. Con altas concentraciones de sustrato, las enzimas chocan con las moléculas de sustrato más rápido de lo que pueden ser convertidas en producto. Por lo tanto, en presencia de concentraciones altas de sustrato, las moléculas individuales de enzima trabajan a su máxima capacidad, o sea, que las moléculas de enzima son las que limitan la velocidad. Por lo tanto, mientras mayor sea la concentración de sustrato en una mezcla de reacción, la enzima se aproxima al estado de saturación. La velocidad inicial en este punto de saturación teórico se denomina velocidad máxima (V_máx).

La medida más sencilla de la actividad catalítica de una enzima la provee su número de recambio, que puede calcularse a partir de la V_máx. Dicho número (o constante catalítica, k_cat, como también se llama) es el número máximo de moléculas de sustrato que puede convertirse en producto por una molécula de enzima por unidad de tiempo. Un número de recambio (por segundo) de 1 a 10³ es típico de las enzimas, aunque se conocen valores tan altos como 10⁶ (cuadro 3.3). A partir de estos valores resulta evidente que unas pocas moléculas de enzima pueden convertir rápidamente una gran cantidad de moléculas de sustrato en producto.

El valor de V_máx es sólo un término útil obtenido a partir de una gráfica como la de la figura 3.17; otro es la constante de Michaelis (K_M), que es igual a la concentración de sustrato cuando la velocidad de la reacción es la mitad de V_máx. Como su nombre implica, la K_M es constante para una enzima determinada y por lo tanto, independiente de la concentración de sustrato o enzima. La relación entre V_máx y K_M se aprecia mejor si se considera la ecuación de Michaelis-Menten, que puede usarse para generar la gráfica de la figura 3.17.

De acuerdo con la ecuación, cuando la concentración de sustrato [S] se establece en un valor equivalente a K_M, la velocidad de la reacción (V) se vuelve igual a V_máx/2, o la mitad de la velocidad máxima. Por lo tanto, K_M = [S] cuando V = V_máx/2.

Para generar una curva hiperbólica como la de la figura 3.17 y hacer una determinación precisa de los valores de V_máx y K_M, debe graficarse una cantidad considerable de puntos. Una descripción más sencilla y exacta se obtiene al graficar el recíproco de la concentración de sustrato respecto al recíproco de la velocidad, como lo formularon Hans Lineweaver y Dean Burk. Cuando se hace así, la hipérbola se vuelve una línea recta (fig. 3.18) cuya intersección en el eje de las x es igual a −1/K_M, la intersección en el eje de las y es igual a 1/V_máx y la pendiente es igual a K_M/V_máx. Por lo tanto, los valores de K_M y V_máx son fáciles de obtener mediante la extrapolación de la línea trazada a partir de pocos puntos.

En la mayor parte de los casos, el valor de K_M proporciona una medida de la afinidad de la enzima por el sustrato. Mientras más alta sea la K_M, más alta será la concentración de sustrato requerida para alcanzar la mitad de la V_máx y por lo tanto, menor será la afinidad de la enzima por ese sustrato. La K_M de la mayoría de las enzimas varía entre 10⁻¹ y 10⁻⁷, con un valor típico alrededor de 10⁻⁴ M. Otros factores que influyen mucho en la cinética de la enzima son el pH y la temperatura del medio de incubación. Cada enzima tiene un pH y una temperatura óptimos en los que opera con su máxima actividad (fig. 3.19). La influencia de la temperatura en la actividad enzimática se ilustra mediante el efecto notorio de la refrigeración en la disminución del crecimiento de los microorganismos.

Inhibidores enzimáticos Los inhibidores enzimáticos son moléculas capaces de unirse a una enzima y disminuir su actividad. La célula depende de inhibidores para regular la actividad de muchas de sus enzimas; los bioquímicos usan inhibidores para estudiar las propiedades de las enzimas, y muchas compañías farmacéuticas producen inhibidores enzimáticos que actúan como fármacos. Los inhibidores enzimáticos pueden dividirse en dos tipos: reversibles e irreversibles.

Los inhibidores irreversibles son los que se unen con fuerza a una enzima, a menudo forman un enlace covalente con uno de sus residuos de aminoácidos. Varios gases nerviosos, como el diisopropilfosfofluoridato y los pesticidas organofosforados, actúan como inhibidores irreversibles de la acetilcolinesterasa, una enzima que tiene una función crucial en la destrucción de acetilcolina, el neurotransmisor encargado de causar la contracción muscular. Con la enzima inhibida, el músculo es estimulado de forma continua y queda en un estado de contracción permanente. Como se explica en la sección Perspectiva humana, el antibiótico penicilina actúa como inhibidor irreversible de una enzima clave en la formación de la pared celular bacteriana.

Por otra parte, los inhibidores reversibles se unen sólo débilmente a una enzima, por lo que son fáciles de desplazar. Para simplificarlo, se describen los casos más sencillos de inhibidores reversibles, que son los tipos competitivo y no competitivo.

Los inhibidores competitivos son inhibidores reversibles que compiten con un sustrato por el acceso al sitio activo de una enzima. Como los sustratos tienen una estructura complementaria al sitio activo con el que se unen, los inhibidores competitivos deben parecerse al sustrato para competir por el mismo sitio de unión, pero difieren en alguna manera que les impide transformarse en el producto (fig. 3.20). El análisis de los tipos de moléculas que pueden competir con el sustrato por un sitio de unión en la enzima aporta información sobre la estructura del sitio activo y la naturaleza de la interacción entre el sustrato y su enzima.

La inhibición enzimática competitiva constituye la base de la acción de muchos fármacos de uso frecuente, como se ilustra en el ejemplo siguiente. La enzima convertidora de angiotensina (ACE, angiotensin-converting enzyme) es una enzima proteolítica que actúa sobre un péptido de 10 residuos (angiotensina I) para producir un péptido de ocho residuos (angiotensina II). Las concentraciones altas de angiotensina II son un factor de riesgo importante para el desarrollo de presión arterial alta (hipertensión). En el decenio de 1960, John Vane y col., en la compañía Eli Lilly iniciaron una búsqueda de compuestos que pudieran inhibir la ACE. Los estudios previos habían encontrado que el veneno de una serpiente brasileña contenía inhibidores de enzimas proteolíticas y se observó que uno de los componentes de este veneno, un péptido llamado teprótido

era un inhibidor competitivo potente de la ACE. Aunque se demostró que el teprótido disminuía la presión sanguínea en pacientes hipertensos, no era un fármaco muy útil porque tenía una estructura peptídica y por lo tanto, era rápidamente degradado si se tomaba por vía oral. Los esfuerzos siguientes para desarrollar inhibidores no peptídicos de la enzima llevaron a los investigadores a sintetizar un compuesto llamado captoprilo,

que se convirtió en el primer fármaco antihipertensivo útil que actúa mediante su unión con la ACE.

La eficacia de un inhibidor competitivo depende de su afinidad relativa por la enzima. Aparte de esto, la inhibición competitiva puede ser superada si la proporción sustrato/inhibidor es lo bastante grande. En otras palabras, si el número de colisiones entre la enzima y un inhibidor se vuelve insignificante en relación con las colisiones que se producen entre la enzima y su sustrato, entonces el efecto del inhibidor se vuelve mínimo. Si la concentración de sustrato es suficiente, es teóricamente posible alcanzar la velocidad máxima de la enzima, incluso en presencia del inhibidor competitivo.

En la inhibición no competitiva, el sustrato y el inhibidor no compiten por el mismo sitio de unión; por lo general, el inhibidor actúa en un sitio distinto al sitio activo de la enzima. El nivel de inhibición depende sólo de la concentración del inhibidor y el aumento de la concentración del sustrato no puede contrarrestarlo. Dado que en presencia de un inhibidor no competitivo, una parte de las moléculas de la enzima se encuentran necesariamente inactivas en un instante determinado, no puede alcanzarse la velocidad máxima de la población de moléculas de enzima. El tipranavir es un potente inhibidor no competitivo de la proteasa producida por el VIH cuando infecta un leucocito. A diferencia de otros inhibidores de esta enzima, como el ritonavir, el tipranavir no se asemeja al sustrato peptídico de la enzima ni compite con él. Los efectos en la cinética de las enzimas en presencia de inhibidores no competitivos y competitivos se muestran en la figura 3.21. En un caso, la V_máx está disminuida, y en el otro, la K_M está aumentada. En ambos tipos, la pendiente (K_M/V_máx) está aumentada en relación con la reacción sin inhibidores. Como se explica en la página 115, las células utilizan una versión de la inhibición no competitiva para regular la actividad de enzimas clave en las vías metabólicas.

El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren dentro de una célula, que incluye una enorme diversidad de conversiones moleculares. La mayor parte de estas reacciones puede agruparse en vías metabólicas que contienen una secuencia de reacciones químicas en las que cada reacción está catalizada por una enzima específica y el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente. Las enzimas que constituyen una vía metabólica están usualmente confinadas a una región específica de la célula, como las mitocondrias o el citosol. Cada vez hay más evidencia que sugiere que las enzimas de una vía metabólica a menudo están físicamente conectadas entre ellas, una característica que permite que el producto de una enzima sea directamente entregado como sustrato al sitio activo de la siguiente enzima en la secuencia de reacciones.

Los compuestos formados en cada paso a lo largo de la vía son intermediarios metabólicos (o metabolitos) que por último conducen a la formación de un producto final. Los productos finales son moléculas con una función particular en la célula, como por ejemplo, un aminoácido que pueda incorporarse a un polipéptido, o un azúcar que puede consumirse por su contenido energético. Las vías metabólicas de una célula están interconectadas en varios puntos, de manera que un compuesto generado en una vía puede ser lanzado en varias direcciones, según sean las necesidades de la célula en ese momento. Esta sección se concentra en los aspectos del metabolismo que conducen a la transferencia y utilización de la energía química, ya que este tema es uno que se tratará en todo el libro.

Generalidades del metabolismo

Las vías metabólicas se dividen en dos grandes tipos. Las vías catabólicas permiten la degradación (desensamblan) de moléculas complejas en productos más sencillos. Las vías catabólicas tienen dos funciones: hacen que estén disponibles las materias primas a partir de las cuales pueden sintetizarse otras moléculas, y aportan la energía química necesaria para tantas actividades de una célula. Como se explicará en detalle, la energía liberada en las vías catabólicas se almacena temporalmente de dos formas: como fosfatos de alta energía (principalmente ATP) y como electrones de alta energía (sobre todo en NADPH). Las vías anabólicas conducen a la síntesis de compuestos más complejos a partir de materiales iniciales más sencillos. Las vías anabólicas requieren energía y utilizan la energía química liberada por las vías catabólicas exergónicas.

La figura 3.22 muestra una descripción muy simplificada de las formas en que se interconectan las principales vías anabólicas y catabólicas. Las macromoléculas primero se degradan (hidrolizan) hasta los bloques de construcción de los que están hechas (etapa I, fig. 3.22). Una vez que las macromoléculas se hidrolizaron en sus componentes (aminoácidos, azúcares y ácidos grasos), la célula puede usar de nuevo los bloques de construcción directamente para: (1) formar otras macromoléculas de la misma clase (etapa I), (2) convertirlos en compuestos distintos para obtener otros productos o (3) degradarlos más (etapas II y III, fig. 3.22) y extraer una parte de su contenido de energía libre.

Las vías de degradación de los diversos bloques de construcción de las macromoléculas varían según el compuesto particular que se catabolice. Sin embargo, al final todas estas moléculas se convierten en una pequeña variedad de compuestos que pueden metabolizarse en forma similar. Por lo tanto, aunque las sustancias inician como macromoléculas con estructuras muy diferentes, mediante las vías catabólicas se convierten en los mismos metabolitos de bajo peso molecular. Por tal razón, se dice que las vías catabólicas son convergentes.

Un hecho notable es que las reacciones químicas y las vías metabólicas descritas en este capítulo se encuentran en todas las células vivas, desde la bacteria más simple hasta la planta o animal más complejo. Es evidente que estas vías aparecieron muy temprano y se han conservado durante el curso de toda la evolución biológica.

Oxidación y reducción: un asunto de electrones

Tanto las vías catabólicas como las anabólicas incluyen reacciones clave en las que se transfieren electrones de un reactivo a otro. Las reacciones que implican un cambio en el estado electrónico de los reactivos se llaman reacciones de oxidación-reducción (o redox). Los cambios de este tipo implican ganancia o pérdida de electrones. Considérese la conversión del hierro metálico (Fe⁰) al estado ferroso (Fe²⁺), en que el átomo de hierro pierde un par de electrones, con lo que adquiere un estado positivo. Cuando un átomo pierde uno o más electrones, se dice que se oxida. La reacción es reversible, lo que significa que los iones ferrosos pueden convertirse en hierro metálico, un estado más negativo, al adquirir un par de electrones. Cuando un átomo gana uno o más electrones, se dice que se reduce.

Para que el hierro metálico se oxide debe haber alguna sustancia que acepte los electrones que se liberen. Por el contrario, para que los iones ferrosos se reduzcan, debe haber alguna sustancia que done los electrones necesarios. En otras palabras, la oxidación de un reactivo debe acompañarse de la reducción simultánea de algún otro reactivo, y viceversa. Una posible reacción con el hierro sería

La sustancia que se oxida durante una reacción redox, o sea, la que pierde electrones, se llama agente reductor, y la que se reduce, o sea, la que gana electrones, se llama agente oxidante.

La oxidación o reducción de los metales, como el hierro o el cobre, implica la pérdida o ganancia completa de electrones. No puede ocurrir lo mismo con la mayor parte de los compuestos orgánicos por la siguiente razón: la oxidación y reducción de sustratos orgánicos durante el metabolismo celular involucra a átomos de carbono que están unidos en forma covalente con otros átomos. Como se explicó en el capítulo 2, cuando un par de electrones es compartido por dos átomos diferentes, los electrones son atraídos con más fuerza por uno de los dos átomos del enlace polarizado. En un enlace C—H, el átomo de carbono ejerce la atracción más fuerte de los electrones, por lo que puede decirse que el átomo de carbono se encuentra en estado reducido. En cambio, si un átomo de carbono está unido a un átomo más electronegativo, como en un enlace C—O o en uno C—N, los electrones son halados alejándose del átomo de carbono, que entonces se encuentra en un estado oxidado. Como el carbono tiene cuatro electrones en la capa externa que puede compartir con otros átomos, puede encontrarse en diversos estados de oxidación. Esto se ilustra mediante el átomo de carbono presente en una serie de moléculas de un carbono (fig. 3.23) que van desde el estado completamente reducido en el metano (CH⁴) hasta el totalmente oxidado en el dióxido de carbono (CO₂). El estado relativo de oxidación de una molécula orgánica puede determinarse a grandes rasgos si se cuenta el número de átomos de hidrógeno frente a los de oxígeno y nitrógeno por átomo de carbono. Como se explica más adelante, el estado de oxidación de los átomos de carbono de una molécula orgánica provee una medida del contenido de energía libre de la molécula.

La captura y utilización de energía

Los compuestos que se usan como combustibles químicos para el funcionamiento de las calderas y automóviles son compuestos orgánicos muy reducidos, como el gas natural (CH⁴) y los derivados del petróleo. La energía se libera cuando estas moléculas se queman en presencia de oxígeno, llevando a los carbonos a un estado más oxidado, como en los gases dióxido de carbono y monóxido de carbono. El grado de reducción de un compuesto también es una medida de su capacidad para realizar trabajo químico dentro de la célula. Mientras más átomos de hidrógeno puedan arrancársele a una molécula de “combustible”, más ATP podrá finalmente producirse. Los carbohidratos son ricos en energía química porque contienen cadenas de unidades de . Las grasas contienen aún más energía por unidad de peso porque tienen cadenas de unidades más reducidas . La explicación siguiente se centra en los carbohidratos.

Como único bloque de construcción del almidón y del glucógeno, la glucosa es una molécula clave en el metabolismo energético tanto de plantas como de animales. La energía libre obtenida de la oxidación completa de la glucosa es muy grande:

En comparación, la energía libre necesaria para convertir ADP en ATP es relativamente pequeña:

Con base en estas cifras resulta evidente que la oxidación completa de una molécula de glucosa hasta CO₂ y H₂O puede librar energía suficiente para producir una gran cantidad de ATP. Como se explica en el capítulo 5, se forman hasta 36 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa oxidada en las condiciones que existen dentro de la mayoría de las células. Para que se produzca esta gran cantidad de moléculas de ATP, la molécula de azúcar se degrada a través de muchos pasos pequeños. Aquellos pasos en los que la diferencia de energía libre entre los reactivos y los productos es relativamente grande pueden acoplarse a reacciones que conducen a la formación de ATP.

Existen dos etapas básicas en el catabolismo de la glucosa y son idénticas en todos los organismos aerobios. La primera etapa, la glucólisis, ocurre en la fase soluble del citoplasma (el citosol) y conduce a la formación de piruvato. La segunda etapa es el ciclo del ácido tricarboxílico (o TCA, tricarboxylic acid cycle), que ocurre dentro de las mitocondrias de las células eucariotas y en el citosol de las procariotas y conduce a la oxidación final de los átomos de carbono hasta dióxido de carbono. La mayor parte de la energía química de la glucosa se almacena en forma de electrones de alta energía, que son extraídos conforme se oxidan las moléculas de sustrato durante la glucólisis y el ciclo TCA. Es la energía de estos electrones la que al final se utiliza para sintetizar ATP. Las páginas siguientes se enfocan en los pasos de la glucólisis, la primera etapa en la oxidación de la glucosa, que ocurre sin la participación del oxígeno. Se supone que esta es la vía de captura de energía que utilizaron los primeros ancestros anaeróbicos y permanece como la principal vía anabólica utilizada por los organismos anaeróbicos que viven en la actualidad. La historia de la oxidación de la glucosa se completa en el capítulo 5, cuando se describan las mitocondrias y su función en la respiración aeróbica.

Glucólisis y formación de ATP

Las reacciones de la glucólisis y las enzimas que las catalizan se muestran en la figura 3.24. Antes de explicar las reacciones específicas, puede señalarse un punto importante acerca de la termodinámica del metabolismo. En una explicación previa se subrayó la diferencia entre ΔG y ΔG°′; es la ΔG para una reacción particular la que determina su dirección en la célula. Las mediciones reales de las concentraciones de los metabolitos en la célula pueden revelar el valor de ΔG para una reacción en cualquier momento dado. La figura 3.25 muestra los valores típicos de ΔG medidos para las reacciones de la glucólisis. A diferencia de los valores de ΔG°′ de la figura 3.24, todas las reacciones, excepto tres tienen valores de ΔG de casi cero, es decir, que están cercanas al equilibrio. Las tres reacciones que están lejos del equilibrio, lo que las hace esencialmente irreversibles en la célula, aportan la fuerza impulsora que mueve a los metabolitos por la vía glucolítica de un modo dirigido.

En 1905, dos químicos británicos, Arthur Harden y William Young, estudiaban la degradación de la glucosa por las células de levadura, un proceso que genera burbujas de CO₂. Harden y Young notaron que eventualmente el burbujeo disminuía y se detenía, aunque todavía quedara mucha glucosa para metabolizar. Al parecer, algún otro componente esencial del caldo se había agotado. Después de experimentar con varias sustancias, los químicos encontraron que al añadir fosfatos inorgánicos la reacción empezaba a producirse de nuevo. Concluyeron que la reacción agotaba el fosfato, primer indicio de que los grupos fosfato participan en las vías metabólicas. La importancia del grupo fosfato se ilustra en las reacciones iniciales de la glucólisis.

La glucólisis comienza con la unión del azúcar a un grupo fosfato (paso 1, fig. 3.24) a expensas de una molécula de ATP. El uso de ATP en esta etapa puede considerarse una inversión de energía, el costo para ingresar al “negocio” de la oxidación de la glucosa. La fosforilación activa al azúcar, volviéndolo capaz de participar en las reacciones subsiguientes en las que los grupos fosfatos se mueven y transfieren a otros aceptores. La fosforilación también disminuye la concentración citoplásmica de glucosa, lo que fomenta la difusión continua del azúcar desde la sangre a la célula. La glucosa-6-fosfato se convierte en fructosa-6-fosfato y luego en fructosa 1,6-bisfosfato a expensas de una segunda molécula de ATP (pasos 2, 3). El bisfosfato de seis carbonos se divide en dos monofosfatos de tres carbonos (paso 4), lo que pone las condiciones para la primera reacción exergónica que puede acoplarse a la formación de ATP. Ahora se describe la formación de ATP.

El ATP se forma de dos maneras distintas, ambas ilustradas por una reacción química de la glucólisis: la conversión de gliceraldehído-3-fosfato en 3-fosfoglicerato (pasos 6, 7). La reacción global es una oxidación de un aldehído en un ácido carboxílico (como en la fig. 3.23), y ocurre en dos pasos catalizados por dos enzimas diferentes (fig. 3.24). La primera de estas enzimas requiere un cofactor no proteínico (una coenzima), llamado dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD), para catalizar la reacción. Como resultará evidente en éste y en los siguientes capítulos, el NAD tiene una función importante en el metabolismo energético mediante la aceptación y donación de electrones. La primera reacción (fig. 3.26a,b) es una oxidación-reducción en la que dos electrones y un protón (equivalente a un ion hidruro, :H⁻) se transfieren del gliceraldehído 3-fosfato (que se oxida) al NAD⁺ (que se reduce). La forma reducida de la coenzima es NADH (fig. 3-27). Una enzima que catalice este tipo de reacción se conoce como deshidrogenasa; la enzima que cataliza la reacción mencionada es la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa. La molécula de NAD⁺, que proviene de la vitamina niacina actúa como una coenzima que se asocia de forma laxa a la deshidrogenasa en posición para aceptar el ion hidruro (o sea, tanto los electrones como el protón). El NADH formado en la reacción se libera luego de la enzima en intercambio por una molécula nueva de NAD⁺.

Más adelante se retomará esta reacción, pero antes se continuará con las consecuencias de la formación de NADH. El NADH se considera un compuesto de alta energía por la facilidad con la que es capaz de transferir electrones a otras moléculas con atracción por los electrones. (Se dice que el NADH tiene un alto potencial de transferencia de electrones en relación con otros aceptores de electrones en la célula; cuadro 5.1.) Los electrones usualmente se transfieren desde el NADH a través de una serie de transportadores de electrones inmersos en la membrana que constituyen una cadena transportadora de electrones. Conforme los electrones se mueven por esta cadena, van pasando a estados de energía libre cada vez más bajos y finalmente son transferidos al oxígeno molecular, que al reducirse se convierte en agua. La energía liberada durante el transporte de electrones se utiliza para formar ATP por un proceso llamado fosforilación oxidativa. El transporte de electrones y la fosforilación oxidativa se revisan con detalle en el capítulo 5.

Además de la ruta indirecta para la formación de ATP que involucra al NADH y una cadena transportadora de electrones, la conversión de gliceraldehído 3-fosfato en 3-fosfoglicerato incluye una ruta directa para formación de ATP. En el segundo paso de esta reacción global (paso 7, figs. 3.24 y 3.26c), se transfiere un grupo fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato al ADP para formar una molécula de ATP. La reacción está catalizada por la enzima fosfoglicerato cinasa. Esta vía directa para la formación de ATP se conoce como fosforilación a nivel de sustrato, ya que ocurre por transferencia de un grupo fosfato desde uno de los sustratos (en este caso, 1,3-bisfosfoglicerato) al ADP. Las reacciones restantes de la glucólisis (pasos 8 a 10), que incluyen una segunda fosforilación de ADP a nivel de sustrato (paso 10), se señalan en la figura 3.24.

La fosforilación de ADP a nivel de sustrato ilustra un punto importante acerca del ATP. Su formación no es tan endergónica. En otras palabras, el ATP puede formarse con facilidad mediante reacciones metabólicas. Hay muchas moléculas fosforiladas cuya hidrólisis tiene una ΔG°′ más negativa que la del ATP. La figura 3.28 ilustra las ΔG°′ relativas para la hidrólisis de varios compuestos fosforilados. Cualquier donador en la parte más alta de la escala puede utilizarse para fosforilar cualquier molécula más abajo en la escala, y la ΔG°′ de esta reacción será igual a la diferencia entre los dos valores indicados en la figura. Por ejemplo, la ΔG°′ para la transferencia de un grupo fosfato desde el 1,3-bisfosfoglicerato al ADP para formar ATP es igual a −4.5 kcal/mol (−11.8 kcal/mol + 7.3 kcal/mol). Este concepto de potencial de transferencia es útil para comparar cualquier serie de donadores y aceptores, sin importar el grupo que se transfiere, ya sean protones, electrones, oxígeno o grupos fosfato. Las moléculas más altas en la escala, o sea, las que tienen mayor energía libre (−ΔG°′ más grande), son moléculas con menor afinidad por el grupo que se transfiere en comparación con las moléculas más abajo en la escala. Mientras menor sea la afinidad, mejor es el donador; a mayor afinidad, mejor es el aceptor.

Una característica importante de la glucólisis es que puede generar una cantidad limitada de moléculas de ATP en ausencia de oxígeno. Ni la fosforilación a nivel de sustrato del ADP por el 1,3-bisfosfoglicerato ni la fosforilación ulterior por el fosfoenolpiruvato (paso 10, fig. 3.24) requieren oxígeno molecular. Por lo tanto, la glucólisis puede considerarse una vía anaeróbica para la producción de ATP, lo que indica que puede proceder en ausencia de oxígeno molecular para continuar suministrando ATP. Se producen dos moléculas de ATP mediante la fosforilación a nivel de sustrato durante la glucólisis a partir de cada molécula de gliceraldehído 3-fosfato que se oxida a piruvato. Como cada molécula de glucosa produce dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato, se generan cuatro moléculas de ATP por cada molécula de glucosa que se oxida hasta piruvato. Por otra parte, deben hidrolizarse dos moléculas de ATP para iniciar la glucólisis, lo que deja una ganancia neta celular de dos moléculas de ATP por cada glucosa oxidada. La ecuación neta para las reacciones de la glucólisis puede escribirse así:

El piruvato, producto final de la glucólisis, es un compuesto clave porque se encuentra en el punto de unión entre la vía anaeróbica (independiente del oxígeno) y aeróbica (dependiente del oxígeno). En ausencia de oxígeno molecular, el piruvato sufre fermentación, como se explica en la sección siguiente. Cuando hay oxígeno disponible, el piruvato se somete a catabolismo adicional en la respiración aeróbica, como se explica en el capítulo 5.

Oxidación anaeróbica del piruvato: el proceso de fermentación

Ya se explicó que la glucólisis puede suministrar a la célula una pequeña cantidad neta de ATP por cada molécula de glucosa convertida en piruvato. Sin embargo, las reacciones glucolíticas ocurren con tal rapidez que la célula es capaz de producir una cantidad considerable de ATP por esta vía. En realidad, diversas células, incluidas las levaduras, las células tumorales y las células musculares, dependen mucho de la glucólisis como medio para la formación de ATP. Sin embargo, existe un problema que estas células deben confrontar. Uno de los productos de la oxidación del gliceraldehído 3-fosfato es NADH. La formación de NADH ocurre a expensas de uno de los reactivos, el NAD⁺, que se encuentra en baja disponibilidad en las células. Como el NAD⁺ es un reactivo necesario en este paso importante de la glucólisis, debe regenerarse a partir de NADH. De lo contrario, ya no podría continuar produciéndose la oxidación del gliceraldehído 3-fosfato, ni ninguna de las reacciones subsiguientes de la glucólisis. Sin embargo, sin oxígeno el NADH no puede oxidarse a NAD⁺ mediante la cadena transportadora de electrones porque el oxígeno es el aceptor final de los electrones en la cadena. No obstante, las células son capaces de regenerar el NAD⁺ a través de la fermentación, la transferencia de electrones del NADH al piruvato, el producto final de la glucólisis, o a un compuesto derivado del piruvato (fig. 3.29). Como la glucólisis, la fermentación ocurre en el citosol. Para la mayor parte de los organismos, que dependen del oxígeno, la fermentación es una medida provisional para regenerar NAD⁺ cuando los niveles de oxígeno son bajos, de manera que la glucólisis pueda continuar y la producción de ATP pueda mantenerse.

El producto de la fermentación varía de un tipo celular u organismo a otro. Cuando es necesario que las células musculares se contraigan en forma repetida, la concentración de oxígeno se vuelve demasiado baja para mantenerse al nivel de las demandas metabólicas de la célula. En estas condiciones, las células del músculo esquelético regeneran el NAD⁺ mediante la conversión de piruvato en lactato. Cuando el oxígeno vuelve a estar disponible en suficiente cantidad, el lactato puede convertirse de nuevo en piruvato para continuar la oxidación. Las células de levadura enfrentaron los desafíos de la vida anaeróbica con una solución metabólica distinta: convierten el piruvato en etanol, como se ilustra en la figura 3.29.

Aunque la fermentación es un complemento necesario para el metabolismo de muchos organismos, y la única fuente de energía metabólica para algunos anaerobios, la energía ganada sólo en la glucólisis es escasa en comparación con la obtenida mediante la oxidación completa de la glucosa hasta dióxido de carbono y agua. Cuando se oxida por completo 1 mol de glucosa se liberan 686 kilocalorías (kcal). Por el contrario, sólo se liberan 57 kcal cuando esta misma cantidad de glucosa se transforma en etanol en condiciones estándar y sólo 47 kcal cuando se convierte en lactato. En cualquier caso, sólo se forman dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa oxidada mediante glucólisis y fermentación; más del 90% de la energía simplemente se descarta en el producto de la fermentación (como lo demuestra la inflamabilidad del alcohol etílico).

Durante las etapas tempranas de la vida en la Tierra, cuando el oxígeno todavía no aparecía, es probable que la glucólisis y la fermentación fueran las principales vías metabólicas por las que las células procariotas primitivas obtenían energía de los azúcares. Después de la aparición de las cianobacterias, el oxígeno de la atmósfera aumentó mucho y fue posible la evolución de una estrategia metabólica aeróbica. Como resultado, todos los productos de la glucólisis pudieron oxidarse por completo y fue posible obtener mucho más ATP. Este proceso se describe en el capítulo 5, donde se explica la estructura y función de las mitocondrias.

Poder reductor

La energía necesaria para sintetizar las moléculas biológicas complejas, como las proteínas, grasas y ácidos nucleicos, se obtiene sobre todo del ATP generado por la glucólisis y el transporte de electrones. No obstante, muchos de estos materiales, en particular las grasas y otros lípidos, están más reducidos que los metabolitos a partir de los cuales se forman. La síntesis de grasa requiere la reducción de metabolitos, lo cual va acompañado de la transferencia de electrones de alta energía desde el NADPH, un compuesto de estructura similar al NADH, pero que contiene un grupo fosfato adicional (descrito en el pie de la fig. 3.27). El reservorio de NADPH en una célula representa su poder reductor, que es una medida importante del contenido energético útil de la célula. El uso del NADPH puede ilustrarse con una de las reacciones clave de la fotosíntesis:

En esta reacción se transfiere un par de electrones (junto con un protón) desde el NADPH al sustrato 1,3-bisfosfoglicerato, lo que reduce un átomo de carbono (indicado en rojo).

La forma oxidada del NADPH, el NADP⁺, se obtiene a partir del NAD⁺ en la reacción siguiente:

El NADPH puede entonces formarse mediante la reducción de NADP⁺. Al igual que el NADH, el NADPH es un compuesto de alta energía por su alto potencial de transferencia de electrones. La transferencia de energía libre en forma de estos electrones eleva al aceptor a un estado más reducido, más energético.

La separación del poder reductor en dos moléculas distintas, pero relacionadas, NADH y NADPH, refleja la separación de sus principales funciones metabólicas. Distintas enzimas reconocen al NADH y NADPH como coenzimas. Las enzimas que tienen una función reductora en las vías anabólicas utilizan NADPH como coenzima, mientras que las enzimas que actúan como deshidrogenasas en las vías catabólicas utilizan NAD⁺. Aunque se usan de manera distinta, una coenzima puede reducir a la otra en la reacción siguiente, catalizada por la enzima transhidrogenasa:

Cuando abunda la energía, se favorece la producción de NADPH, el cual aporta los electrones necesarios para la biosíntesis de nuevas macromoléculas que son esenciales para el crecimiento. Sin embargo, cuando los recursos energéticos son escasos, la mayoría de los electrones de alta energía del NADH se “canjean” por ATP y sólo se genera NADPH suficiente para cubrir las necesidades biosintéticas mínimas de la célula.

Regulación metabólica

La cantidad de ATP presente en una célula en un momento determinado es sorprendentemente pequeña. Por ejemplo, una célula bacteriana contiene alrededor de 1 millón de moléculas de ATP, cuya semivida es muy corta (alrededor de 1 o 2 s). Con un suministro tan limitado, es evidente que el ATP no es una molécula en la que se almacena una gran cantidad total de energía libre. Las reservas energéticas de una célula se almacenan en forma de polisacáridos y grasas. Cuando los niveles de ATP empiezan a descender, se inician las reacciones para aumentar la formación de ATP a expensas de las formas de almacenamiento ricas en energía. De la misma manera, cuando los niveles de ATP son altos, se inhiben las reacciones que conducen a su formación. Las células regulan estas importantes reacciones liberadoras de energía mediante el control de ciertas enzimas clave en varias vías metabólicas.

La función de una proteína está estrechamente relacionada con su estructura (o sea, su conformación). Por lo tanto, no es sorprendente que las células regulen la actividad de las proteínas mediante el cambio en la conformación de proteínas clave. En el caso de las enzimas, la regulación de la actividad catalítica se enfoca en la modificación de la estructura del sitio activo. Dos mecanismos comunes para alterar la forma del sitio activo de una enzima son la modificación covalente y la modulación alostérica; ambas tienen una función clave en la regulación de la oxidación de la glucosa.⁴

Alteración de la actividad enzimática mediante la modificación covalente

A mediados de la década de 1950, Edmond Fischer y Edwin Krebs, de la University of Washington estudiaban la glucógeno fosforilasa, una enzima que se encuentra en las células musculares y que degrada el glucógeno hasta sus subunidades de glucosa. La enzima podía existir en un estado inactivo o activo. Fischer y Krebs prepararon un extracto crudo de células musculares y encontraron que las moléculas enzimáticas inactivas presentes en el extracto podían activarse simplemente añadiendo ATP al tubo de ensayo. Análisis adicionales revelaron una segunda enzima en el extracto, una “enzima convertidora”, como la llamaron, que transfería un grupo fosfato del ATP a uno de los 841 aminoácidos que componían la molécula de glucógeno fosforilasa. La presencia del grupo fosfato alteraba la forma del sitio activo de la molécula enzimática y aumentaba su actividad catalítica.

Las investigaciones posteriores revelaron que la modificación covalente de las enzimas, como se ilustra con la adición (o eliminación) de fosfatos, es un mecanismo general para cambiar la actividad de las enzimas. Las enzimas que transfieren grupos fosfato a otras proteínas se llaman proteína cinasas y regulan actividades tan diversas como la acción hormonal, la división celular y la expresión génica. La “enzima convertidora” descubierta por Krebs y Fischer luego se llamó fosforilasa cinasa, y su regulación se describe en la sección 15.3. Hay dos tipos distintos de proteína cinasas: uno agrega grupos fosfato a residuos específicos de tirosina en un sustrato proteínico; el otro tipo agrega fosfatos a residuos específicos de serina o treonina en el sustrato. La importancia de las proteína cinasas se refleja en el hecho de que aproximadamente el 2% de todos los genes de una célula de levadura (113 de casi 6 200) codifican para miembros de esta clase de enzimas.

Alteración de la actividad enzimática por modulación alostérica

La modulación alostérica es un mecanismo mediante el cual la actividad de una enzima se inhibe o estimula por un compuesto que se une con un sitio llamado sitio alostérico, que ocupa un espacio distinto al sitio activo de la enzima. Según un criterio, la unión de un compuesto al sitio alostérico envía una “onda” a través de la proteína y así genera un cambio definido en la forma del sitio activo, que puede estar localizado en el lado opuesto de la enzima o incluso en un polipéptido diferente dentro de la molécula de la proteína. Según la enzima particular y el modulador alostérico específico, el cambio en la forma del sitio activo puede estimular o inhibir su capacidad para catalizar la reacción. La modulación alostérica ilustra la relación íntima entre la estructura molecular y la función. Los cambios muy pequeños en la estructura de la enzima inducidos por el modulador alostérico pueden producir cambios notables en la actividad enzimática.

Las células son fábricas muy eficientes que no desperdician energía y materiales produciendo compuestos que no se utilizan. Uno de los mecanismos principales que usan las células para apagar las líneas de ensamblaje anabólico es un tipo de modulación alostérica llamada inhibición por retroalimentación, en que la enzima que cataliza el primer paso limitante de una vía metabólica se desactiva temporalmente cuando la concentración del producto final de esa vía, por ejemplo, un aminoácido, alcanza cierto nivel. Esto se ilustra con la sencilla vía mostrada en la figura 3.30, en la que dos sustratos, A y B, se convierten en el producto final E. Conforme la concentración del producto E se eleva, se une al sitio alostérico de la enzima BC, lo que induce un cambio en la conformación del sitio activo que disminuye la actividad enzimática. La inhibición por retroalimentación ejerce un control inmediato y sensible sobre la actividad anabólica de una célula.

Separación de vías catabólicas y anabólicas

Una consideración breve de la vía anabólica que conduce a la síntesis de glucosa (gluconeogénesis) ilustra unos cuantos aspectos importantes sobre las vías sintéticas. La mayor parte de las células es capaz de sintetizar glucosa a partir de piruvato al mismo tiempo que oxidan glucosa como su principal fuente de energía química. ¿Cómo es que las células pueden usar estas dos vías opuestas? El primer punto importante es que, aunque las enzimas pueden catalizar una reacción en ambos sentidos, las reacciones de la gluconeogénesis no pueden proceder con la simple inversión de las reacciones de la glucólisis. La vía glucolítica incluye tres reacciones irreversibles por sus características termodinámicas (fig. 3.25) y estos pasos deben superarse de alguna manera. Incluso si todas las reacciones de la glucólisis pudieran revertirse, sería una forma muy indeseable para la célula de manejar sus actividades metabólicas, ya que las dos vías no podrían controlarse de manera independiente una de la otra. Por lo tanto, una célula no podría detener la síntesis de la glucosa y activar su degradación porque las mismas enzimas se activarían en ambos sentidos.

Si se compara la vía por la cual se degrada la glucosa con la vía por la que se sintetiza, resulta aparente que algunas reacciones son idénticas, aunque proceden en sentido opuesto, mientras que otras son muy diferentes (pasos 1 a 3, fig. 3.31). Al usar distintas enzimas para catalizar reacciones clave diferentes en las dos vías opuestas, una célula puede solucionar tanto los problemas termodinámicos como los regulatorios inherentes por ser capaz de producir y degradar las mismas moléculas.

Esto se puede apreciar mejor si se revisan de cerca las enzimas clave de la glucólisis y la gluconeogénesis. Como se indica en el paso 2 de la figura 3.31, la fosfofructocinasa, una enzima de la glucólisis cataliza la reacción

que tiene una ΔG°′ de −3.4 kcal/mol, lo que la hace irreversible. La reacción tiene una −ΔG°′ tan grande porque está acoplada con la hidrólisis del ATP. En la gluconeogénesis, la formación de fructosa 6-fosfato está catalizada por la enzima fructosa 1,6-bisfosfatasa por una simple hidrólisis:

Las enzimas particulares de la glucólisis y la gluconeogénesis descritas antes son enzimas clave en sus vías respectivas. En parte, tales enzimas están reguladas por AMP y ATP. Téngase en mente que la concentración de AMP dentro de las células tiene una relación inversa con la concentración de ATP; cuando los niveles de ATP son bajos, los de AMP son altos y viceversa. Por consiguiente, las concentraciones altas de AMP le indican a la célula que sus reservas de ATP se agotan. Aunque el ATP es un sustrato para la fosfofructocinasa, también actúa como inhibidor alostérico, mientras que el AMP es un activador alostérico. Cuando las concentraciones de ATP son altas, la actividad de la enzima disminuye, de manera que no se forma más ATP por glucólisis. Por el contrario, cuando los niveles de ADP y AMP son altos en relación con los de ATP, la actividad de la enzima aumenta, lo que fomenta la síntesis de ATP. En cambio, la actividad de la fructosa 1,6-bisfosfatasa, una enzima clave en la gluconeogénesis, se inhibe con concentraciones altas de AMP.

La importancia de la modulación alostérica en el control metabólico se demuestra en los estudios recientes de la enzima proteína cinasa activada por monofosfato de adenosina (AMPK). Como la fosforilasa cinasa descrita antes, la AMPK controla la actividad de otras enzimas mediante la adición de grupos fosfato a residuos específicos de serina o treonina en su estructura. La actividad de la propia AMPK es controlada por modificaciones postraduccionales; la enzima es activada por la adición de un grupo fosfato e inhibida al eliminar ese grupo. De mayor importancia para la presente explicación, es que AMPK también es activada por AMP y ADP, los dos productos alternativos de la hidrólisis de ATP. El AMP activa a la AMPK al unirse a un sitio alostérico en la enzima, y el ADP activa a la AMPK al bloquear la separación del grupo fosfato mencionado. Conforme aumentan las concentraciones de AMP o ADP, se activa la AMPK, lo que conduce a que fosforile e inhiba enzimas clave de las vías anabólicas, al mismo tiempo que fosforila y activa enzimas clave en las vías catabólicas. El resultado final de la activación de AMPK es el descenso en la actividad de las vías que consumen ATP y aumento en la actividad de las vías que producen ATP, lo que aumenta la concentración de ATP en la célula.

La AMPK no sólo participa en la regulación de la energía celular, sino que al menos en los mamíferos, también participa en la regulación del equilibrio energético del cuerpo entero. En los mamíferos, el apetito está controlado por centros en el hipotálamo del cerebro que responden a las concentraciones de ciertos nutrientes y hormonas en la sangre. Por ejemplo, un descenso en los niveles de glucosa sanguínea actúa sobre el hipotálamo para estimular el apetito, al parecer mediado por la activación de AMPK en las células nerviosas hipotalámicas. Por el contrario, se tiene la idea que la sensación de “estar satisfecho” que se experimenta después de comer está desencadenada por ciertas hormonas (p. ej., leptina secretada por las células adiposas) que inhiben la actividad de AMPK en las mismas células cerebrales. Por su función como “termostato” de energía, la AMPK se ha vuelto un blanco primario para el desarrollo de fármacos que traten la obesidad y la diabetes. El antidiabético metformina activa AMPK, lo que causa supresión de la gluconeogénesis en el hígado, y como consecuencia, una disminución de la glucemia.

La energía es la capacidad para realizar trabajo. La energía puede encontrarse en varias formas, incluidas química, mecánica, lumínica, eléctrica y térmica, que pueden convertirse unas en otras. Siempre que se intercambia energía, la cantidad total de ésta en el universo permanece constante, pero hay una pérdida de energía libre, o sea, de la energía disponible para realizar más trabajo. La energía útil que se pierde por la entropía se debe al aumento en la aleatoriedad y desorden en el universo. Los organismos vivos son sistemas con baja entropía que se mantienen por el suministro constante de energía externa que al final proviene del sol (pág. 87).

Toda transformación energética espontánea (exergónica) avanza de un estado de mayor energía libre a un estado de menor energía libre; la ΔG debe ser negativa. En una reacción química, ΔG es equivalente a la diferencia en el contenido de energía libre entre los reactivos y los productos. Mientras mayor sea la ΔG, más lejos está la reacción del equilibrio. Conforme procede la reacción, ΔG disminuye y llega a cero en el equilibrio. Para comparar los cambios energéticos durante distintas reacciones químicas, se determinan las diferencias de energía libre entre los reactivos y los productos para un conjunto estándar de condiciones y se denomina ΔG°′, en la que ΔG°′ = –2.303 RT log K′_eq. Las reacciones que tienen constantes de equilibrio mayores de 1 tienen valores de ΔG°′ negativos. Debe tenerse presente que ΔG°′ es un valor fijo que describe la dirección en la que avanza una reacción cuando la mezcla de reacción está en condiciones estándar. No tiene valor para conocer la dirección de una reacción en un momento particular en la célula; esto lo determina la ΔG, que depende de las concentraciones de reactivos y productos en ese momento. Las reacciones con valores de ΔG°′ positivos (como la reacción en la que el fosfato de dihidroxiacetona se convierte en gliceraldehído 3-fosfato) pueden ocurrir en la célula porque la proporción entre los reactivos y los productos se mantiene en un valor superior al predicho por la K′_eq (pág. 89).

La hidrólisis de ATP es una reacción muy favorable (ΔG°′ = –7.3 kcal/mol) y puede usarse para impulsar reacciones que de lo contrario serían desfavorables. El uso de la hidrólisis del ATP para impulsar reacciones desfavorables se ilustra con la síntesis de glutamina a partir del ácido glutámico y NH₃ (ΔG°′ = +3.4 kcal/mol). La reacción está impulsada por la formación de un intermediario común, el glutamil fosfato. La hidrólisis del ATP puede participar en tales procesos porque la célula mantiene una proporción alta de [ATP]/[ADP], muy superior al nivel del equilibrio, lo que ilustra que el metabolismo celular opera en condiciones de no equilibrio. Esto no significa que todas las reacciones se mantengan fuera de equilibrio, sino que ciertas reacciones de una vía metabólica ocurren con valores negativos grandes de ΔG, lo que las hace irreversibles en la célula y les permite impulsar la vía completa. Las concentraciones de reactivos y productos pueden mantenerse en valores de no equilibrio relativamente constantes (estado estable) dentro de la célula porque los materiales fluyen de manera continua hacia la célula desde el medio externo y los productos de desecho se eliminan en forma constante (pág. 91).

Las enzimas son proteínas que aumentan mucho la velocidad de reacciones químicas específicas mediante la unión con los reactivos y aumento de la probabilidad con la que éstos se convierten en productos. Como todos los catalizadores verdaderos, las enzimas existen en pequeñas cantidades; no sufren cambios irreversibles durante la reacción; y no tienen efecto en la termodinámica de la reacción. Por lo tanto, las enzimas no pueden hacer que una reacción desfavorable (una con +ΔG) proceda hacia delante, tampoco pueden cambiar la proporción entre productos y reactivos en equilibrio. Como catalizadores, las enzimas sólo pueden aumentar la velocidad de las reacciones favorables, lo cual hacen en las condiciones de temperatura ligera y pH que existen en la célula. Las enzimas también se caracterizan por su especificidad hacia sus sustratos, por la catálisis muy eficiente sin productos intermedios indeseables y por la oportunidad para regular su actividad catalítica (pág. 94).

Las enzimas actúan al reducir la energía de activación (E_A), energía cinética que necesitan los reactivos para reaccionar. Como resultado, un porcentaje mucho más alto de moléculas reactivas tiene la energía necesaria para convertirse en productos en la presencia de una enzima. Las enzimas disminuyen la E_A mediante la formación de un complejo enzima-sustrato. La parte de la enzima que se une con el (los) sustrato(s) se llama sitio activo, que también contiene las cadenas laterales de aminoácidos necesarias y/o cofactores para influir en los sustratos y facilitar así la transformación química. Entre los mecanismos que facilitan la catálisis, las enzimas son capaces de sostener a los reactivos en la orientación adecuada; pueden volver a los sustratos más reactivos al influir en su carácter electrónico; y son capaces de ejercer tensión física para debilitar ciertos enlaces dentro del sustrato (pág. 96).

El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren dentro de la célula. Estas reacciones pueden agruparse en vías metabólicas que contienen una secuencia de reacciones químicas en las que cada una está catalizada por una enzima diferente. Las vías metabólicas se dividen en dos grandes tipos: vías catabólicas, en las que los compuestos se degradan y se libera energía, y vías anabólicas que conducen a la síntesis de compuestos más complejos y utilizan la energía almacenada en la célula. Las macromoléculas de distintas estructuras se degradan por vías catabólicas hasta una cantidad relativamente pequeña de metabolitos de bajo peso molecular que proporcionan las materias primas a partir de las cuales divergen las vías anabólicas. Ambos tipos de vías incluyen reacciones de oxidación-reducción, en las que los electrones se transfieren de un sustrato a otro, lo que aumenta el estado de reducción del receptor e incrementa el estado de oxidación del donador (pág. 108).

El estado de reducción de una molécula orgánica, medida por el número de hidrógenos por átomo de carbono, brinda una medida general del contenido energético de la molécula. Un mol de glucosa libera 686 kcal cuando se oxida por completo hasta CO₂ y H₂O, mientras que la conversión de un mol de ADP en ATP requiere sólo 7.3 kcal. Por lo tanto, la oxidación de una molécula de glucosa puede producir energía suficiente para generar una gran cantidad de moléculas de ATP. La primera etapa en el catabolismo de la glucosa es la glucólisis, durante la cual la glucosa se convierte en piruvato, con una ganancia neta de dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH. Las moléculas de ATP se producen por fosforilación a nivel de sustrato, en la que se transfiere un grupo fosfato de un sustrato al ADP. Se produce NADH por oxidación de un aldehído hasta ácido carboxílico con la transferencia acompañante de un ion hidruro (un protón y dos electrones) del sustrato al NAD⁺. En presencia de oxígeno, la mayor parte de las células oxidan el NADH mediante una cadena transportadora de electrones, con formación de ATP por respiración aeróbica. En ausencia de oxígeno, se regenera NAD⁺ por fermentación, en la cual los electrones de alta energía del NADH se usan para reducir el piruvato. La regeneración de NAD⁺ es necesaria para que continúe la glucólisis (pág. 110).

La actividad de una enzima a menudo está regulada por dos mecanismos: modificación covalente y modulación alostérica. La modificación covalente se logra frecuentemente con la transferencia de un grupo fosfato del ATP a uno o más residuos de serina, treonina o tirosina de la enzima en una reacción catalizada por una proteína cinasa. Los moduladores alostéricos actúan mediante la unión no covalente a un sitio en la enzima lejos del sitio activo. La unión del modulador altera la conformación del sitio activo, lo que aumenta o disminuye la actividad catalítica de la enzima. Un ejemplo frecuente de modulación alostérica es la inhibición por retroalimentación, en la que el producto final de una vía inhibe por mecanismos alostéricos la primera enzima propia de esa vía. El mismo compuesto degradado por una vía catabólica podría servir como producto final de una vía anabólica. Por ejemplo, la glucosa se degrada en la glucólisis y se sintetiza en la gluconeogénesis. Aunque las dos vías comparten la mayor parte de las enzimas, tres enzimas clave son únicas de cada vía, lo que permite a la célula regular las dos vías de manera independiente y superar lo que de otra manera serían reacciones irreversibles (pág. 115).

1. ¿Cómo espera que un descenso del pH afecte a una reacción catalizada por la quimotripsina? ¿Cómo se modificaría esta reacción por un aumento en el pH?

2. Por lo general, la inhibición por retroalimentación altera la actividad de la primera enzima de una vía metabólica, en lugar de una de las enzimas ulteriores en la vía. ¿Por qué es esto adaptativo?

3. Después de revisar las reacciones de la síntesis de glutamina en la página 90, explique por qué es verdadera o falsa cada una de las declaraciones siguientes referentes a la tercera reacción (o a la global).

   1. Si la reacción se escribiera al revés, su ΔG°′ sería + 3.9 kcal/mol.

   2. Si todos los reactivos y productos estuvieran en condiciones estándar al principio del experimento, después de cierto tiempo, la proporción [NH₃]/[ADP] disminuiría.

   3. Conforme la reacción avanza, la ΔG°′ se aproxima a cero.

   4. En el equilibrio, las reacciones hacia delante y en reversa son iguales y la proporción [ATP]/[ADP] se vuelve 1.

   5. En la célula es posible que la glutamina se forme cuando la proporción [glutamina]/[ácido glutámico] es mayor de 1.

4. Acaba de aislar una enzima nueva y calculó su velocidad de reacción con tres concentraciones distintas del sustrato. Observa que la pendiente de la curva del producto frente al tiempo es la misma para las tres concentraciones. ¿Qué puede concluir sobre las condiciones de la mezcla de reacción?

5. La lisozima es una enzima de acción lenta que requiere cerca de 2 s para catalizar una sola reacción. ¿Cuál es el número de recambio de la lisozima?

6. En la reacción R ⇋ P, si 1 mol del producto (P) tiene la misma energía libre que 1 mol de reactivo (R), ¿cuál es el valor de la K′_eq de esta reacción? ¿Cuál es el valor de la ΔG°′?

7. ¿Qué significa en términos de proporciones de concentración cuando se dice que la ΔG de la hidrólisis del ATP en la célula es cercana a –12 kcal/mol, mientras que la ΔG°′ es –7.3 kcal/mol?

8. Las enzimas que están bajo regulación celular son aquellas cuyas reacciones casi siempre ocurren en condiciones de no equilibrio. ¿Cuál sería el efecto de la inhibición alostérica de una enzima que opera cerca del equilibrio?

9. En la reacción A ⇋ B, si la K′_eq es 10³, ¿cuál es la ΔG°′? ¿Cuál sería la ΔG°′ si se determinara que la K′_eq es 10⁻³? ¿Cuál es la K′_eq de la reacción de la hexocinasa indicada en la figura 3.24 (paso 1)?

10. En 1926, James Sumner concluyó que la ureasa era una proteína, basado en el hecho de que los cristales de la enzima eran positivos para reactivos que reaccionaban con proteínas y negativos para aquellos que reaccionaban con grasas, carbohidratos y otras sustancias. Su conclusión fue rebatida por otros enzimólogos, que encontraron que sus soluciones enzimáticas tan activas no contenían evidencia de proteína. ¿Cómo pueden reconciliarse estos hallazgos en apariencia opuestos?

11. Si la reacción XA + Y ⇋ XY + A tiene una ΔG°′ de +7.3 kcal/mol, ¿podría impulsarse esta reacción en la célula si se acoplara con la hidrólisis de ATP? ¿Por qué?

12. En una serie de reacciones, A → B → C → D, se determinó que la constante de equilibrio para la segunda reacción (B → C) es 0.1. Se esperaría que la concentración de C en una célula viva fuera: (1) igual a B, (2) la décima parte de B, (3) menos de la décima de B, (4) 10 veces mayor que la de B, (5) más de 10 veces la de B. (Circule la respuesta correcta.)

13. La reacción del compuesto X con el compuesto Y para producir el compuesto Z es una reacción desfavorable (ΔG°′ = +5 kcal/mol). Escriba las reacciones químicas que ocurrirían si se utilizara ATP para impulsar la reacción.

14. El ATP evolucionó como la molécula central en el metabolismo energético. ¿Podría el 1,3-bisfosfoglicerato tener la misma función? ¿Por qué?

15. Calcular la ΔG para la hidrólisis de ATP en una célula en la que la proporción [ATP]/[ADP] hubiera aumentado a 100:1, mientras la concentración de P_i se mantiene en 10 mM. ¿Cómo se compara esto con la proporción de [ATP]/[ADP] cuando la reacción está en equilibrio y la concentración de Pi permanece en 10 mM? ¿Cuál sería el valor de ΔG cuando los reactivos y los productos se encontraran en condiciones estándar (1 M)?

16. Considere la reacción:

    $Glucosa + Pi⇌ glucosa 6-fosfato H2OΔG°′=+3kcal/mol$

    ¿Cuál es la constante de equilibrio, K′_eq, para esta reacción? (Nota: se ignora la concentración del agua.) ¿La ΔG°′ positiva en la reacción previa significa que la reacción nunca puede ocurrir en forma espontánea de izquierda a derecha?

17. En condiciones fisiológicas, [Glucosa] = 5 mM, [Glucosa 6-fosfato] = 83 mM y [P_i] = 1 mM. En estas condiciones, ¿la reacción del problema 16 ocurriría en forma espontánea de izquierda a derecha? De no ser así, ¿cuál sería la concentración de glucosa necesaria para que la reacción procediera de izquierda a derecha si las concentraciones de los otros reactivos y productos fueran las indicadas antes?

18. Considérese la reacción:

    $Glutamato + <a class="drugLink" href="/drugs.aspx?GbosID=364380">amoniaco</a> ⇌ glutamina + H2OΔG°′=+3.4kcal/mol$

    Si la concentración de amoniaco (NH₃) es 10 mM, ¿cuál es la proporción de glutamato/glutamina necesaria para que la reacción ocurra en forma espontánea de izquierda a derecha a 25°C?

19. Debe estar claro que la síntesis de glutamina no puede ocurrir en una célula mediante la reacción descrita en el problema 18. La reacción real acopla la síntesis de glutamina con la hidrólisis del ATP:

    $Glutamato+<a class="drugLink" href="/drugs.aspx?GbosID=364380">amoniaco</a>+ATP⇌glutamina+ADP+Pi$

    ¿Cuál es la ΔG°′ de esta reacción? Supóngase que todos los reactivos y productos, salvo el amoniaco, se encuentran a 10 mM. ¿Qué concentración de amoniaco se necesitaría para impulsar la reacción hacia la derecha, o sea, para impulsar la síntesis neta de glutamina?

20. Un inhibidor no competitivo no impide que la enzima se una con el sustrato. ¿Cuál sería el efecto de aumentar la concentración de sustrato en presencia de un inhibidor no competitivo? ¿Esperaría que un inhibidor no competitivo afectara la V_máx de la enzima? ¿Y la K_M? Explique brevemente.