I 6 Reglas basicas del metabolismo

IMPACTOS Y PROBLEMAS I Un brindis por el alcohol deshidrogenasa

La proxima vez que alguien te ofrezca un trago, detente un

momenta y piensa en las celulas de tu cuerpo que desintoxican el

alcohol. No hay diferencia en que bebas una botella de cerveza,

un vasa de vi no 0 1 Y2 onzas de vodka. Cada uno de ellos tiene

la misma cantidad de alcohol, 0 para lIamarlo de manera mas

precisa, etanol (CH3CHPH). SUS moleculas se desplazan rapi­

damente del estomago e intestino delgado al torrente sanguineo.

Casi todo el etanol que se bebe lIega al higado, el cual tiene can­

tidades impresionantes de enzirTICls metabolizadoras de alcohol.

Una de elias, el alcohol deshidrogenasa, ayuda a liberar al cuerpo

de etanol y otros alcoholes toxicos (figura 6.1).

Desintoxicar el alcohol es dificil para las celulas hepaticas.

Provoca que la sintesis de proteinas y glucosa se haga mas lenta,

y altera la descomposicion de Iipidos y carbohidratos . Las mito­

condrias usan oxigeno en el metabolismo del etanol; ese oxigeno

normal mente participaria en la descomposicion de acidos grasos.

De este modo, los acidos grasos se acumulan en grandes globu­

los de grasa en el tejido de los be bed ores fuertes. A medida que

las celulas hepaticas mueren por falta de oxigeno, quedan menos

para efectuar la desintoxicacion. Uno de los posibles resultados

es la hepatitis alcoholica, enfermedad comun caracterizada por

inflamacion y destruccion de este tejido. La cirrosis alcoholica ,

que es otra posibilidad, deja el higado permanentemente Ileno de

c icatrices. (La palabra cirrosis se deriva del griego kirros, 0 color

anaranjado, por el color anormal de la piel de quienes padecen

esta enfermedad.) Posteriormente el higado deja de trabajar, con

consecuencias graves para la salud.

EI higado es la mayor glandula del cuerpo humano y pesa alrede­

dor de 1.4 kg. Se encuentra en ellado superior derecho de la cavi­

dad abdominal. EI higado tiene muchas funciones importantes que

afectan a todo el cuerpo. Ayuda a la digestion de grasa y la regula­

cion del nivel de azucar en sangre y descompone muchos compues­

tos toxicos, no solo el etanol. Tambien sintetiza protein as plasmaticas

que circulan en la sangre. Dichas proteinas son esenciales para la

coagulacion sanguinea, el funcionamiento inmunologico y preserva­

cion del equilibrio de solutos en los liquidos corporales.

Pensemos ahora en el comportamiento destructivo Ilamado

"beber excesivamente por periodos". En este caso se consume gran

cantidad de alcohol en un periodo breve. Beber por periodos cons­

tituye actual mente el problema de drogas mas grave en los campus

estudianti les de Estados Unidos. Por ejemplo, un estudio realizado

en 2006 indico que casi la mitad de 4,580 estudiantes encuestados

beben muy fuerte en ciertos periodos, 10 que indica que consumen

cinco 0 mas bebidas alcoholicas en un periodo de dos horas por 10

menos una vez al ano en el curso de la encuesta.

Beber fuerte esporadicamente causa mucho mas dana al

higado. Ademas de las 500,000 lesiones relacionadas con acci­

dentes, los 600,000 asaltos realizados por estudiantes intoxi-

cad os, los 100,000 casos de violaciones en citas y las 400,000

incidencias de relaciones sexuales sin proteccion entre estudian­

tes , beber muy fuerte por periodos provoca la muerte de mas

de 1,400 estudiantes al ano. Despues de este grave ejemplo,

procederemos a examinar el metabolismo, que se define como la

capacidad de la celula para adquirir energia y emplearla.

alcohol deshidrogenasa

iMira el video! Figura 6.1 Alcohol deshidrogenasa. Esta enzima que ayuda al cuerpo a descomponer el etanol y otros alcoholes toxicos, permite a los seres humanos beber cerveza, vino y otras bebidas alcoholicas.

conceptos basicos

EI f lujo d e energ ia en el mundo d e los seres v ivos

La energia tiende a dispersarse espontaneamente. Cada vez que se transfiere energ ia, una parte de la misma se dispersa. Los organismos mantienen su organizacion solo cosechando energia continuamente. EI ATP acopla reacciones en las que se libera energia Lltil con reaccio­nes que requieren de energia. Secciones 6 .1, 6 .2

2.C6mo func ionan las enzimas?

Las enzimas aumentan considerablemente la velocidad de las reacciones metabolicas. Los facto res del entorno como temperatura, la sal y el pH , influyen en las funciones de las enzimas. Secci6n 6 .3

La natu raleza del metaboli smo

Las vias metabolicas son secuencias impulsadas por energia de reaccio­nes mediadas por enzimas. Permiten concentrar, transformar 0 desechar materiales de las celulas . EI control de las enzimas que rigen pasos clave de vias metabolicas permite que la actividad celular se real Je con rapid ez. Secci6n 6.4

EI metaboli smo en todos sit ios

EI conocimiento sobre el metabolismo, asi como el funcionamiento de las enzimas, te ayudara a interpretar algunos fenomenos naturales. Secci6n 6.5

~~. ~ '. • Algunas personas se han danado el higado por beber demasiado alcohol; otras han experimentado infecciones que danan el hfgado. Como no hay suficientes donadores de hfgado, ,-serfa conveniente basarse en el estilo de vida para decidir a quien se Ie da un trasplante? Ve mas detalles en CengageNOW y vota en linea. S610 disponible en ingles.

Conexiones a conceptos anteriores

iii En este capitulo, explicare-mos como los organismos utilizan el flujo bilateral de

energia para preservar su organizacion (1.2).

iii Tus conocimientos sobre enlaces quimicos (24) y car-bohidratos (3.3) te ayudaran a comprender como alrnC!-cenan y recuperan energia las celulas en los enlaces quimicos. Tambien veremos

de que manera el ATP (37) conecta los procesos de metabol ismo que requieren energia (3.2) con los que la liberan.

En este capitulo revi saremos la relacion entre la estruc-tura y funcionamiento de las proteinas (35, 3.6), esta vez dentro del contexte de las

enzimas (1.2) Y su funciona-miento. Los facio res como la temperatura (25) y el pH (2.6) afectan el funciona-miento de las enzimas.

., Comenzaremos a pensar en la manera en que las celulas cosec han energia de moleculas organicas en secuencias de transferencia electronica (2.3), y en las proteinas de membrana (5.2) que lIevan a cabo este tipo de reacciones.

Ijf Veremos un ejemplo de como emplean los cientificos reacciones metabolicas para fabricar marcadores (22), los cuales nos ayudan a enten-der mejor fenomenos natu-rales como las biopeliculas

93

6.1 I La energfa y el m'JrJdo de los seres vivos

• La sintesis de moleculas de la vida se inicia con suministro de

energia a las celulas vivas.

Q Conexiones con Organizacion de los seres vivos 1.2, Enlaces

quimicos 2.4, Carbohidratos 3.3.

La energfa se dispersa

La energia es la capacidad para realizar trabajo, aunque esta no es una definici6n perfecta, ni los mejores fisicos pueden explicar con exactitud que es la energia. Sin embargo, aun sin una definici6n perfecta, podemos entender la energia refiriendonos a los tipos de energia que conocemos como luz, electricidad, presi6n, calor y movimiento (figura 6.2).

Tambien comprendemos que una forma de energia pue­de transformarse a otra. Por ejemplo, un foco transforma la electricidad en luz, y un autom6vil transforma la energia quimica de la gasolina en energia para el movimiento. Lo que quiza no es evidente es que la cantidad total de energia en cada conversi6n de este tipo no varia . La energia no se crea ni se destruye, s6lo se transforma, concepto que recibe el nombre de primera ley de la termodinamica.

Otro concepto describe c6mo se comporta la energia: tiende a dispersarse espontaneamente. Por ejemplo, el calor fluye de una sarten caliente al aire circundante frio de la cocina hasta que la temperatura de ambos se iguala. Nunca hemos visto que el aire frio aumente la temperatura de una sarten caliente. Cada forma de energia (no s610 la calorifica) tiende a dispersarse hasta que se reparte equitativamente en todo el sistema.

Figura 6.2 Demostraci6n de un tipo conocido de energia: la energia de movimiento 0 cinetica.

94 UNl OAD I LOS PRIN CIPIOS DE LA VI DA CELU LAR

La entropia mide la cantidad de energia de un sistema dado que se ha dispersado. Emplearemos como ejemplo la sarten caliente en la cocina fria. Al fluir calor de la sarten hacia el aire circundante, la entropia del sistema aumenta. Esa entropia continua aumentando hasta que el calor se dis­tribuye unifonnemente en toda la cocina y deja de existir flujo neto de calor de un area a otra. El sistema ha alcan­zado ahora su maxima en tropia con respecto al calor (figura 6.3).

Al decir que la energia se dispersa, nos referimos a que el sistema tiende a cambiar hacia un estado de maxima entropia. El concepto de que la entropia aumenta esponta­neamente, es la segunda ley de la termodinamica. Cuando vemos una reducci6n de entropia, es de esperarse que haya ocurrido algun cambio de energia que haya dado lugar al mismo.

Los bi610gos us an el concep to de entropia aplicado a los enlaces quimicos, porque el flujo de energia al mundo de los seres vivos ocurre principalmente a traves de sintesis y ruptura de enlaces quimicos. LC6mo se relaciona la entro­pia con el enlace quimico? Pensemos en el en terminos de movimiento: dos atomos no enlazados pueden vibrar, girar y rotar en todos sentidos: tienen alta entropia con respecto al movimiento. Cuando se forma un enlace covalente entre atomos los restringe, de modo que se mueven menos que antes de enlazarse. Por 10 tanto, la entropia de dos atomos disminuye cuando se forma un enlace entre enos.

Los cambios de entropia son parte del motivo por el cual algunas reacciones ocurren espontaneamente y otros requieren de suministro de energia, como veremos en la siguiente secci6n.

0 0

0 0

co 0 '6.

0 e c 0 0 0 ill

0 energia calorifica

0 0

0 0 0

0

tiempo

Figura 6.3 La entropia se refiere a la "distribuci6n" de energia. La entropia tiende a aumentar, pero la cantidad total de energia permanece igual.

Figura 6.4 Se requieren mas de 10,000 libras de fr ijol de soya y maiz para criar un becerro de 1,000 libras. i.,A donde van las 9,000 libras restantes? EI cuerpo del animal descompone las moleculas de los alimentos para tener acceso a la energia almacenada en los enlaces quimicos y solo alrededor de 10% de esa energia se emplea para sintetizar masa corporal. Parte de la energia restante se emplea en actividades (como el movimiento) y la mayoria se pierde durante las transformaciones de energia.

EI fl ujo unilateral de energfa

Al transferirse energia de uno a otro sitio se produce tra­baja, y dichas transferencias de energia a menu do incluyen que W1a forma de energia se transforme en otra. Desde el punto de vista biol6gico, esta afirmaci6n implica que todos los organismos emplean la energia que obtienen del entom o para realizar trabajo celular. Por ejemplo, las ce­lulas fo tosinteticas de los productores captan energia solar y la transforman en energia quimica que se almacena en los enl aces de los carbohidratos. La mayoria de los organismos tienen acceso a la energia quimica almacenada en los enla­ces de los carbohidratos rompiendolos. Ambos procesos inclu yen muchas transferencias de energia .

Una parte de la energia escapa en cada transferencia, generalmente en forma de calor. Esta es otra forma de inter­pretar la segunda ley: las transferencias de energia no son totalmente eficientes. Por ejemplo, un foco incandescente tfpico transforma aproximadamente 5% de la energia de la elec tricidad a luz. La energia restante, alrededor de 95%, se escapa como calor que se irradia del foco. EI calor disper­sado no es lUuy util para realizar trabajo, ni se transforma con faci lidad a otra forma mas util de energia (como elec­tricidad ). Debido a que parte de la energia en toda transfe­rencia se dispersa como calor y este no es lltil para realizar trabajo, podemos decir que la cantidad total de energia disponible para realizar trabajo en el universo siempre disminuye.

LCanstituyen los seres vivos una excepci6n a este flu­jo depresivo? Un cuerpo organizado no esta disperso. La energfa se concentra en cada nuevo organismo a medida que se sintetizan moleculas de la vida y se organiza en ce lulas. No obstante, la segunda ley sigue siendo aplicable. Los seres vivos constantemente usan energia para crecer, desplaza rse, obtener nutrientes, reproducirse y otros proce-50S . Ocurren perdidas inevitables durante las transferencias de energia para mantener la vida (figura 6.4). A menos que dichas perdidas sean repuestas con energfa de otra fuente, la organizaci6n compleja de los seres vivos llegara a su fin. La mayor parte de la energia que da lugar a la vida sobre la Tierra es energia solar; el Sol ha perdido energia des de que se form6, hace 4.5 mil millones de ailos.

ENTRADA DE ENERGiA

La luz solar lIega a los entornos terrestres. Los productores de casi todos los ecosistemas captan y transforman la luz solar a diversas formas de energia almacenada. Estos y todos los demas organismos transforman la energia almacenada en formas que permiten realizar trabajo celular.

SALID A DE ENERGiA

En cada conversion hay un fluja unilateral de algo de energia que escapa de regreso al entarna. Se efectuan ciclos de nutrientes entre pracluctores y cansumidores.

Figura 6.5 Flujo unilateral de energia a los organismos vivos que compensa el flujo unilateral de energia que sale de ellos. EI suministro de energia impulsa el reciclado de mate­riales entre productores y consumidores.

En nuestro mundo la energia fluye del Sol a los produc­tores y despues a los consumidores (figura 6.5). Durante este viaje la energia cambia de forma y de ubicaci6n muchas veces. Cada vez algo de energia escapa como calor, hasta que tarde 0 temprano toda ella se dispersa irrevo­cablemente. Sin embargo, la segunda ley no dice con que rapidez ocurre esta dispersi6n. La dispersi6n espontanea de energia es evitada por los enlaces quimicos. Pensemos en todos los enlaces en las inc on tables moh~culas que cons­tituyen la piel, el coraz6n, el higado, los liquidos y otras partes del cuerpo. Gracias a estos enlaces, las moleculas y el cuerpa humano pennanece junto, por 10 menos durante cierto tiempo.

Para repasar en casa

i,Que es la energfa?

• La energia es la capacidad para realizar trabajo. Puede transformarse de uno a atro tipa, pera no se crea ni se destruye. • La energia tiende a dispersarse espontaneamente. • Los organismos mantienen su organizacion compleja solo mientras mantengan la energia que obtienen de atros sitios.

CAPiTULO 6 REGLAS BAslCAS DEL METABOLISMO 95

6.2 La energia en las moleculas de la v ida

• Todas las celulas almacenan y recuperan la energia de los enlaces quimicos de las moleculas de la vida. I:l Conexi6n con Formaci6n de enlaces 2.4, Carbohidratos 3.3, Nucle6tidos 3.7.

La energfa entra, la energfa sale

Como ya sabes, los enlaces quimicos unen a los Mom os para formar moleculas. Cuando las moleculas interactuan se forman y rompen enlaces quimicos. Una reaccion es el proceso por el cual ocurren estos cambios quimicos. En el curso de una reacci6n quimica, uno 0 mas reactivos (moleculas que participan en la reacci6n) cambian a uno 0

mas productos (moleculas que quedan al finalizar la reac­ci6n). Una reacci6n quimica suele representarse mediante una ecuaci6n (figura 6.6).

Todo enlace quimico contiene energia. La cantidad espe­cifica de energia que contiene cada enlace depende de los elementos que participan en el. Por ejemplo, el enlace cova­lente entre un Momo de hidr6geno y un Momo de oxigeno en cualquier molecula de agua siempre contiene la misma cantidad de energia. Esta es la cantidad de energia que se requiere para romperlo y tambien la cantidad de energia que se libera cuando se forma ese enlace.

La energia de enlace y la entropia contribuyen a la ener­gia libre de la molecula, que es la cantidad de energia dis­ponible (libre) para hacer trabajo.

En la mayoria de las reacciones, la energia libre de los reactivos difiere de la energia libre de los productos. Las reac­ciones en las cuales los reactivos tienen menos energia libre que los productos, requieren de un suministro neto de ener­gia para realizarse. Dichas reacciones reciben el nombre de endotermicas, 10 que significa "que requieren de energia" (figura 6.7a).

Las celulas almacenan energia realizando reacciones en­dotermicas. Por ejemplo, la energia (en forma de luz) impul­sa las reacciones generales de la fotosintesis, en las que el di6xido de carbono y agua se transform an en glucosa y oxi-

Reactivos Productos

2 H2 + 02 2 H2O (hidr6geno) (oxigeno) (agua) ..

4 atom os 2 atom os 4 alomos de hidr6geno de hidr6geno de oxigeno + 2 atom os de oxigeno

Figura 6.6 Contabilidad quimica. En las ecuaciones que represen­tan reacciones quimicas , los reactivos se escriben a la izquierda de una flech a que senala los productos. EI numero antes de la formula indica el numero de moleculas.

Los atomos cambian de ubicacion en la reaccion , pero no desapa­recen: el mismo numero de atomos que entra a la reacci6n continua alii cuando dicha reacci6n termina.

96 UNlOAD I LOS PR INCIPIOS DE LA VIDA CELU LAR

1 2 H2 + 02

j OJ

..0 ro

b Salida de '01 energia Q3 a Entrada de c OJ energia

Figura 6.7 Suministro y generaci6n de energia en reacciones quimicas.

(a) Las reacciones endotermicas requieren de sumi nistro de energia porque en elias las moleculas de energia libre mas bajas se trans­forman en moleculas de energia libre mayor.

(b) Las reacciones exergonicas producen energia porque transfor­man moleculas con energia libre alta en moleculas de energia libre menor. Investiga: i,Que ley de la termodinamica explica la entrada y salida de energia de las reacciones quimicas?

;1.81 8)8Wud 81 :8jS8nds81::/

geno. A diferencia de la luz, la glucosa puede almacenarse en el interior de la celula.

En otras reacciones, los reactivos tienen mas energia libre que los productos. Estas reacciones se llaman exer­gonicas, que significa "con salida de energia", porque en elias hay una liberaci6n neta de energia (figura 6.7b). Lao celulas tienen acceso a la energia libre de las moleculas rea­lizando reacciones exerg6nicas. Un ejemplo es el procesc general de respiraci6n aerobia, por el cual la glucosa reac­ciona con oxigeno y se transforma en di6xido de carbono y agua con producci6n neta de energia.

GPor que el mundo no term ina en un incendio?

Las moleculas de la vida liberan energia al combinarsE con el oxigeno. Por ejemplo, pensemos en una chispa qUE enciende una madera en una fogata. La madera prinCipal· mente es celulosa, un carbohidrato que consta de larga ~

cadenas de unidades repetitivas de glucosa (secci6n 3.3) Una chispa inicia la reacci6n que transforma la celulosa ) el oxigeno en agua y di6xido de carbono. Esta reacci6n e~ exerg6nica, y lib era suficiente energia para iniciar la mismc reacci6n de otras moleculas de celulosa y oxigeno. Por eso la hoguera continua prendida despues de que se enciende.

Si la Tierra es rica en oxigeno y en reacciones exerg6nica~ potenciales, Lpor que no estalla en llamas? Afortunadamenb se requiere energia para romper los enlaces quimicos de lo~ reactivos, aun en una reacci6n exerg6nica. La energia d, activacion es la cantidad minima de energia que permit! que se inicie una reacci6n quimica (figura 6.8). Es indepen

1

Reactivos: 2 H2 + 02

t 't!rencia de energia

libre entre lctlVOS y productos

EnerJ a de activaci6n

t

t _____________________ ~- ~~:=:;:;~

tiempo ----__

Figura 6 .8 Energia de activacion. La mayoria de las reacciones no proceden sin un suministro de energia de activacion, la cual se muestra en este caso como una joroba en la curva de energia. En este ejemplo, los reactivos tienen mas energia libre que los productos. La energia de activacion impide que este tipo de reacciones exergonicas se produzca espontaneamente.

diente de cualquier diferencia de energia entre reactivos y productos.

Tanto las reacciones endotermicas como exergonicas tienen una energia de activacion, cuya cantidad varia con la reaccion. Por ejemplo, el algodon de polvora 0 nitro­celulosa es un derivado de la celulosa altamente explosi­vo. Christian Schonbein descubrio accidentalmente como fabricarlo al emplear un mandil de algodon para limpiar <lcido nitrico derramado en la mesa de su cocina y des­pues colgarlo junto a un homo. El mandil exploto. Por ser un quimico de principios del siglo XIX, Schonbein tuvo de inmediato la idea de vender el algodon explosiv~ para armas de fuego, aunque se comprobo que era demasiado inestable. Se necesita tan poca energia de activacion para que el algodon de polvora reaccione con el oxigeno, que explota espontaneamente. LCua! fue su sustituto? La pol­vora, pues tiene una mayor energia de activacion para reac­cionar con el oxigeno.

EI ATP, la moneda energetica de las celulas

ATP Las celulas realizan reacciones pareadas de las cuales una requiere energia y otra la libera. El ATP forma parte de ese proceso en

diversas reacciones de las celulas. El ATP, 0 adenosln tri­fosfato, es un transportador de energia: acepta la energia liberada por reacciones exergonicas, y aporta energia a las reacciones endotermicas. El ATP es la principal moneda de la economia energetic a de la celula, de modo que podemos usaf una moneda de carton para representarlo.

EI ATP es un nucleotido que enlazado con tres grupos fos­fato (figura 6.9a). Los enlaces que unen a esos grupos fosfato contienen muchisima energia. Cuando se transfiere un grupo fosfa to del ATP a otra molecula, se transfiere energia Junto con eL Dicha energia constituye un "aporte" a una reaccion endotermica. La transferencia de un grupo fosfato se ll ama fosforilaci6n .

A Estructura del ATP (adenosin trifosfato).

adenina AMP ADP ATP I

ribosa -- P -- P -- P

B Esta molecula se ll ama ATP cuando tiene tres grupos fosfato. AI perder uno de estos grupos, la molecula recibe el nombre de ADP (adenosin difosfato); al perder dos grupos fosfato recibe el nombre de AMP (adenosin monofosfato).

.----( ATP

/ ~ las reacciones endotermicas el ATP impulsa otms

reconstituyen ATP reacciones endotermicas

~ fosfato + ADP /

C EI ATP se forma cuando en una reacci6n endotermica se produce un enlace covalente entre ADP y fosfato. La energia del ATP se transfiere a otra molecula junto con un grupo fosfato y se forma ADP nuevamente. La energia de las transferencias de este tipo impulsa reacciones endotermicas muy importantes para e l funcionamiento celular, como el transporte activo y la contracci6n muscular.

Figura 6.9 Animada EI ATP. La moneda energetica de todas las celu las.

Las celulas constantemente emplean ATP para reali­zar reacciones endotermicas, de modo que 10 reponen de manera constante. Cuando el ATP pierde un fostato, se forma ADP (adenosin difosfato) (figura 6.9b). El ATP se re­genera de nuevo cuando el ADP se enlaza con un fosfato en una reaccion endotermica. El ciclo de uso y reposicion de ATP se llama ciclo de ATP/ADP (figura 6.9c).

Para repasar en casa

i,C6mo utilizan energfa las celulas?

• Las celulas almacenan y recuperan energia formando y rompiendo enla­ces quimicos. • La energia de activacion es la cantidad minima de energia necesaria para que se in icie una reaccion quimica. • Las reacciones endotermicas no pueden realizarse sin un suministro neto de energia. Las reacciones exergonicas terminan con liberacion neta de energia. • EI ATP, es el principal portador de energia en toda celula; acopla reac­ciones que liberan energia con reacciones que la requieren.

CAPiTULO 6 REGlAS BAs lCAS DEL METABOLISMO 97

6.3 I Manera en que las enzimas provocan que las sustancias reaccionen

• Las enzimas hacen que ciertas reacciones ocurran mucho mas rapido de 10 que ocurririan por si sol as. c_ Conexiones con Temperatura 2.5 , pH 2.6, Estructura de las proteinas 3.5, Desnaturalizaci6n 3.6.

Como funcionan las enzimas

5e requeririan varios siglos para que el azucar se des­compusiera en dioxido de carbono y agua por si solo; sin embargo, esa misma conversion se realiza en pocos segun­dos dentro de una celula humana. Esto se debe a la pre­sencia de enzimas, las cu ales son catalizadores 0 moleculas que hacen que las reacciones quimicas procedan mucho mas rapido que por si solas. La mayo ria de las enzimas son proteinas, aunque algunas son ARN.

La mayoria de las enzimas no son consumidas ni se modifican al participar en una reaccion y pueden traba­jar en ella una y otra vez. Cada tipo de enzima reconoce y altera reactivos espedficos 0 sustratos. Por ejemplo, la enzima trombina escinde un enlace peptidico espedfico en la proteina llamada fibrinogeno.

Las cadenas de polipeptidos de las enzimas estan ple­gadas formando uno 0 mas sitios activos. Estos sitios son sitios en los cuales se enlazan los sustra tos y donde se efec­tuan las reacciones (figura 6.10). El sitio activo tiene forma, tamai\o, polaridad y carga complementarios al sustrato. Esa adaptacion es el motivo por el cual la enzima actua solo con sustratos espedficos.

B Una glucosa y un fosfato se encuentran en el sitio activo de la hexocinasa, el microentorno que alienta estas moleculas a reaccionar.

sitio activo __ reactivo( s)

I

I. enzlma producto(s)-.

A La hexocinasa es una enzima que une grupos fosfato con la glucosa y otros azu­cares con ayuda del ATP.

C La glucosa un ida al fosfato. EI producto de esta reacci6n, glucosa-6-fosfato, se muestra saliendo del sitio activo.

Figura6.10 Sitio activo de una enzima.

98 UNIDAD I LO S PRINCIPIOS DE LA V IDA CELU LAR

1 Energia de activat i6n en ausencia de la enzima

t reactivos

tiempo ------+

t Energia de activacion con

.. enzima presente

productos

Figura 6.11 j),nir(wda Una enzima aumenta la velocidad de una reacci6n reduciendo su energia de activaci6n. Investiga: i, Es energ6nica 0 exerg6nica esta reacci6n? fJ:J1u9BJ8X8 :eis8nds8/:J

La energia de activacion se asemeja a una colina que debe ser escalada por reactivos para llegar al lade de los productos. Al hablar de energia de activacion, en realidad nos referimos a la energia necesaria para romper los enlaces de los reactivos. Dependiendo de la reaccion, dicha energia puede obligar a que los sustratos se acerquen, redistribuir su carga, 0 causar alglin otro cambio. EI cambio produce un estado de transicion, en el cual los enlaces del sustrato alcanzan su punto de ruptura y la reaccion comienza a darse espontaneamente para formar productos. Las enzimas per­miten que se alcance el estado de transicion reduciendo la energia de activacion (figura 6.11). Para ello recurre a cuatro mecanismos, que funcionan solos 0 en combinacion.

Ayuda para que los sustratos se unan A medida que las moleculas de sustrato estan mas cerca unas de otras, tienen mas probabilidades de reaccionar. El enlace con un sitio activo es tan eficaz como llevar a los sustratos 10 millones de veces mas cerca uno de otro.

Orientaci6n de sustratos en posiciones que favorecen

la reacci6n Por si solos, los sustratos chocan en sentido aleatorio. En contraste, cuando se enlazan con un sitio ac­tivo, los sustratos se posicionan alineados adecuadamente para la reaccion.

Introducci6n de adaptaci6n entre enzima y sustrato

Por el modelo de adaptacion inducida, el sustrato no es totalmente complementario con el sitio activo. La enzima restringe al sustrato, alargandolo 0 apretandolo en una forma que a menu do permite que termine cerca de un grupo reactivo u otra molecula. AI obligar al sustra to a adaptarse al sitio activo, la enzima favorece el estado de transicion.

Expulsi6n de mol.kulas de agua EI metabolismo ocurre en liquidos acuosos, pero las moleculas de agua pueden interferir en ciertas reacciones. Los sitios activos de algu­nas enzimas repelan el agua, manteniendola alejada de las reacciones.

Efectos de la temperatura, el pH y la salinidad

Agregar energia en forma de calor aumenta la energia libre p~r esto, en parte, el movimiento molecular aumenta con la temperatura (secci6n 2.5) . A medida que la energia libre de los reactivos es mayor, la reacci6n se encuentra mas cer­ca de su energia de activaci6n. De este modo, la velocidad de una reacci6n enzimatica de manera tipica aumenta con la temperatura, pero s610 hasta determinado punto. Las enzimas se desnaturalizan por arriba de una temperatura caracterfstica. Despues, la velocidad de reacci6n desciende marcadamente mientras que la forma de la enzima cambia y deja de funcionar (figura 6.12). Por ejemplo, una enzima de 42°C, afecta a muchas de las enzimas del cuerpo, es por es to que este tipo de fiebre es tan peligroso.

La tolerancia de las enzimas al pI I es variable. En el cuerpo humano la mayoria de las enzimas funcionan mejor con un pH de 6 y 8. Por ejemplo, la molecula de hexocinasa de la Figura 6.10 es mas activa en areas del intestino delgado donde el pH es cercano a 8. Algunas enzimas, como la pep­sina, funcionan fuera del rango tipico de pH. La pepsina s610 funciona en Hquido estomacal, donde descompone las protefnas de los a limentos . Este Hquido es muy acido, con un pH cercano a 2 (figura 6.13).

La actividad de una enzima tambien depend e de la can­tidild de sal en el Hquido circundante. El exceso 0 escasez de sal interfiere con la formaci6n de puentes de hidr6geno que mantienen a la enzima en forma tridimensional.

Ayuda de cofactores

Los cofactores son atomos 0 moleculas (distintas de las pro­tefnas) que pueden asociarse con enzimas n ecesarias para su funcionamien to. Algunos de eHos son iones metalicos. Los cofactores organicos se Haman coenzimas. Casi todas las vitaminas son coenzimas 0 precursores de ellas.

Emplearemos la enzima Hamada catalasa como ejemplo del flmcionamiento de los cofactores. Igual que la hemo­globina (secci6n 3.6), la catalasa tiene cuatro grupos hemo. EI Momo de hierro en el centro d e cada grupo hemo es un cofactor. El hierro, como otros atomos metaIicos, afecta a los electrones de las moleculas cercanas. La catalasa fun­ciona manteniendo una molecula de sustrato cerca de uno de sus atomos de hierro, el cual jala los electrones del sus­trilto lIevandolo al estado de transici6n.

La catalasa es un antioxidante, es decir, neutraliza los radicales libres, los cuales son atomos 0 moleculas que pre­sentan uno 0 mas electrones desapareados. Estos peligrosos residuos de las reacciones metab6licas atacan la estructura de las moleculas biol6gicas. Los radicales libres se acumu­Ian Cllilndo envejecemos, en parte porque el cuerpo fabrica menos moleculas de catalasa.

Algunas enzimas estan enlazadas fuertemente con una enzima. Otros, como NAD+ y NADP+, pueden difundirse Con libertad por el citoplasma. A diferencia de las enzi­mas, muchas coenzimas se modifican en el curso de una reacci6n.

1 CIl U

~ E N c (j)

U CIl

U

.~ (3 CIl

tirosinasa normal ---n'

tirosinasa sensible a

AfI .... ...---la temperatura

Figura 6.12 La enzima tirosinasa participa en la produccion de melanina, pig­mento negro en las celulas de la piel. Normalmente la actividad de la tirosinasa aumenta con la temperatura entre 20°C y 40°C. Las mutaciones provocan que la actividad de tirosinasa descienda mucho a temperaturas normales del cuerpo. La mutacion de los gatos siameses, la inactiva en las partes mas calidas del cuerpo del gato, el cual presenta menos melanina en esos sitios y por 10 tanto, piel mas clara.

I CIl U

~ E 'N c (j) pepsina u CIl u :~ (3 CIl

2 3 a pH

gluc6geno fosfo rilasa

4 5 6 7 8 9 10 11

Figura 6 .13 Las enzimas y el pH. (a) Manera en que los valores de pH afectan a tres enzimas. (b) Plantas carnivoras del genero Nepenthes que crecen en habitats pobres en nitrogeno. Secretan acidos y enzimas que digieren proteinas a manera de liquido en una hoja modificada en forma de copa. Estas enzimas liberan nitrogeno para presas pequeiias, como los insectos, que son atraidos por el olar del liquido y se ahogan en el. Una de estas enzimas similar a la pepsina funciona mejor a pH 2.6.

Para repasar en casa

,:,C6mo funcionan las enzimas?

ill! Las enzimas aumentan considerablemente las velocidades de reaccio­nes especificas. Cuando un sustrato se enlaza con el sitio activo de una enzima alcanza su estado de transicion, en el cual los enlaces del sustrato alcanzan el punto de ruptu ra.

• Cada enzima funciona mejor a ciertas temperaturas, pH y concentraci6n de sal.

• Los cofactores se asocian con las enzimas y ayudan a su funcionamiento.

CAPiTU LO 6 REGlAS BASICAS DEL METABOLI SMO 99

6.4 I EI metabo lismo: reacc iones organizadas mediadas por enzimas

• EI ATP, las enzimas y otras moleculas interactuan en las vias organizadas del metabolismo. II Conexi6n con Electrones 2.3, Metabolismo 3.2, Aminoacidos 3.5, Protein as de membrana 5.2.

Tipos d e v fas met ab6 1i cas

El metabolismo, como recordaras, se refiere a las activi­dades en las cuales las celulas obtienen y usan energia (secci6n 3.2). Cualquier serie de reacciones mediadas por enzimas en la cual la celula sintetice, reordene 0 rompa una sustancia quimica se llama Ul1a via metab6lica. Las vias en las que se sintetizan moleculas de mayor tamano a par-

activadar alosterico inh ibidar alosterico

sitio alosterico de enlace vacio

I activo de la enzima sitio alosterico de enlace

el sustrato no puede enlazarse

vacio, el sitio activo puede enlazarse con el sustrato

- --x--sitio activo alterado, el

a sustrato puede en lazarse b

el sitio activo esta alterado y no puede enlazarse con el sustrato

Figura 6.14 Animada Ejemplos de control alosterico. (a) EI sitio activo se hace funcional cuando se enlaza con un activador. (b) EI sitio activo deja de trabajar cuando se enlaza con un inhibidor.

enz i~enzima30~nzima ~

sustrato

EI exceso de moleculas de producto terminal se enlaza con las moleculas de fa enzima que catali za el primer paso de esta via. A medida que el exceso es mayor, una can tid ad mas alta de moleculas de enzima queda inhibida y se sintetiza menos producto.

enzima 5

producto final

Figura 6.15 AnimClda Inhibici6n por retroali mentaci6n En este ejem­plo, cinco tipos de enzimas actuan de manera secuencial para transfarmar un sustrato en producto, el cual inhibe la actividad de la primera enzima.

100 UNIDAD I LOS PRINCIPIOS DE LA VIDA CELULAR

tir de otras mas pequei\.as son de biosintesis 0 anab6licas . O tras vias en las que las moleculas se rompen son degrada­tivas 0 catab6licas.

Muchas vias metab6licas son lineales, es decir, van di­rectamente de reactivos a productos. Otras estan rami­ficadas: sus intermediarios pueden continuar en mas de una secuencia de reacciones. Otras mas son cidicas; en el llitimo paso se regenera un reactivo para el primer paso. Por ejemplo, ocurre una via cidica durante la segunda etapa de la fotosintesis. El punto inicial para la reacci6n es en Ia molecula llamada RuBP; en la ultima reacci6n de Ia via un intermediario se transforma en otra molecula de Ru BP.

Controles de l metabolismo

Las reacciones enzimaticas no se producen lmicamente de los reactivos hacia los productos. Tambien pueden pro­ducirse en sentido inverso de manera sirnultanea, y parte de los productos se transformara de nuevo en reactivos. Las velocidades de Ia reacci6n hacia Ia derecha y hacia la izquierda a menudo dependen de las concentraciones de reactivos y productos: una concentraci6n elevada de reac­tivos impulsa Ia reacci6n en sentido contrario. Una concen­traci6n alta de productos impulsa la reacci6n en sentido opuesto.

Las celulas conservan energia y recursos sintetizando 10 que necesitan (no mayores 0 menores cantidades) en cualquier momento. L C6mo ajusta Ia celula el tipo y la cantidad de moleculas que produce? Los mecanismos de retroalimentaci6n ayudan a Ia celula a conservar, aumentar o reducir su producci6n de miles de sustancias distintas. Algunos de estos mecanismos ajustan la rapidez con que se sintetizan moleculas de enzima. Otros activan 0 inhiben enzimas ya sintetizadas.

En algunos casos, las molecllias que se enlazan con Ia enzima Ia activan 0 inhiben directamente. Muchas molecu­las regulatorias se enlazan no con el sitio activo, sino con un sitio alosterico de Ia enzima. EI sitio alosterico es una regi6n de Ia enzirna distinta del sitio activo que puede enlazarse con moleculas regulatorias (a lo- significa otro; sterico significa estructura). EI enlace con un regulador alos­terico aHera Ia forma de la enzima de manera que aumenta o inhibe su funcionamiento (figura 6.14).

Los efectos alostericos provocan inhibicion por retroa­limentaci6n, en la cual el producto final de una serie de reacciones enzimaticas inhibe a la primera enzima de la serie (figura 6.15). Por ejemplo, Ia isoleucina inhibe su propia sin tesis, de modo que las celulas fabric an mayores cantidades de este aminoacido cuando su concentraci6n en el citoplasma dedina . Las celli las consumen sus reser­vas de isoleucina y otros aminoacidos (bloques constituti­vos de las proteinas) durante la sintesis proteica (secci6n 3.5). Cuando la sintesis de proteina se hace mas lenta, se incorpora menos isoleucina a las proteinas, de modo que ese aminoacido se acumula. La isoleucina no empleada se enlaza con un sitio alosterico de una enzima de su propia via de sintesis. Este enlace modifica Ia forma de la enzima, de modo que se forma menos isoleucina. Cuando la celllJa

glucosa

oxigeno

e ~.-----------------

Gracias a la energia la glucosa se divide en dioxido de carbono, electrones e iones hidrogeno (H+).

.------------ 2 Los electrones pierden energia al desplazarse por la cadena de transferencia de electrones.

La energia liberada por los electrones es utilizada para realizar trabajo celular.

~ 4 Los electrones, protones y el oxigeno se agua combinan para formar agua.

A La gl ucosa reacciona con oxigeno cuando se expone a una chispa. 5e libera energia inmediatamente al formarse CO2

yagua.

B La misma reaccion general ocurre en pasos mas pequeiios en una cadena de transferencia de electrones. 5e libera energia en cantidades que las celulas pueden ulilizar para el funcionam iento celu lar, como la contraccion muscular 0 el transporte activo.

Figura 6.16 Anirllada Liberacion de energia sin control en comparaci6n con liberaci6n controlada de energia.

com ienza a sintetizar proteinas de nuevo, utiliza la isoleu­cin il acumulada hasta que todos los sitios alostericos de las 1ll01eculas enzimaticas quedan liberados. Entonces, se ini­Ciil de nuevo la sintesis de isoleucina.

Reacc iones redox

Cuando una molecula de glucosa se descompone en agua y dioxido de carbono, repentinamente libera energia de Illanera explosiva (figura 6.16a). Las explosiones no son buenas para las celulas. La tinica manera en que las celu­las p ued en cap tar energia de la glucosa es rompiendo la molecula a traves de pasos mas pequeftos y manejables. La mayoria de ellos son reacciones de oxidorreduccion. En cada una de estas reacciones "redox", una molecula ilcepta electrones (se reduce) y otra molecula (la cual se oxida). Para recordar 10 que significa la palabra reducido, pensemos en que en la carga negativa de un electr6n " red uce" la carga de una molecula receptora. Pensemos en la x de la palabra oxidaci6n como un signo +, que repre­senta el aumento de carga que ocurre cuando la molecula pierde lm electr6n.

Las coen zimas son algunos de los diversos tipos de molecula s que aceptan electrones en las reacciones redox, que tambien se lIaman reacciones con transferencia de electrones. En los pr6ximos dos capitulos, aprenderas la importancia de las reacciones redox en las cadenas de transferencia de electrones. Una cadena de transferencia de electrones es una serie organizada de pasos de reac­cion, en las cuales arreglos de enzimas enlazados con la membrana y otras moleculas ceden y aceptan electrones mutuamente. Los electrones tienen un nivel energetico mas alto al entrar a la cadena que al salir de ella. Imagina que los electrones estuvieron descendiendo una escalera y que perdieron un poco de energia en cada escal6n (figura 6. 1(11) .

nutrientes (carbohidratos,

grasas, proteinas)

bioilloleculas

productos de Reacciones con liberaci6n de energfa descoillposici6n

coen::a~ (por 8jemplo, dloxldo

de carbono; agua)

oXldadas ~

t co~nzlmas Vucldas

Illohkulas organicas pequeiias Reacciones que requieren energfa

Figura 6.17 EI ATP se forma en reacciones con Ii beraci6n de energia, y despues aporta energia a reacciones que la requieren. Las coenzimas (NAD+, NADP+ y FAD) aceptan electrones e hidrogeno de reacciones donde se libera energia. Las coenzimas (reducidas a NADH, NADP Y FADH,) aportan su carga de electrones e hidrogeno a reacciones que requieren de energia.

Muchas coenzimas aportan electrones a cadenas de transferencia electr6nica en la fotosintesis y la respiraci6n aerobia. La energia liberada en ciertos pasos de esas cade­nas ayuda a impulsar la sintesis de ATP. En la figura 6.17 se muestran generalidades sobre c6mo conectan el ATP y las coenzimas las vias de liberaci6n de energia con las que requieren energia. En los pr6ximos capitulos examinare­mos en mas detalle estas vias.

Para repasa r en casa

i,Que son las vIas metab6licas?

• Las vias metab6licas son secuencias de reacciones mediadas por enzi­mas. Algunas son de biosintesis y otras son de degradaci6n.

• Los mecanismos de control aumentan 0 inhiben la actividad de muchas enzimas. Estos ajustes ayudan a que las celulas produzcan solo 10 que necesitan en un intervale dado. • En muchas vias metab61icas se producen transferencias de electrones 0 reacciones de oxidorreducci6n. Las reacciones redox ocurren en cadenas de transferencia de electrones. Las cadenas con sitios importantes para intercambio de energia en la fotosintesis y la respiraci6n aerobia.

CAPiTULO 6 REGl AS BAs lCAS DEL METABOLISMO 101

Luces nocturnas

III La bioluminiscencia es evidencia del metabolismo.

Conexiones con Marcadores 2.2, Biopeliculas 4.5.

Enzimas de bioluminiscencia Por la noche, las aguas tibias de los mares tropicales 0 el aire durante el vera no en campos y jardines, brillaran con Iuces parpadeantes. Esta luz, emitida por reacciones metab61icas en organismos vivos, constituye la bio­luminiscencia (del griego bio-, vida y del latin lumen, bri llar). En diferentes especies ayuda a atraer a companeros 0 presas, 0 a confu ndir a depredadores.

Los organ ismos bioluminiscentes emiten luz cuando las enzimas IIamadas luciferasas transforman la energia de enlaces quimicos en energia luminosa ( Iuciferasa es un termino gene­rico que se refiere a muchas enzimas distintas). En la Figura 6 .18

se muestra la luc iferasa de una luc iernaga, una enzima sens ible a la temperatura que emplea ATP para excitar a una molecula de pigmento emisora de luz. Cualquier sustrato de la luc iferasa se llama luc iferina:

luc iferina + ATP ~ luc ifer ina-AOP + Pi

Excitada por la transferencia, la luciferina modificada libera espontaneamente la energia adicional a manera de luz:

luciferina-AOP + 0 2 ~ oxiluciferina + AMP + CO2

+

Oiferentes luciferinas emiten colores en todo el espectro de la luz visible, desde el rojo al anaranjado, amarillo, verde, azu l y purpura. Algunas emiten inclusive luz infrarroja 0 ultrav ioleta.

Conexi6n con la investigaci6n Muchas especies de protistas, hongos, bacterias, insectos, medusas y peces son biolumi­niscentes. Los investigadores pueden transferir genes para biolumin iscenc ia de una de estas especies a otra especie no luminiscente, de modo que el organismo receptor se ilumina

ENFOQUE EN INVESTIGACION

Figura 6.19 Biopelicula bioluminiscente. Estas bacterias son transformadas para que porten genes bioluminiscentes de una espe­cie de medusa.

en ciertas condiciones. Pod ria parecer que fabri ca r organismos que brillen parece algo extrano, sin embargo, los invest igadores utilizan la bioluminiscencia como un marcador v isible en diver­sos experimentos.

Por ejemplo, las bacterias Escherichia coli de la Figura 6.19

son receptores para genes de una medusa bi oluminiscente tipica. La luz b ioluminiscente que emiten estas ce lulas indica su act ividad metab6lica. Las diferencias de intensidad luminosa de celulas ind iv iduales reflejan diferencias reales de activ idad

metab61ica entre las ce lulas de esta biopelicula. Estas bacterias son identicas desde el punto de v ista genetico. GC6mo es posi ­ble que difiera la actividad metab61ica ent re ella? Sin duda la respuesta es que el metabolismo de cada celula depende de su

ub icaci6n dentro de la biopelicula. Este tipo de invest igaciones podrian ayudarnos a descubrir por que algunas celulas bacte­

rianas, y no otras, adquieren resistenc ia con los ant ibi6t icos y pueden establecer infecciones a largo plazo en humanos.

Figura 6.18 Bioluminiscencia. Izquierda, luciernaga de America del Norte (Photinus pyralis) emite luz de su organa luminoso que contiene peroxisomas empacados con moleculas de luciferasa. Estas emisio­nes de luz quiza ayuden a sus com pan eros sexuales potenciales a encontrarse en la oscuridad. Oerecha, estructura de la luc iferasa de una luciernaga.

102 UN lOAD I LOS PRINCIPIOS DE LA VIDA CELULAR

REPASO DE IMPACTOS Y PROBLEMAS I Un br indi s por el alcohol deshidrogenasa En el cuerpo humano, el alcohol deshidrogenasa (ADH) transforma el etanol en acetaldehido, molecula orgElnica aun mas t6xica que el eta­nol y posible fuente de diversos sintomas de la Ilamada "cruda":

H H I I ADH

H 0 I II

H-C-C-H + NADH H-C-C-OH + NAD+ ---c~ I I I

H H (etanol)

H

(acetaldehldo)

Otra enzima Ilamada aldehido deshidrogenasa (ALDH) , transforma con gran rapidez el acetaldehido t6xico en acetato no t6xico:

H 0 I II ALDH

H 0 I II

H-C-C-H + NAD+ ---~ H-C- C-O- + NADH + H+ I I

H

(acetaldehido)

H

(acetato)

Por 10 tanto, la via general de metabolismo del etanol en los humanos

es:

ADH ALDH etanol 7 """,. acetaldehido 7 """,. acetato

NAD+ NADH NAD+ NADH

En el cuerpo de un adulto humano promedio esta via metab6lica puede desintox icar entre 7 y 14 gramos de etanol por hora. Una bebida alco­h61ica promedio contiene entre 10 y 20 gramos de etanol , y por 10 que, si se tom a mas de una bebida en un intervalo de dos horas, se puede padecer una "cruda".

La mayoria de los organismos tienen alcohol desh idrogenasa, que desintoxica las diminutas cantidades de alcoholes que se fo rman en algunas vias metab6licas. En los animales, esta enzima tambiEm desin­toxica los alcoholes sintetizados por bacterias que habitan en el intes­tina y en algunos alimentos como los frutos maduros.

A pesar de las pequenas cantidades de alcohol con las que los hu­manos se encuentran naturalmente, el cuerpo sintetiza por 10 menos nueve tipos distintos de alcohol deshidrogenasa. Es interesante es­pecular por que evolucionaron tantos de ellos.

Ya entendemos que algunas mutaciones del pueden afectar el meta­bolismo del alcohol. Por ejemplo, algunas mutaciones provocan que una de las enzimas ADH sea excesivamente activa, 10 cual causa que el acetaldehido se acumule mas rapidamente de 10 que ALDH puede desintoxicarlo.

ADH

etanol ----l.~ acetaldehido ALDH ----l.~ acetaldehido • acetato ---.... acetaldehido

Las personas que portan este tipo de mutaci6n quedan ruborizadas y se sienten muy mal cuando be ben inclusive cantidades pequenas de alcohol. Esta experiencia desagradable pod ria ser en parte el motivo de que este tipo de personas tengan menos probabilidades de hacerse alcoh61icas que otras.

Otras mutaciones que provocan que ALDH sea subactiva, tam bien ocasionan que el acetaldehido se acumu le:

etanol ADH acetaldehido

----c.~ acetaldehido --)(- acetato acetaldehido

. . Algunas personas sufren dana hepatico por haber bebido demasiado alcohol; otras padecen infecciones que danan el higado. No hay suficientes donadores para todos aquellos que aguardan a un trasplante de higado. (,Crees que el estilo de vida debe ria tomarse en cuenta para decidir quien recibe un trasplante? Ve mas detalles en CengageNOW y vota en linea.

Estas mutaciones se asocian con el mismo efecto (y la misma protec­ci6n contra el alcoholismo) que las mutaciones que ocasionan que ADH sea sobreactiva. Ambos tipos de mutaciones son comunes en personas de ascendencia asiatica. Por este motivo, la reacci6n que provoca ruborizaci6n al beber alcohol se denomina "rubor asiatico".

Las mutaciones que alteran la actividad de la enzima ADH produ­cen un efecto opuesto. Dichas mutaciones ocasio nan un metabolismo mas lento del alcohol y las personas que las presentan quiza no per­ciban los efectos nocivos de beber bebidas alcoh61icas tanto como otras; tienden a hacerse alcoh6licos. En el estudio men cion ado al prin­cipio del capitulo decimos que la cuarta parte de los estud iantes que consume alcohol de manera excesiva por periodos, present6 otras senales de alcoholismo.

Los alcoh61icos continuan bebiendo a pesar de saber que el hacerlo produce considerables consecuencias daninas para el orga­nismo. En Estados Unidos, el abuso del alcohol es la principal causa de cirrosis hepatica. En estos casos, el higado queda cubierto por tejido cicatricial, endurec ido y Ileno de grasa, por 10 que deja de fun­cionar (figura 6.20), ya que no puede sintetizar la proteina albumina 10 que causa que el balance de soluto en los liquidos corporales se altere y que las piernas y el abdomen se hinchen de liquido acuoso. En estos casos, el higado no puede eliminar drogas y otras toxinas de la sangre, de modo que estas se acumulan en el cerebro, alterando el funcionamiento mental y la personalidad. La restricci6n de flujo de sangre por el higado provoca que las venas aumenten de tamano y se rompan . De modo que otro riesgo es la hemorragia interna. Los danos al cuerpo se producen por aumento de susceptibilidad a la diabetes y cancer hepatico. Una vez que se diagnostica cirrosis a una persona esta tiene aproximadamente 50% de probabilidades de morir en los pr6ximos 10 anos.

Figura 6.20 Enfermedad hepatica producida por el alcohol. (a) Higado humano. (b) Higado cirr6tico de un alcoh61ico amplifi­cado. Hasta dos bebidas alcoh6licas al dia pueden ocasionar esta enfermedad.

CAPiTULO 6 REGlAS BAslCAS DEL METABOLISMO 103

Resumen Secci6n 6 .1 La energia se define como la capacidad para rea­lizar un trabajo. La energia no se crea ni se destruye (primera ley de la termodinamica), pero puede transformarse de una a otra forma y transferirse asi entre objetos y sistemas. La energia tiende a dispersarse espontaneamente (segunda ley de la ter­modinamica). En cad a trasferencia de energia se dispersa una parte de esta, generalmente en forma de calor.

Todos los seres vivos mantienen su organizaci6n s610 mien­tas pueden obtener energia en otros sitios. La energia fluye en un sentido a traves de la biosfera, procediendo principalmente del Sol, entrando y saliendo de los ecosistemas. Los producto­res y despues los consumidores emplean la energfa para sin­tetizar, reordenar y descomponer moleculas organicas que se reciclan entre los organismos de los ecosistemas.

Secci6n 6 .2 Las celulas almacenan y recuperan energia libre sintetizando y rompiendo enlaces qufmicos a traves de reac­ciones metab6licas, en las cuales los reactivos se transforman en productos (tabla 6.1). La energia de activacion es la energia minima necesaria para que una reacci6n se inicie . Las reaccio­nes endotermicas requieren de suministro neto de energia. Las reacciones exergonicas producen liberaci6n neta de energia.

El ATP es un transportador de energfa en sitios de reacci6n en las celulas. Tiene tres enlaces fosfato; cuando transfiere un fosfato a otra molecula, la energfa del enlace se transfiere junto con el. Las transferencias de grupos fosfato (fosforilaciones) a reacciones acopladas con ATP liberan energfa que es utilizada en reacciones que la requieren. Las celulas regeneran ATP a tra­yes del cicIo de ATP/ADP.

III Usa la animacion de CengageNOW para aprender c6mo se modifica la energia en las reacciones quimicas y el papel del ATP

Secci6n 6 .3 Las enzimas son protefnas 0 ARN que aumen­tan considerablemente la velocidad de una reacci6n quimica. Las enzimas reducen la energia de activaci6n de la reacci6n aumentando la concentraci6n local de sustratos, orientandolos

Tabla 6.1 Principales participantes en las reacciones metab61icas

Reactivo La sustancia que participa en una reacci6n metab61ica tam bien se llama sustrato de una enzima.

Intermediario Sustancia que se forma en una reacci6n 0 via entre reactivos y productos.

Producto Sustancia que queda al final de una reacci6n o via.

Enzima Proteina 0 ARN que aumenta considerablemente la velocidad de una reacc i6n, pero no se modifica al participar en ella.

Cofactor Molecula 0 ion que ayuda a las enzimas; puede transportar eleclrones, hidr6geno 0 grupos funcionales a olros sitios de reacci6n.

Portador Principalmenle ATP; acopla reacciones donde de energia se libera energia con reacciones que requieren

de energia.

104 UNIDAD I LOS PR INCIPIOS DE LA V IDA CELULAR

en posiciones que favorecen la reacci6n, induciendo la adap­taci6n entre el sustrato y el sitio activo de la enzima (modelo de adaptacion inducida), y en ocasiones excluyendo al agua, y todo esto lleva al sustrato al estado de transicion. Cada tipo de enzima funciona mejor en un rango caracteristico de tem­peratura, concentraci6n de sal y pH. La mayoria de las enzi­mas requiere la ayuda de cofactores, que son iones metalicos 0

coenzimas organicas. Los cofactores de algunos antioxidantes ayudan a la desintoxicaci6n de radicales libres.

II Usa la animacion y la interaccion de CengageNOW para investigar c6mo facilitan reacciones las enzimas.

Secci6n 6.4 Las celulas concentran, convierten y disponen de la mayoria de las sustancias a traves de secuencias de reaccio­nes medidas por enzimas llamadas vias metabolicas. Los sitios alostericos son puntos de control, en los cuales la celula ajusta el tipo y la cantidad de sustancias que sintetiza. Un ejemplo de control enzimatico es la inhibicion por retroalimentacion. Las reacciones de oxido-reduccion (redox) en cadenas de trans­ferencia electronic a permiten que las celulas cosechen energfa en incrementos manejables.

Ill! Usa la animacion de CengageNOW para comparar el efecto de liberacion de energia contralada y no contralada y observar mecanismos que ejercen contral sobre las enzimas.

Secci6n 6 .5 La bioluminiscencia es la luz emitida por orga­nismos vivos. La mayor parte de la misma es producto de reac­ciones mediadas por enzimas en las que a menudo participa el ATP.

Autoevaluaci6n Respuestas en el apendice III

1. ______ constituye la Fuente primaria de energfa para la vida.

a. los alimentos b. el agua c. la luz solar d . el ATP

2. La energfa _______________ _ a. no se crea ni se destruye b. cambia de una forma a otra c. tiende a dispersarse espontaneamente d. todos los anteriores

3. La entropia . . (Elige todas las respuestas correctas.) a. se dispersa c. siempre aumenta en general b. es una medida del desorden d. es energia

4 . Si consideramos que una reacci6n quimica es similar a una colina de energia, entonces una reacci6n seria como correr colina arriba.

a. endotermica c. con ayuda de ATP b. exerg6nica d. tanto a como c

5 . Si consideramos que una reacci6n quimica es como una colina de energia, entonces la energia de activaci6n seria similar a ____ _

a. un periodo de alta velocidad b. una joroba en la parte superior de la colina c. descender lentamente la colina d . tanto a como b

6 . siempre se intercambian participando en una reaccion. (Elige todos los correctos.)

a. Las enzimas c. Los reactivos b. Los cofactores d. Los intermediarios

7. Las enzimas _______ _ a. son todas proteinas, excepto algunos ARN b. reducen la energia de activacion de una reaccion c. se modifican en las reacciones que catalizan d. a y b

Ejercicio de analisis de datos

EJ etanoJ es una toxina, de modo que tiene sentido que beberlo provoque varios sintomas de intoxicacion: cefalea, dolor estoma­cal, nausea, fahga, alteraclOnes de la memona, mareo, temblores y d iarrea, entre otros. Todos estos son sintomas de "Ia resaca", paJabra que se emplea comlinmente para describir 10 que ocurre mientras el cuerpo se recupera de un periodo en que se bebio en exceso.

EJ tratamiento mas eficaz para la "cruda" es evitar beber en primer lugar. Algunos remedios comunes (como aspirin a, cafe, pJManos, mas alcohol, miel, cebada, pizza, malteadas, glutamina, huevos crudos, tabletas de carbon 0 col) abundan, pero pocos de ellos han sido estudiados cientificamente. En 2003, Max Pittler y colaboradores probaron uno de ellos. Los investigadores dieron a 15 participantes una pfldora no marcada que contenia extracto de alcachofa, 0 un placebo (sustancia inactiva), justo antes 0 despues de beber suficiente alcohol como para provocar una cruda. Los resultados se muestran en la figura 6.2l.

1. LCuantos participantes experimentaron una cruda mas aguda con pJacebo que con el extracto de alcachofa?

2. LCuantos participantes experimentaron una cruda mas aguda con el extracto de alcachofa?

3. CalcuJar la cantidad encontrada en las preguntas 1 y 2 con un porcentaje del numero total de participantes. L Cmlnta diferencia hay entre estos porcentajes?

4. LComo apoyan estos datos la hipotesis de que el extracto de alcachofa es un tratamiento eficaz contra la cruda? LPor que 10 apoyan 0 no 10 apoyan?

8. LCml1 de las siguientes afirmaciones no es correcta? Una via metabolica ___ ___ _ a. es Lma secuencia de reacciones mediadas por enzimas b. puede ser de biosintesis 0 degradacion c. genera calor d. puede incluir una cadena de transferencia de electrones e. ninguno de los anteriores

9. Una molecula que dona electrones se _______ , y la que acep ta electrones se _____ _

a. reduce; oxida c. oxida; reduce b. reduce; reduce d. oxida; oxida

10. Un radicallibre es un atomo 0 molecula que _____ _ a. no tiene carga b. tiene demasiados electrones c. tiene un eJectron desapareado d. tiene muy pocos electrones

11 . Un antioxidante es una molecula que _____ _ a. desintoxica los radicales libres b. degrada toxinas c. baJancea carga d. oxida radicales libres

12. Relaciona cada termino con la descripcion mas adecuada. __ Reactivo a. ayuda a las enzimas __ Enzima b. se encuentra alii al finalizar

__ Entropia _ _ Producto _ _ Reaccion redox

_ _ Cofactor __ Primera ley

Visita

la reaccion c. participa en una reaccion d. aumenta espontaneamente e. la energia no se crea ni se

destruye f. una forma de dar y recibir

g. generalmente no sufre modificaciones al participar en una reaccion

para preguntas adicionaies.

Participante Severidad de la c ruda

(edad, genero) Extracto de alcachofa Placebo

1 (34, F) 1.9 3.8

2 (48 , F) 5.0 0.6

3 (25, F) 7.7 3.2

4 (57, F) 2A 4A 5 (34, F) 5A 1.6

6 (30, F) 1.5 3.9

7 (33, F) lA 0.1 8 (37, F) 0.7 3.6 9 (62, M) 4. 5 0.9

10 (36, M) 3.7 5.9 11 (54, M) 1.6 0.2 12 (37, M) 2.6 5.6

13 (53, M) 4.1 6.3 14 (48, F) 0.5 OA 15(32, F) 1.3 2.5

Figura 6.21 Resultados de un estudio don de se probo extracto de alcachofa como medida para preve nir la cruda. Todos los participantes fueron probados una vez con placebo y una vez con el extracto con inter­valo de una seman a entre pruebas. Cad a uno de elios clasifico la seve­rid ad de 20 sintomas de cruda en una escala de 0 (no experimentado) a 5 ("10 mas malo imaginable"). Las 20 calificaciones fueron promediadas como una sola ciasificacion general , que se enlista en la tabla.

Pensamiento critico 1. Los estudiantes novatos de fisica a menudo aprenden concep­tos fundamentales de termodinarnica memorizando dos frases: Primero, no se puede ganar. Segundo, no se puede salir parejo. Explicalas.

2 . Dixie Bee deseaba preparar bebidas alcoholicas con gelatina JELL -° para su proxima fiesta, pero se sentfa culpable de alentar a sus invitados a consumir alcoho!' Trato de compensar la toxici­dad del alcohol agregando pedazos de pina fresca y saludable a las bebidas, pero cuando 10 hizo, la gelatina no cuajo. LQue ocu­rrio? Sugerencia: la gelatina JELL -° es principalmente azucar y colageno, una proteina.

3. Los radicales libres son ,llomos 0 moleculas similares a iones, pero con un numero incorrecto de electrones. Se forman en muchas reacciones catalizadas por enzimas, como la digestion de grasas y aminoacidos. Escapa de las cadenas de transferencia de electrones. 5e forman cuando los rayos X y otros tipos de radiacion ionizante chocan contra el agua y otras moleculas. Los radicales libres reac­cionan facilmente con las biomoleculas y pueden destruirla.

EI peroxido de hidrogeno (HP2) se forma en la mayoria de los organismos como subproducto de la respiracion aerobia. Esta molecula toxica con facilidad puede transformarse en un radical libre aCm mas peligroso, de modo que la~ celulas deben desecharla con rapidez 0 sufrir danos por su presencia. Una molecula de catalasa puede activar cerca de 6 millones de moleculas de peroxido de hidrogeno por minuto al combinarse con dos de elias ala vez. La catalasa inactiva tambien otras toxinas, induyendo el etano!' Dado que su sitio activo se enlaza especificamente con el peroxido de hidrogeno, Lcomo es posible que esta enzima pueda actuar con otras sustancias?

4 . La catalasa se combina con dos moleculas de peroxido de hidrogeno (H20 2 + H 20,) para formar dos moleculas de agua. Tambien se forma un gas. LQue gas se forma?

5 . EI peroxido de hidrogeno burbujea si se coloca gota a gota en una herida abierta, pero no burbujea si se coloca sobre piel intacta. Explica el motivo.

CAPiTULO 6 REGlAS BAs lCAS DE L META BO LI SMO 105