Fundamentos de Enzimas y Metabolismo

Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran las reacciones químicas en el organismo sin consumirse en el proceso. Su función principal es disminuir la energía de activación necesaria para que ocurra una reacción.

En una reacción enzimática, la enzima se une al sustrato en su sitio activo formando un complejo enzima-sustrato. Esta unión facilita la transformación del sustrato en producto con menos energía de activación que la que se requeriría sin la enzima.

El metabolismo celular comprende dos tipos de procesos: el catabolismo (vías degradativas que liberan energía) y el anabolismo (vías biosintéticas que consumen energía). Estos procesos están interconectados mediante intermediarios metabólicos comunes.

!$Las enzimas reducen la energía de activación sin alterar el cambio de energía libre total de la reacción$

⚡ Dato clave: Las enzimas pueden aumentar la velocidad de una reacción hasta millones de veces, pero no alteran el equilibrio termodinámico de la reacción.

Características del Catabolismo y Anabolismo

El catabolismo y el anabolismo son procesos complementarios que permiten el funcionamiento del metabolismo celular.

El catabolismo es un proceso degradativo y oxidativo que genera energía en forma de ATP. Sus características principales son:

• Degrada moléculas complejas en más simples
• Libera energía química almacenada en los enlaces
• Produce compuestos intermediarios para el anabolismo
• Genera desechos que se excretan (CO₂, H₂O, NH₃)
• Sus vías suelen terminar en "lisis" (glucólisis, lipólisis)

El anabolismo es un proceso sintético y reductivo que consume energía. Sus características principales son:

• Construye moléculas complejas a partir de precursores simples
• Requiere aporte de energía (consume ATP)
• Utiliza los productos intermedios del catabolismo
• Sus vías suelen terminar en "génesis" (glucogénesis, lipogénesis)

💡 Concepto clave: Catabolismo y anabolismo están estrechamente regulados por hormonas y señales celulares para mantener la homeostasis energética.

Termodinámica y Equilibrio en Reacciones Bioquímicas

La termodinámica nos permite entender si una reacción bioquímica es favorable o no. Esto depende del cambio de energía libre (ΔG°) y la constante de equilibrio (Keq).

Cuando analizamos una reacción A + B ⟶ C + D:

• Si Keq > 1, entonces ΔG° < 0: la reacción es exergónica (libera energía) y favorece la formación de productos
• Si Keq = 1, entonces ΔG° = 0: la reacción está en equilibrio
• Si Keq < 1, entonces ΔG° > 0: la reacción es endergónica (requiere energía) y favorece la formación de reactantes

En la célula, muchas reacciones con ΔG° > 0 pueden ocurrir porque se acoplan a otras reacciones que liberan energía, como la hidrólisis del ATP.

La relación matemática entre estas variables es: ΔG° = -RT ln Keq

🧪 Aplicación práctica: Para aprobar un examen de bioquímica, recuerda que las reacciones espontáneas tienen ΔG° negativo, pero todas las reacciones necesitan enzimas para ocurrir a velocidad significativa.

Enzimas y su Acción Catalítica

Las enzimas son catalizadores biológicos compuestos principalmente por proteínas. Actúan como mediadores del metabolismo acelerando reacciones específicas sin alterarse permanentemente.

Características principales:

• Están presentes en pequeñas cantidades y pueden reutilizarse
• Poseen alta especificidad de sustrato y acción
• Algunas requieren cofactores (moléculas inorgánicas u orgánicas) para su actividad
• Aumentan la velocidad de reacción significativamente
• No afectan el equilibrio termodinámico, solo la velocidad

El mecanismo de acción enzimática involucra la formación de un complejo enzima-sustrato en el sitio activo de la enzima. Este sitio activo tiene una conformación específica que reconoce y se une al sustrato, facilitando la conversión a producto.

🔑 Recuerda: Las enzimas no pueden hacer que ocurran reacciones termodinámicamente desfavorables. Solo aceleran reacciones que ya son posibles, disminuyendo la energía de activación.

Cinética Enzimática: Ecuación de Michaelis-Menten

La ecuación de Michaelis-Menten describe matemáticamente cómo varía la velocidad de una reacción enzimática en función de la concentración de sustrato. Esta relación se expresa como:

V₀ = Vmax$S$ / $KM + [S]$

Donde:

• V₀ es la velocidad inicial de la reacción
• Vmax es la velocidad máxima (cuando todos los sitios activos están ocupados)
• $S$ es la concentración de sustrato
• KM es la constante de Michaelis-Menten

El valor de KM representa la concentración de sustrato a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima. Es una medida inversa de la afinidad de la enzima por el sustrato: cuanto menor sea KM, mayor será la afinidad.

Al graficar la velocidad versus la concentración de sustrato, se obtiene una curva hiperbólica que alcanza una meseta (Vmax) cuando la enzima está saturada de sustrato.

📊 Para tus exámenes: La determinación de KM y Vmax permite caracterizar una enzima y comprender cómo responderá a cambios en las condiciones celulares o a la presencia de inhibidores.

Regulación Alostérica de Enzimas

Las enzimas alostéricas son proteínas reguladoras clave que presentan un comportamiento cinético diferente al descrito por Michaelis-Menten. En lugar de una curva hiperbólica, muestran una curva sigmoidal que refleja la cooperatividad entre subunidades.

Estas enzimas poseen:

• Un sitio activo donde ocurre la catálisis
• Sitios alostéricos donde se unen moduladores que modifican la actividad

Los moduladores alostéricos pueden ser:

• Positivos: aumentan la actividad enzimática al estabilizar la conformación activa
• Negativos: disminuyen la actividad al estabilizar la conformación inactiva

La cooperatividad significa que la unión de un sustrato o modulador facilita (cooperatividad positiva) o dificulta (cooperatividad negativa) la unión de las siguientes moléculas.

El parámetro K₀.₅ en enzimas alostéricas es equivalente al KM, pero refleja esta naturaleza cooperativa.

🔄 Concepto importante: La regulación alostérica permite respuestas rápidas a cambios metabólicos sin necesidad de sintetizar o degradar enzimas, lo que representa un mecanismo de control más eficiente.

Metabolismo de Carbohidratos: Visión General

El metabolismo de carbohidratos constituye una serie de procesos fundamentales para obtener energía de los azúcares, principalmente la glucosa. Se divide en cuatro etapas principales:

1. Glucólisis

Ocurre en el citosol y convierte la glucosa en dos moléculas de piruvato, produciendo ATP y NADH en el proceso: Glucosa → 2 Piruvato + 2 ATP + 2 NADH

2. Oxidación del Piruvato

Ocurre en la matriz mitocondrial donde el piruvato es transformado en acetil-CoA: Piruvato → Acetil-CoA + NADH + CO₂

3. Ciclo del Ácido Cítrico (Krebs)

En la matriz mitocondrial, el acetil-CoA se incorpora al ciclo, generando NADH, FADH₂, ATP y CO₂.

4. Fosforilación Oxidativa

En la membrana mitocondrial interna, donde el NADH y FADH₂ transfieren electrones a la cadena respiratoria para producir ATP, utilizando O₂ como aceptor final: O₂ → H₂O + ATP

🔋 Recordatorio energético: La oxidación completa de una molécula de glucosa puede generar hasta 30-32 moléculas de ATP, la mayoría proveniente de la fosforilación oxidativa.

Metabolismo del Glucógeno: Síntesis y Degradación

El glucógeno funciona como la principal reserva de glucosa en animales, especialmente en hígado y músculo. Su metabolismo está finamente regulado por dos procesos antagónicos:

Glucogénesis (Síntesis de Glucógeno)

• Enzima reguladora: Glucógeno sintasa
• Precursor: Glucosa-6-P
• Señal activadora: Hiperglicemia (altos niveles de glucosa en sangre)
• Hormona activadora: Insulina
• Momento fisiológico: Durante la ingesta alimenticia
• Compartimiento celular: Citosol

Glucogenólisis (Degradación de Glucógeno)

• Enzima reguladora: Glucógeno fosforilasa
• Producto final: Glucosa-6-P
• Señal activadora: Hipoglicemia (bajos niveles de glucosa en sangre)
• Hormonas activadoras: Glucagón y adrenalina
• Momento fisiológico: Durante el ayuno o ejercicio
• Compartimiento celular: Citosol

🔄 Regulación hormonal clave: La insulina favorece el almacenamiento de glucosa como glucógeno, mientras que el glucagón y la adrenalina promueven su degradación para mantener los niveles de glucosa sanguínea durante el ayuno o situaciones de estrés.

Gluconeogénesis: Síntesis de Glucosa

La gluconeogénesis es la vía metabólica que permite sintetizar glucosa a partir de precursores no carbohidratos. Es fundamental para mantener los niveles de glucosa en sangre durante el ayuno prolongado.

Esta vía ocurre principalmente en el hígado y utiliza como precursores:

• Lactato (proveniente del músculo durante ejercicio intenso)
• Piruvato
• Aminoácidos glucogénicos
• Glicerol (de la degradación de grasas)

La gluconeogénesis no es simplemente la inversa de la glucólisis, ya que algunas reacciones de la glucólisis son irreversibles y requieren enzimas específicas para ser superadas:

• Piruvato carboxilasa: Convierte piruvato en oxalacetato
• Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa: Transforma oxalacetato en fosfoenolpiruvato
• Fructosa 1,6-bisfosfatasa: Convierte fructosa 1,6-bisfosfato en fructosa 6-fosfato
• Glucosa 6-fosfatasa: Transforma glucosa 6-fosfato en glucosa libre

🔄 Regulación recíproca: La gluconeogénesis y la glucólisis están reguladas de manera opuesta. El glucagón activa la gluconeogénesis e inhibe la glucólisis, mientras que la insulina tiene efectos contrarios.

Regulación de la Glucólisis y Gluconeogénesis

La glucólisis (degradación de glucosa) y la gluconeogénesis (síntesis de glucosa) están inversamente reguladas para evitar ciclos fútiles y gasto energético innecesario.

La enzima clave en la regulación de ambas vías es la fosfofructoquinasa-1 $PFK-1$, que cataliza la conversión de fructosa 6-fosfato en fructosa 1,6-bisfosfato en la glucólisis. Esta enzima es regulada por:

• Activadores: AMP, fructosa 2,6-bisfosfato (F2,6BP)
• Inhibidores: ATP, citrato, pH ácido

Por otro lado, la fructosa 1,6-bisfosfatasa cataliza la reacción inversa en la gluconeogénesis y es inhibida por F2,6BP.

La concentración de F2,6BP está controlada por la PFK-2/F2,6-bisfosfatasa, una enzima bifuncional cuya actividad es modulada por fosforilación:

• Insulina: Activa la función PFK-2, aumentando F2,6BP y favoreciendo la glucólisis
• Glucagón: Activa la función F2,6-bisfosfatasa a través de PKA, disminuyendo F2,6BP y favoreciendo la gluconeogénesis

🔄 Control hormonal: La insulina (abundancia energética) promueve la glucólisis, mientras que el glucagón (ayuno) promueve la gluconeogénesis, asegurando un suministro constante de glucosa al cerebro y otros tejidos.