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Biología AP: contenido adicional del curso · Enzimas y energética celular

Estructura y función de las enzimas y efectos del ambiente

Después de un partido de soccer, tu cuerpo digiere en pocas horas una pizza que, fuera del cuerpo, tardaría años en descomponerse a 37 °C. ¿Qué hace que las reacciones de tu cuerpo sean tan rápidas, y por qué una fiebre muy alta es peligrosa? La respuesta está en unas proteínas especiales: las enzimas. Al final de la página volveremos a esta pregunta.

Qué es una enzima y cómo funciona

Una enzima es un catalizador biológico: casi siempre una proteína que acelera una reacción química sin consumirse. Una misma enzima puede usarse una y otra vez.

Toda reacción necesita un empujón inicial, la energía de activación ($E_a$): la energía mínima para que los reactivos lleguen al estado de transición, el punto más alto de la "colina" energética. La enzima no empuja con más fuerza: baja la colina.

Perfil de energía de una reacción exergónica sin enzima y con enzima: la enzima reduce la energía de activación pero no cambia el cambio de energía libre. Energía libre Avance de la reacción Reactivos Productos Sin enzima Con enzima ΔG igual en ambos casos

La enzima actúa en una región pequeña llamada sitio activo. La molécula sobre la que actúa es el sustrato. Ambos forman el complejo enzima-sustrato, y la reacción ocurre así:

$$\text{enzima} + \text{sustrato} \rightarrow \text{complejo enzima-sustrato} \rightarrow \text{enzima} + \text{producto}$$

El sitio activo tiene una forma y una química que encajan con el sustrato. Al unirse, la enzima cambia un poco de forma para abrazarlo mejor: es el ajuste inducido (induced fit). Esto tensa los enlaces del sustrato o lo orienta bien, y así baja la $E_a$.

Las enzimas son específicas: cada una reconoce uno o pocos sustratos. Su nombre suele terminar en -asa (amilasa, lactasa). La amilasa de tu saliva rompe el almidón; la lactasa rompe la lactosa. Por eso quien tiene intolerancia a la lactosa produce poca lactasa.

Practica★☆☆Sin empezar
Define sustrato*, sitio activo* y energía de activación*. Luego explica en una o dos oraciones cómo una enzima acelera una reacción sin consumirse.

Define sustrato, sitio activo y energía de activación. Luego explica en una o dos oraciones cómo una enzima acelera una reacción sin consumirse.

Resolver

Temperatura y pH: la forma lo es todo

La forma del sitio activo depende de la estructura tridimensional de la proteína, sostenida por puentes de hidrógeno, interacciones iónicas y otros enlaces débiles. Si el ambiente rompe esos enlaces, la proteína pierde su forma: se desnaturaliza (denaturation). Con el sitio activo deformado, el sustrato ya no encaja y la enzima deja de funcionar.

Temperatura. Al subir la temperatura, las moléculas se mueven más y chocan más a menudo, así que la velocidad aumenta. Pero pasado cierto punto la agitación rompe los enlaces débiles y la enzima se desnaturaliza. Por eso la curva sube hasta un máximo, la temperatura óptima, y luego cae rápido.

pH. El pH cambia las cargas de los grupos R de los aminoácidos y altera las interacciones iónicas y los puentes de hidrógeno. Cada enzima tiene un pH óptimo: la pepsina del estómago trabaja cerca de pH 2, mientras que las enzimas del intestino delgado prefieren un pH cercano a 8.

Dos curvas de velocidad de reacción: una enzima con óptimo a pH 2 y otra con óptimo a pH 8. Actividad relativa pH Pepsina (óptimo ≈ 2) Enzima intestinal (óptimo ≈ 8) 2 7 12
Practica★☆☆Sin empezar
La mayoría de las enzimas humanas funcionan mejor cerca de 37 °C y un pH cercano a 7.4, mientras que la pepsina del estómago funciona mejor cerca de pH 2. Explica qué le…

La mayoría de las enzimas humanas funcionan mejor cerca de 37 °C y un pH cercano a 7.4, mientras que la pepsina del estómago funciona mejor cerca de pH 2. Explica qué le ocurre a la forma y a la función de una enzima humana típica si se calienta muy por encima de su temperatura óptima. Nombra el término que se usa para este cambio.

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Practica★★☆Sin empezar
Se mide la actividad de una enzima a distintas temperaturas, manteniendo constantes todas las demás condiciones. | Temperatura (°C) | Velocidad ($\mu$mol de…

Se mide la actividad de una enzima a distintas temperaturas, manteniendo constantes todas las demás condiciones.

Temperatura (°C) Velocidad ($\mu$mol de producto/min)
10 2
20 4
30 7
40 10
50 4
60 0

(a) Identifica la temperatura óptima aproximada. (b) Explica por qué la velocidad aumenta de 10 °C a 40 °C. (c) Explica por qué la velocidad disminuye después de 40 °C.

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Practica★★☆Sin empezar
Se probaron dos enzimas a distintos valores de pH. Se muestra la actividad relativa (% del máximo). | pH | Enzima X | Enzima Y | |---|---|---| | 2 | 100 | 0 | | 4 | 60 |…

Se probaron dos enzimas a distintos valores de pH. Se muestra la actividad relativa (% del máximo).

pH Enzima X Enzima Y
2 100 0
4 60 5
6 10 40
8 2 100
10 0 30

Una enzima proviene del estómago y la otra del intestino delgado. Decide cuál es cuál y explica a nivel molecular por qué un cambio de pH modifica la actividad de una enzima.

Resolver

Concentración de sustrato y saturación

Imagina una cafetería con 5 cajeros. Con 2 clientes, cada cliente es atendido al instante y duplicar los clientes duplica las ventas por minuto. Con 100 clientes, los 5 cajeros ya están ocupados todo el tiempo y más clientes no aceleran nada. Las enzimas se comportan igual.

Con una cantidad fija de enzima:

  • A baja concentración de sustrato, hay sitios activos libres. Más sustrato significa más colisiones y más velocidad; la gráfica sube casi en línea recta.

  • A alta concentración, todos los sitios activos están ocupados: la enzima está saturada. La velocidad llega a un máximo ($V_{max}$) y se estabiliza.

Curva de velocidad frente a concentración de sustrato: sube al principio y se estabiliza en la velocidad máxima; con el doble de enzima el máximo es mayor. Velocidad Concentración de sustrato Enzima original: Vmax Doble de enzima: mayor Vmax

Si duplicas la enzima, hay el doble de sitios activos y el máximo se duplica. Si solo aumentas el sustrato una vez saturada, no cambia nada.

Practica★★☆Sin empezar
Se mezcla una cantidad fija de enzima con distintas concentraciones de sustrato. | Sustrato (mM) | Velocidad ($\mu$mol/min) | |---|---| | 0 | 0 | | 1 | 20 | | 2 | 40 | |…

Se mezcla una cantidad fija de enzima con distintas concentraciones de sustrato.

Sustrato (mM) Velocidad ($\mu$mol/min)
0 0
1 20
2 40
4 70
8 90
16 100
32 100

(a) Explica por qué la velocidad aumenta a concentraciones bajas de sustrato. (b) Explica por qué la velocidad se estabiliza en 100. (c) Predice qué ocurriría con la velocidad máxima si se duplicara la cantidad de enzima.

Resolver

Inhibidores: competitivos y no competitivos

Un inhibidor es una molécula que reduce la actividad de una enzima. Hay dos tipos principales.

  • Inhibidor competitivo: se parece al sustrato y se une al sitio activo. Compite con el sustrato por ese lugar. Como es una competencia, si agregas mucho más sustrato, el sustrato gana y el efecto del inhibidor se supera: la $V_{max}$ se alcanza igualmente.

  • Inhibidor no competitivo: se une a otro sitio, llamado sitio alostérico (allosteric site), y cambia la forma de la enzima, incluido el sitio activo. El sustrato no puede desplazarlo, así que agregar más sustrato no supera el efecto. La $V_{max}$ baja porque hay menos enzima funcional.

Esquema de inhibición competitiva, donde el inhibidor ocupa el sitio activo, y no competitiva, donde se une a otro sitio y deforma el sitio activo. Competitivo No competitivo Inhibidor en el sitio activo Sitio alostérico Sustrato (verde) no encaja

Para distinguirlos en una tabla de datos, compara la velocidad a sustrato alto:

Sustrato bajo Sustrato muy alto
Competitivo velocidad baja se acerca a la misma $V_{max}$ que sin inhibidor
No competitivo velocidad baja la $V_{max}$ sigue siendo menor

Las células usan esto para regularse. En la inhibición por retroalimentación, el producto final de una vía actúa como inhibidor alostérico de una enzima anterior, así que la célula no produce más de lo que necesita.

Practica★☆☆Sin empezar
Compara los inhibidores competitivos y los no competitivos. Para cada uno, indica dónde se une a la enzima y si agregar más sustrato puede superar su efecto.

Compara los inhibidores competitivos y los no competitivos. Para cada uno, indica dónde se une a la enzima y si agregar más sustrato puede superar su efecto.

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Practica★★★Sin empezar
Un investigador mide la velocidad de reacción ($\mu$mol/min) a varias concentraciones de sustrato sin inhibidor, con el inhibidor A y con el inhibidor B. Cada vez se usa…

Un investigador mide la velocidad de reacción ($\mu$mol/min) a varias concentraciones de sustrato sin inhibidor, con el inhibidor A y con el inhibidor B. Cada vez se usa la misma cantidad de enzima.

Sustrato (mM) Sin inhibidor Inhibidor A Inhibidor B
1 20 8 10
2 33 14 17
4 50 25 25
8 67 40 33
16 80 57 40
32 89 73 44

(a) Identifica cuál inhibidor es competitivo y cuál es no competitivo, citando evidencia de los datos. (b) Explica, usando la estructura de la enzima, por qué una concentración muy alta de sustrato casi supera a un inhibidor pero no al otro. (c) Predice qué tipo de inhibidor produciría una molécula que se une a un sitio alostérico.

Resolver

Energía libre y diseño de experimentos

Energía libre. En una reacción exergónica, $\Delta G < 0$: los productos tienen menos energía libre que los reactivos. Una enzima baja la $E_a$ de ambas direcciones por igual, así que no cambia el $\Delta G$ ni la posición del equilibrio. Solo cambia la velocidad con que se alcanza.

Diseño de experimentos. Los ejercicios de AP piden diseñar un experimento. Estos términos son clave:

  • Variable independiente: la que tú cambias (por ejemplo, la temperatura).

  • Variable dependiente: la que mides (por ejemplo, el tiempo que tarda en desaparecer el color azul-negro del almidón con yodo).

  • Variables constantes: todo lo demás (volumen, concentración de almidón, cantidad de amilasa, pH, tiempo de incubación).

  • Control: un tratamiento de comparación, como una muestra con enzima hervida (desnaturalizada) o sin enzima. Debe mostrar que el cambio se debe a la enzima activa.

Practica★★★Sin empezar
Una reacción exergónica tiene una energía de activación de 75 kJ/mol sin catalizador y de 40 kJ/mol con una enzima. El cambio total de energía libre es $-20$ kJ/mol. (a)…

Una reacción exergónica tiene una energía de activación de 75 kJ/mol sin catalizador y de 40 kJ/mol con una enzima. El cambio total de energía libre es $-20$ kJ/mol. (a) Explica qué cambia la enzima y qué no cambia en esta reacción (considera la energía de activación, $\Delta G$ y la posición de equilibrio). (b) Un estudiante planea probar cómo afecta la temperatura a la enzima amilasa usando almidón y solución de yodo. Describe la variable independiente, la variable dependiente, dos variables que se mantendrían constantes y un control adecuado (por ejemplo, uno con enzima hervida). (c) Predice los resultados a 0 °C, 37 °C y 90 °C y justifícalos.

Resolver

Vuelve al principio: las reacciones de tu cuerpo son rápidas porque las enzimas bajan la energía de activación en sus sitios activos. Una fiebre muy alta es peligrosa porque el calor puede desnaturalizar enzimas y deformar sus sitios activos.

Resumen

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