BIOQUIMICA 2019 Enzimas: Son polímeros biológicos que catalizan (ACELERAN, no modifican la constante de equilibrio) las reacciones químicas, esenciales para la desintegración de nutrientes a fin de que proporcionen energía. Casi todas las enzimas son proteínas. Al igual que todos los catalizadores, las enzimas no se consumen ni se alteran de manera permanente como consecuencia de su participación en una reacción. Presentan sensibilidad a la temperatura y ph. El catalizador reduce la energía de activación, pueden ser orgánicos e inorgánicos. El sitio activo de una enzima es donde se une el sustrato, contiene pocos aminoácidos y es de tamaño pequeño. Es tridimensional y se caracteriza por su especificidad (el sustrato debe tener la forma adecuada para encajar en el centro, complementariamente geométrico y de carga). La unión de la enzima con el sustrato es de fuerzas débiles. Las enzimas séricas, presentes en el plasma, pueden tener o no función en ese medio. En este sentido, se las clasifica como funcionales o no funcionales. Las enzimas funcionales tienen una función definida y específica en este medio, por lo que el plasma constituye su sitio normal de acción, y su concentración plasmática es equivalente o mayor que la del tejido donde se producen. Las enzimas no funcionales del plasma no tienen una actividad conocida en este medio, ya sea porque no dispone de la cantidad necesaria de sustratos, cofactores o activadores a nivel plasmático, o porque su concentración plasmática es considerablemente menor que los niveles titulares. Sin embargo, normalmente existen niveles circulantes detectables de la mayoría de las enzimas no funcionales debido a la renovación celular natural o pequeños traumatismos espontáneos. Su presencia en plasma en niveles más altos de lo normal sugiere un aumento en la velocidad de destrucción celular y tisular. Un aumento en la permeabilidad de la membrana plasmática de diferentes tejidos puede conducir a la liberación de enzimas a la circulación general. Las enzimas: 1) Hacen posibles las reacciones, disminuyendo la cantidad de energía de activación que se necesita. 2) Controlan la velocidad a la que ocurre la reacción. 3) Permiten que las reacciones ocurran a unas temperaturas que no hagan daño al organismo. Mioglobina (Mb): La Mioglobina es una hemoproteína que se encuentra en el citoplasma de músculo esquelético y cuya función es almacenar oxigeno. Ante un daño en miocardio o musculo esquelético se elevan sus niveles en plasma. En el infarto agudo de miocardio se produce una elevación precoz a las 2-3 hs de comenzado el evento, se observa un valor máximo entre las 6 y 12 hs, regresando a los valores de referencia a las 24-32 hs. Troponinas cardíacas: Actualmente se acepta a las troponinas como marcadores tempranos confiables para la detección de episodios isquémicos de miocardio y el posterior monitoreo del paciente. Existen tres tipos de Troponinas (Tn): TnC: une calcio, Tn I: inhibidor de la actividad de ATPasa de la miosina y TnT: fija a complejo proteico de troponinas a la tropomiosina. Lactato deshidrogenasa (LDH): La enzima LDH cumple su función en el metabolismo anaeróbico de la glucosa en una gran cantidad de tejidos. Los niveles séricos aumentados de LDH son característico de: anemias megaloblásticas, infarto de miocardio y pulmonar, anemias hemolíticas, leucemias, carcinomas, etc. Un aumento de los niveles plasmáticos de LDH se observa a partir de las 6-12hs del comienzo de infarto de miocardio, observándose un pico a las 24-48 hs. Transaminasas: Las enzimas transaminasas intervienen en el metabolismo de los aminoácidos, están ampliamente distribuidas en los distintos tejidos, pero abundan fundamentalmente en músculo e hígado. La Glutámico Oxaloacético Transaminasa (GOT o ASAT) es una transaminasa bilocular, utilizada como marcador de hepatitis y neoplasias hepáticas. También aumenta en isquemia miocárdica, aumentando después de las 24 hs de ocurrido el infarto, con un pico entre el 4 o 5 día. La Glutámico Pirúvico Transaminasa (GPT o ALAT) es una transaminasa de actividad citosólica. Valores séricos muy elevados se observan en hepatitis aguda de origen viral o tóxica, siendo los valores de GPT mayores a los de GOT. Los niveles de GPT pueden dar aumentados incluso antes de que se observen signos clínicos de hepatitis. En enfermedades crónicas hepáticas como hepatitis C y Cirrosis, se observan aumentos moderados. Fosfatasas Fosfatasa alcalina: es una enzima no específica cuyo pH óptimo de actividad enzimática se encuentra entre 9 a 10. Un aumento moderado de 2 a 3 veces los valores de referencia, se observa en las enfermedades hepáticas como hepatitis viral, alcohólica o carcinoma hepatocelular. Fosfatasa ácida: se denomina así por presentar valores de actividad óptima en un rango de pH entre 4 y 6. Se encuentra en células prostáticas, glóbulos rojos, plaquetas y glóbulos blancos. Aumenta en cáncer de próstata dando valores muy elevados en caso de metástasis ósea. Creatina quinasa (CK ó CPK): Es una enzima bilocular de células musculares y nerviosas, interviene en los procesos de obtención de energía. Presenta tres tipos de isoenzimas. Los valores séricos de referencia son mayores en hombres que en mujeres por presentar mayor masa muscular. Un aumento de los niveles totales séricos se observa en infarto de miocardio, miopatía, distrofia muscular y ACV. El mapa enzimático es la descripción de un órgano en términos de su contenido enzimático. El mapa enzimático tisular está constituido, por la cantidad de cada una de las distintas enzimas que contienen todas las células de un determinado órgano. Tanto en condiciones normales como patológicas, esto se ve reflejado en un mapa enzimático sérico (presencia en el suero de las enzimas presentes en un órgano). Su determinación es de vital importancia en la clínica, ya que facilita el diagnóstico y es de fácil accesibilidad. Existen enzimas llamadas isoenzimas que son proteínas que difieren en la secuencia de aminoácidos pero que catalizan la misma reacción, estando presentes en la misma especie. Estas enzimas poseen diferentes propiedades físicas y químicas, suelen mostrar diferentes parámetros cinéticos o propiedades de regulación diferentes. La existencia de las isoenzimas permite el ajuste del metabolismo para satisfacer las necesidades particulares de un determinado tejido o etapa del desarrollo, por lo tanto su diferenciación es importante a la hora de realizar un mapa enzimático para diagnóstico. Por ejemplo, la creatina quinasa (CK) presente en el cerebro difiere fisicoquímicamente de sus isoenzimas específicas de músculo cardíaco y esquelético. Asimismo, las isoenzimas pueden tener distinta localización subcelular. La alteración del mapa enzimático sérico se correlaciona con distintas causas, entre ellas: - Procesos inflamatorios: aparecen en plasma en primer término enzimas de bajo e intermedio peso molecular (por ej: en las hepatitis, encima de entre 40.000 a 140.000 Da). - Lesión de la membrana celular: el nivel de enzimas en suero que se observa en una lesión, es generalmente proporcional a la magnitud de membrana celular afectada. Daños celulares: ante daños mínimos pasan a la sangre las enzimas citoplasmáticas y en caso de daño extenso o más intenso, lo hacen las enzimas localizadas en las membranas de las organelas. Factores que alteran la permeabilidad selectiva de la membrana celular: provocan la salida al espacio extracelular de enzimas intracelulares. Los más conocidos son: • Baja concentración de oxígeno (hipoxia). • Alteraciones en la osmolaridad del medio. • Agentes químicos (iodoacetato, cianuro, tetracloruro de carbono). • Agentes físicos (pH, temperatura). • Algunos virus. Comparadas con otras proteínas del suero, las enzimas séricas poseen un tiempo de vida media muy corto. Esto significa, por una parte, que sus actividades en el suero son representativas del curso temporal de la lesión que les dio origen, y por otra, que en las lesiones agudas, como por ejemplo el infarto de miocardio, las determinaciones enzimáticas deben ser efectuadas según el tiempo transcurrido luego de la lesión: Localización del lugar de la lesión: Medida de biomarcadores o enzimas específicas de órgano: se designa como específicas de órgano a las enzimas que se presentan con actividad relativamente alta en un determinado órgano o tejido. Por lo tanto, sus niveles séricos aumentados indican con seguridad una lesión en este órgano. Discriminación de isoenzimas: la determinación de la actividad de varias isoenzimas son metodológicamente más costosas que las medidas de la actividad total de una enzima. Sólo se emplea a algunos casos particulares. Por ejemplo: 1.- Bajo la sospecha de carcinoma prostático, resulta de interés la determinación de la actividad de la isoenzima de la fosfatasa ácida susceptible a inhibición por tartrato, ya que esta isoenzima es específica de la próstata. En la actualidad se utiliza como biomarcador la determinación de PSA (antígeno prostático específico). 2.- Las cinco isoenzimas de la LDH tienen el mismo peso molecular pero difieren en la carga que contienen. Es importante remarcar que traumatismos, ejercicios musculares intensos o inyecciones intramusculares pueden producir el aumento de CK total. La determinación de la isoenzima cardiaca CK (CK-MB) presente en el suero permite diferencias entre un infarto de miocardio y lesiones de la musculatura esquelética. Nomenclatura: Los nombres de uso frecuente para casi todas las enzimas describen el tipo de reacción catalizada, seguido por el sufijo -asa. Así, por ejemplo, las deshidrogenasas eliminan átomos de hidrógeno, las proteasas hidrolizan proteínas y las isomerasas catalizan reordenamientos de la configuración. Los modificadores pueden preceder o seguir al nombre para indicar el sustrato (xantina oxidasa), la fuente de la enzima (ribonucleasa pancreática), su regulación (lipasa sensible a hormona) o una característica de su mecanismo de acción (cisteína proteasa). Las enzimas se agrupan en seis clases: 1. Oxidorreductasas: catalizan oxidaciones y reducciones. 2. Transferasas: catalizan la transferencia de porciones, como grupos glucosilo, metilo o fosforilo. 3. Hidrolasas: catalizan la división hidrolítica de C—C, C—O, C—N y otros enlaces covalentes. 4. Liasas: catalizan la división de C—C, C—O, C—N y otros enlaces covalentes mediante eliminación de átomo, dejando dobles enlaces. 5. Isomerasas: catalizan cambios geométricos o estructurales dentro de una molécula. 6. Ligasas: catalizan la unión de dos moléculas en reacciones acopladas a la hidrólisis de ATP Muchas enzimas contienen pequeñas moléculas no proteínicas y iones metálicos que participan de manera directa en la unión de sustrato o en la catálisis. Denominados grupos prostéticos, cofactores y coenzimas. Los grupos prostéticos: Los metales son los grupos prostéticos más comunes. Cerca de un tercio de todas las enzimas que contienen iones metálicos unidos de manera estrecha se llama metaloenzimas. Los iones metálicos que participan en reacciones redox por lo general forman complejos con grupos prostéticos como el hem o agrupaciones de hierro azufre. Los metales también pueden facilitar la unión y orientación de sustratos, la formación de enlaces covalentes con intermediarios de reacción (Co2+ en la coenzima B12), o al actuar como ácidos de Lewis o bases para hacer los sustratos más electrofílicos (con pocos electrones) o nucleofílicos (ricos en electrones) y, por tanto, más reactivos. Los cofactores desempeñan funciones similares a las de grupos prostéticos, pero se unen de una manera transitoria y disociable a la enzima o a un sustrato como ATP. Por ende, al contrario de los grupos prostéticos asociados de manera estable, para que ocurra catálisis debe haber cofactores en el medio que rodea a la enzima. Los cofactores más comunes también son iones metálicos. Las coenzimas sirven como transbordadores de sustrato, reciclables que transportan muchos sustratos desde un punto dentro de la célula hacia otro. Son pequenas moleculas organicas o iones (de baja masa molecular) que se unen a la enzima y colaboran con la reaccion recibiendo algun grupo quimico. Cuando la coenzima no es sintetizada por el rganismo debe ser ingerida como VITAMINA. La enzima sin la coenzima se denomina APOenzima. Estos transbordadores tienen dos funciones: 1) Estabilizan especies como átomos de hidrógeno (FADH) o iones hidruro (NADH) que son demasiado reactivos como para persistir durante cualquier periodo importante en la presencia de agua y moléculas orgánicas que penetran al interior de la célula. 2) Sirven como un adaptador o mango que facilita el reconocimiento y la unión de grupos químicos pequeños, como acetato (coenzima A), por sus enzimas blanco. Muchas coenzimas, cofactores y grupos prostéticos son derivados de vitamina b. La catálisis ocurre en el sitio activo: la presencia de sustratos hace a las enzimas más resistentes a los efectos desnaturalizantes de las temperaturas altas. En casi todas las enzimas, la “cerradura” está formada por una hendidura o una bolsa en la superficie de la proteína que forma parte de una región llamada el sitio activo. Dentro del sitio activo, los sustratos son acercados estrechamente uno a otro en la alineación óptima con los cofactores, grupos prostéticos y cadenas laterales de aminoácidos que se encargan de catalizar su transformación química en productos. La catálisis es aumentada más por la capacidad del sitio activo para proteger sustratos contra agua y generar un ambiente cuya polaridad, hidrofobicidad, acidez o alcalinidad puede diferir de manera notoria de la que hay en el citoplasma circundante. Las enzimas emplean múltiples mecanismos para facilitar la catálisis: 4) catálisis por proximidad: Para que las moléculas reaccionen, deben acercarse hasta ubicarse dentro de la distancia formadora de enlace de otra. Mientras más alta sea su concentración, con mayor frecuencia se encontrarán una con otra y mayor será el índice de su reacción. 5) catálisis acidobásica: Los grupos funcionales ionizables de cadenas laterales aminoacilo y (cuando están presentes) de grupos prostéticos, contribuyen a la catálisis al interactuar como ácidos o bases. La catálisis acidobásica puede ser específica o general; por “específica” se alude a protones (H3O+) o iones OH–. En la catálisis específica para ácido o específica para base, el índice de reacción es sensible a cambios de la concentración de protones, pero independiente de las concentraciones de otros ácidos (donadores de protón) o bases (aceptores de protón) presentes en solución o en el sitio activo. Se dice que las reacciones cuyos índices muestran capacidad de respuesta a todos los ácidos o bases presentes, están sujetas a catálisis por ácido general o por base general. 6) catálisis por tensión: Las enzimas que catalizan reacciones -líticas que comprenden la rotura de un enlace covalente típicamente se unen a sus sustratos en una conformación muy desfavorable para el enlace que sufrirá la división. Tal conformación imita la del intermediario de estado de transición, especie transitoria que representa la transición o el punto medio en la transformación de sustratos en productos. La tensión resultante estira o deforma el enlace al cual se dirige; esto lo debilita y lo hace más vulnerable a división. 7) catálisis covalente: El proceso de catálisis covalente comprende la formación de un enlace covalente entre la enzima y uno o más sustratos. La enzima modificada después se convierte en un reactivo. La catálisis covalente introduce una nueva vía de reacción cuya energía de activación es más baja —y, por ende, es más rápida— que la vía de reacción en solución homogénea. Sin embargo, la modificación química de la enzima es transitoria; en el momento en que se completa la reacción, la enzima vuelve a su estado no modificado original. De este modo, su función permanece catalítica. Los residuos sobre la enzima que participa en la catálisis covalente por lo general son cisteína o serina y, en ocasiones, histidina. La catálisis covalente a menudo sigue un mecanismo de “ping pong”: uno en donde el primer sustrato es unido y su producto se libera antes de la unión del segundo sustrato. Los sustratos inducen cambios conformacionales en enzima: Si bien el “modelo de cerradura y llave” de Fischer permitió comprender la especificidad extrema de interacciones entre enzima y sustrato, la rigidez implícita del sitio activo de la enzima no explicó los cambios dinámicos que acompañan a la catálisis. Esta desventaja fue abordada por el modelo de adaptación inducida de Daniel Koshland, que declara que cuando los sustratos se aproximan y se unen a una enzima, inducen un cambio conformacional, una modificación análoga a colocar una mano (sustrato) dentro de un guante (enzima) . Un corolario es que la enzima induce cambios recíprocos en sus sustratos y aprovecha la energía de unión para facilitar la transformación de sustratos en productos. Casi todas las familias de enzimas surgieron por medio de eventos de duplicación de gen que crean una segunda copia del gen que codifica para una enzima particular. Las proteínas codificadas por los dos genes después pueden evolucionar de manera independiente para reconocer distintos sustratos, lo que da por resultado, por ejemplo, quimotripsina, que desdobla enlaces peptídicos en el lado carboxilo terminal de aminoácidos hidrofóbicos grandes, y tripsina, que desdobla enlaces peptídicos en el lado carboxilo terminal de aminoácidos básicos. Se dice que las proteínas que divergieron desde un ancestro común son homólogas entre sí. Las Isozimas son formas de enzima distintas que catalizan la misma reacción: estos catalíticos de proteína o isozimas surgen por medio de duplicación de gen. Son formas moleculares diferentes de una misma enzima. Catalizan la misma reacción. Pueden mostrar diferencias sutiles de propiedades que las adaptan a tejidos o circunstancias específicos, y su actividad electroforética. Las enzimas facilitan el diagnóstico de enfermedades genéticas e Infecciosas. EQUILIBRIO DE REACCION: Existe una relación matemática que vincula la concentración de reactantes y productos en el equilibrio. La Expresión de Equilibrio se obtiene al multiplicar las concentraciones de los productos, dividido entre las concentraciones de los reactantes, y elevando cada concentración a una potencia igual al coeficiente estequiométrico. El ribosoma: complejo masivo formado por grandes números de subunidades de proteínas y varias moléculas de RNA ribosomal grandes, desempeña el proceso de importancia vital y muy complejo de sintetizar cadenas polipeptídicas largas siguiendo las instrucciones codificadas en moléculas de RNA mensajero. Cinética enzimatica: estudia la velocidad de las reacciones catalizadas enzimaticamente. Una ecuación química balanceada lista las especies químicas iniciales (sustratos) presentes, y las nuevas especies químicas (productos) formadas para una reacción química particular, todas en sus proporciones o estequiometría correctas. Las dobles flechas indican reversibilidad, propiedad intrínseca de todas las reacciones químicas. De este modo, para la reacción, si A y B pueden formar P y Q, estos últimos también pueden formar A y B. Por ende, la designación de un reactivo particular como “sustrato” o “producto” es un poco arbitraria porque los productos para una reacción descrita en una dirección son los sustratos para la reacción inversa. Sin embargo, el término “producto” a menudo se usa para designar los reactivos cuya formación es favorecida desde el punto de vista termodinámico. Las reacciones para las cuales los factores termodinámicos favorecen de manera significativa la formación de los productos hacia los cuales apunta la flecha, a menudo se representan con una flecha única como si fueran “irreversibles”: Se usan flechas unidireccionales para describir reacciones en células vivas en las cuales los productos de la reacción son consumidos de inmediato por una reacción subsiguiente catalizada por enzima. Por ende, la eliminación rápida del producto P o Q impide de manera efectiva la reacción inversa, lo que hace a la ecuación irreversible desde el punto de vista funcional en condiciones fisiológicas. El cambio de energía libre de Gibbs ΔG (también llamado la energía libre o energía de Gibbs) describe tanto la dirección en la cual tenderá a proceder una reacción química, como las concentraciones de reactivos y productos que estarán presentes en equilibrio. La ΔG para una reacción química es igual a la suma de las energías libres de la formación de los productos de la reacción ΔGP menos la suma de las energías libres de formación de los sustratos ΔGs. ΔG0 denota el cambio de energía libre que acompaña a la transición desde el estado estándar, concentraciones uno molar de sustratos y productos, hasta el equilibrio. El signo y la magnitud del cambio de energía libre determinan qué tan lejos procederá la reacción. Constante de equilibrio Keq y ΔG0: donde R es la constante gaseosa (1.98 cal/mol°K u 8.31 J/mol°K) y T es la temperatura absoluta en grados Kelvin. Keq es igual a producto de las concentraciones de los productos de la reacción, cada uno elevado a la potencia de su estequiometría. Si ΔG0 es un número negativo, Keq será mayor que la unidad, y la concentración de productos en equilibrio excederá la de los sustratos. Si ΔG0 es positiva, Keq será menor que la unidad, y se favorecerá la formación de sustratos. ΔG0 sólo puede proporcionar información acerca de la dirección y el estado de equilibrio de la reacción. ΔG0 es independiente del mecanismo de la reacción y, por ende, no proporciona información acerca de índices de reacciones. El concepto de estado de transición es fundamental para entender las bases química y termodinámica de la catálisis: El resultado neto de este proceso es transferir el grupo R desde L hacia E. A la mitad del desplazamiento, el enlace entre R y L se ha debilitado pero todavía no se ha roto por completo, y el nuevo enlace entre E y R hasta ahora está formado de manera incompleta. Dicho intermediario transitorio —en el cual no existe sustrato ni producto libre— se denomina el estado de transición, E···R···L. Las líneas punteadas representan los enlaces “parciales” que están pasando por formación y rotura. La ΔG general representa la suma de todos los cambios de energía libre relacionados con la formación y la descomposición de todos los estados de transición. La termodinámica general no dice nada acerca de la cinética. La ΔGF define la energía de activación: la ΔGF para la mayoría de reacciones químicas tiene un signo positivo, de modo que la formación de intermediarios de estado de transición requiere superar barreras de energía. De este modo, los parámetros termodinámicos que determinan la rapidez con la cual procede una reacción, son los valores ΔGF para la formación de los estados de transición. Muchos factores afectan el índice de reacción: La teoría cinética —también llamada la teoría de la coalición— de cinética química declara que para que dos moléculas reaccionen, deben: 1) aproximarse dentro de la distancia formadora de enlace de la otra, o “chocar” 2) poseer suficiente energía cinética para vencer la barrera de energía para alcanzar el estado de transición. Por ende, resulta que cualquier cosa que aumente la frecuencia o energía de colisión entre sustratos aumentará el índice de la reacción en la cual participan. Temperatura: Aumentar la temperatura incrementa la energía cinética de las moléculas. El aumento de la energía cinética de moléculas también aumenta su rapidez de movimiento y, por ende, la frecuencia con la cual chocan. Esta combinación de choques más frecuentes y más energéticos y, por ende, productivos, aumenta el índice de reacción. Concentración de reactivo: La frecuencia con la cual las moléculas chocan es directamente proporcional a sus concentraciones. Para dos moléculas diferentes, A y B, la frecuencia con la cual chocan se duplicará si se duplica la concentración de A o de B. Si las concentraciones tanto de A como de B se duplican, la probabilidad de choque aumentará cuatro veces. El número de moléculas que poseen energía cinética suficiente para superar la barrera de energía de activación será una constante. Por ende, el número de choques con suficiente energía para producir el producto P será directamente proporcional al número de choques entre A y B y, así, a sus concentraciones molares. Keq es una proporción de constantes de índice: La proporción de k1 a k–1 se denomina la constante de equilibrio Keq. Es necesario tener en mente las propiedades importantes que siguen de un sistema en equilibrio: 1. La constante de equilibrio es una proporción de las constantes de índice de reacción (no los índices de reacción). 2. En equilibrio, los índices de reacción (no las constantes de índice) de las reacciones hacia adelante y hacia atrás son iguales. 3. El equilibrio es un estado dinámico. Aunque no hay cambio neto de la concentración de sustratos o productos, moléculas individuales de sustrato y producto continuamente se están interconvirtiendo. 4. El valor numérico de la constante de equilibrio Keq puede calcularse a partir de las concentraciones de sustratos y productos en equilibrio o a partir de la proporción k1/k–1. La cinética de la catálisis enzimática: las enzimas disminuyen la barrera de energía de activación para una reacción. Todas las enzimas aceleran los índices de reacción al disminuir la ΔGF para la formación de estados de transición; sin embargo, pueden diferir en la manera en que esto se logra. La estabilización puede comprender: 1) grupos acidobásicos colocados de manera idónea para transferir protones hacia o desde el intermediario de estado de transición 2) grupos cargados o iones metálicos colocados de manera idónea, que estabilizan cargas que se están formando 3) la imposición de tensión estérica sobre sustratos de modo que su forma se aproxima a la del esta do de transición. Las enzimas no afectan la Keq: Si bien las enzimas pueden pasar por modificaciones transitorias durante el proceso de catálisis, siempre salen sin cambios cuando se completa la reacción. Por ende, la presencia de una enzima no tiene efecto sobre la ΔG0 para la reacción general, que está en función sólo de los estados inicial y final de los reactivos. Múltiples factores influyen sobre los índices de reacciones catalizadas por enzima: Temperatura: El aumento de la temperatura incrementa el índice de reacciones tanto no catalizadas como catalizadas por enzima al aumentar la energía cinética y la frecuencia de choque de las moléculas que están reaccionando. La energía calorífica también aumenta la energía cinética de la enzima hasta un punto que excede la barrera de energía para alterar las interacciones no covalentes que mantienen su estructura tridimensional. La cadena polipeptídica empieza entonces a desdoblarse, o desnaturalizarse, con una pérdida acompañante de la actividad catalítica. El rango de temperatura en el cual una enzima mantiene una conformación estable, competente desde el punto de vista catalítico, depende de la temperatura normal de las células en las cuales reside. Las enzimas de seres humanos por lo general muestran estabilidad a temperaturas de hasta 45 a 55°C. El coeficiente de temperatura (Q10) es el factor por el cual el índice de un proceso biológico aumenta para un incremento de 10°C de temperatura. Para las temperaturas en las cuales las enzimas son estables, los índices de casi todos los procesos biológicos típicamente se duplican para un aumento de temperatura de 10°C (Q10 = 2). Concentración de ion hidrógeno: El índice de casi todas las reacciones catalizadas por enzima muestra una dependencia importante de la concentración de ion hidrógeno. Casi todas las enzimas intracelulares muestran actividad óptima a valores de pH entre 5 y 9. La relación entre actividad y concentración de ion hidrógeno releja el equilibrio entre la desnaturalización de enzima a pH alto o bajo, y los efectos sobre el estado cargado de la enzima, los sustratos o ambos. Los grupos cargados más frecuentes son grupos carboxilato (negativos) y aminas protonadas (positivos). La ganancia o pérdida de grupos cargados cruciales afecta de manera adversa la unión a sustrato y, así, retrasará o suprimirá la catálisis. Concentración de enzima: Concentración de sustrato: La ecuación de michaelis-menten La ecuación de MichaelisMenten ilustra la relación entre la velocidad de reacción inicial vi y la concentración de sustrato [S]. La constante Km de Michaelis es la concentración de sustrato a la cual vi es la mitad de la velocidad máxima (Vmáx/2) alcanzable a una concentración particular de enzima. De este modo, Km tiene las dimensiones de la concentración de sustrato. La dependencia de la velocidad de reacción inicial de [S] y Km puede ilustrarse al evaluar la ecuación de MichaelisMenten en tres condiciones. 1. Cuando [S] es mucho menor que Km, el término Km + [S] es en esencia igual a la Km. Dado que tanto Vmáx como Km son constantes, su proporción es una constante. En otras palabras, cuando [S] está muy por debajo de Km, vi es proporcional a k[S]. Por ende, la velocidad de reacción inicial es directamente proporcional a [S]. 2. Cuando [S] es mucho mayor que Km, el término Km + [S] es en esencia igual a [S]. De este modo, cuando [S] excede con mucho a Km, la velocidad de reacción es máxima (Vmáx) y no está afectada por aumentos adicionales de la concentración de sustrato. 3. Cuando [S] = Km la velocidad inicial es de la mitad del máximo. Mientras menor es la tendencia a disociarse de la enzima y su sustrato, mayor es la afinidad de la enzima por su sustrato. La ecuación de hill declara que cuando [S] es bajo en comparación con kʹ, la velocidad de reacción inicial aumenta como la enésima potencia de [S]. Ocurre en enzimas u otras proteínas que enlazan ligandos. Ej. Hemoglobina. La curva de saturación es sigmoide lo que indica enlace cooperativo de sustrato a sitios múltiples El enlace en un sitio afecta al enlace en otros La ecuación de Michaelis-Menten no es válida. Los inhibidores competitivos típicamente semejan sustratos: Los efectos de los inhibidores competitivos pueden superarse al aumentar la concentración de sustrato. Con mayor frecuencia, la inhibición competitiva del inhibidor (I) se une a la porción de unión a sustrato del sitio activo, lo que bloquea el acceso por el sustrato. Por ende, las estructuras de casi todos los inhibidores competitivos clásicos tienden a asemejarse a las estructuras de un sustrato y, así, se llaman análogos de sustrato. En efecto, un inhibidor competitivo actúa al disminuir el número de moléculas de enzima libres disponibles para unión a sustrato, esto es, para formar ES y, así, finalmente para formar producto. Un inhibidor competitivo y sustrato ejercen efectos recíprocos sobre la concentración de los complejos EI y ES. Dado que la formación de complejos ES elimina enzima libre disponible para combinarse con el inhibidor, el aumento de [S] disminuye la concentración del complejo EI y aumenta la velocidad de reacción. El grado al cual [S] debe aumentarse para superar por completo la inhibición depende de la concentración del inhibidor presente, su afinidad por la enzima, Ki, y la afinidad, Km, de la enzima por su sustrato. Los inhibidores no competitivos simples disminuyen Vmáx pero no afectan Km. En la inhibición no competitiva estricta, la unión del inhibidor no afecta la unión de sustrato; por ende, es factible la formación de complejos tanto EI como EIS. Sin embargo, si bien el complejo inhibidor de enzima aún puede unirse a sustrato, su eficiencia para transformar sustrato en producto, reflejada por Vmáx, está disminuida. Los inhibidores no competitivos unen enzimas en sitios distintos del sitio de unión a sustrato y por lo general muestran poca o ninguna semejanza estructural con el sustrato. Para la inhibición no competitiva simple, E y EI poseen afinidad idéntica por el sustrato, y el complejo EIS genera producto a un índice insignificante. La inhibición no competitiva más compleja ocurre cuando la unión del inhibidor afecta la afinidad aparente de la enzima por el sustrato. Los inhibidores irreversibles “envenenan” enzimas. Los inhibidores forman un complejo disociable, dinámico, con la enzima; por ende, la enzima por completo activa puede recuperarse con tan sólo eliminar el inhibidor del medio circundante. Sin embargo, varios otros inhibidores actúan de manera irreversible al producir modificación química de la enzima. Estas modificaciones por lo general comprenden hacer o romper enlaces covalentes con residuos amino acilo esenciales para la unión a sustrato, catálisis o mantenimiento de la conformación funcional de la enzima. Dado que estos cambios covalentes son hasta cierto punto estables, una enzima que ha sido “envenenada” por un inhibidor irreversible permanece inhibida incluso después de eliminar del medio circundante el inhibidor que resta. Inhibición basada en mecanismo: Los inhibidores “basados en mecanismo” o “suicidas” son análogos de sustrato especializados que contienen un grupo químico que puede transformarse mediante la maquinaria catalítica de la enzima blanco. Después de la unión al sitio activo, la catálisis por la enzima genera un grupo muy reactivo que forma un enlace covalente con un residuo esencial desde el punto de vista catalítico, y bloquea la función del mismo. Reacciones secuenciales o de desplazamiento único: En reacciones secuenciales, ambos sustratos deben combinarse con la enzima para formar un complejo ternario antes de que pueda proceder la catálisis. Las reacciones secuenciales a veces reciben el nombre de reacciones de desplazamiento único porque el grupo que se está transfiriendo por lo general pasa de manera directa, en un solo paso, desde un sustrato hacia el otro. Para reacciones de orden al azar, el sustrato A o el B puede combinarse primero con la enzima para formar un complejo EA o uno EB. En reacciones de orden forzoso, A debe combinarse primero con E antes de que B pueda combinarse con el complejo EA. Una explicación por la cual algunas enzimas emplean mecanismos de orden forzoso puede encontrarse en la hipótesis de la adaptación inducida de Koshland: la adición de A induce un cambio de conformación en la enzima que alinea residuos que reconocen B y se unen al mismo. Reacciones de ping-pong El término “ping-pong” aplica a mecanismos en los cuales uno o más productos son liberados desde la enzima antes de que se hayan añadido todos los sustratos. Las reacciones de pingpong comprenden catálisis covalente y una forma transitoria, modificada, de la enzima. El grupo que se transfiere primero es desplazado del sustrato A por la enzima para formar productos P y una forma modificada de la enzima (F). La transferencia de grupo subsiguiente desde F hacia el segundo sustrato B, que forma el producto Q y regenera E, constituye el segundo desplazamiento. Regulación: Los sistemas de información dependientes de DNA se denominan epigenéticos. La regulación del flujo de metabolitos puede ser activa o pasiva. Las enzimas que operan a su índice máximo no pueden mostrar respuesta a un aumento de la concentración de sustrato, y sólo pueden hacerlo a una disminución precipitada de la misma. En consecuencia, los valores de Km para casi todas las enzimas tienden a ser cercanos a la concentración intracelular promedio de sus sustratos, de modo que los cambios de la concentración de sustrato generan cambios correspondientes del flujo de metabolitos . Las respuestas a cambios de la concentración de sustrato representan un medio pasivo para coordinar el flujo de metabolitos y mantener la homeostasis en células quiescentes. El flujo de metabolitos tiende a ser unidireccional. Muchas de las enzimas que degradan proteínas y polisacáridos residen dentro de organelos denominados lisosomas. De modo similar, la biosíntesis de ácidos grasos ocurre en el citosol, mientras que la oxidación de ácidos grasos tiene lugar dentro de las mitocondrias. La enzima ideal para intervención reguladora es aquella cuya cantidad o eficiencia catalítica dicta que la reacción que cataliza sea lenta en comparación con todas las otras en la vía. Por ende, el decremento de la eficiencia catalítica o de la cantidad del catalítico para la reacción limitante de la velocidad reduce de inmediato el flujo de metabolitos por toda la vía. A la inversa, un incremento de su cantidad o eficiencia catalítica aumenta el flujo a través de la vía en conjunto. Regulación de la cantidad de enzima: La capacidad catalítica de la reacción limitante en una vía metabólica es el producto de la concentración de moléculas de enzima y su eficiencia catalítica intrínseca. Las proteínas del cuerpo se encuentran en un estado de “equilibrio dinámico” en el cual se están sintetizando y degradando de manera continua, proceso llamado recambio de proteína. Mecanismos de regulacion: Cambiando la cantidad absoluta de Enzima presente (Alterando las velocidades de, síntesis, degradación. Por acción de un inductor de la síntesis. Por la presencia de un producto final (Represión por retroalimentación con el producto) Alterando el tamaño de las sustancias relacionantes distintas de la enzima Alterando la eficacia catalítica de la enzima Enzimas reguladoras: Enzimas Alostéricas: La actividad es modulada la unión no covalente de un metabolito a un sitio distinto del sitio activo Enzimas Moduladas Covalentemente: Poseen formas activas e inactivas interconvertibles por acción de otras enzimas. Efecto alosterico: 1. Regulación de la actividad catalítica de una enzima debida a efectores alostéricos que son moléculas de bajo PM con poca o ninguna semejanza con el sustrato. 2. Los moduladores pueden ser a. Positivos (estimuladores o activadores) b. Negativos (inhibidores) Inhibición por retroacción se refiere al proceso mediante el cual el producto terminal de una vía biosintética de múltiples pasos se une a, e inhibe, una enzima que cataliza uno de los primeros pasos de esa vía. Los inhibidores por retroacción típicamente inhiben el primer paso comprometido en una secuencia biosintética particular. La cinética de inhibición por retroacción puede ser competitiva, no competitiva, parcialmente competitiva, o mixta. Cada producto terminal sólo puede inhibir de manera parcial la actividad catalítica. El efecto de un exceso de dos o más productos terminales puede ser estrictamente aditivo o, de modo alternativo, mayor que su efecto individual (inhibición por retroacción cooperativa). Jacques Monod propuso la existencia de sitios alostéricos que son físicamente distintos del sitio catalítico. Razonó que la falta de similitud estructural entre un inhibidor por retroacción y el o los sustratos para la enzima cuya actividad regula indicó que estos efectores no son isostéricos con un sustrato, sino alostéricos (“ocupan otro espacio”). Así, las enzimas alostéricas son aquellas para las cuales la catálisis en el sitio activo puede modularse mediante la presencia de efectores en un sitio alostérico. En general, la unión de un regulador alostérico induce un cambio conformacional en la enzima que abarca el sitio activo. Para las enzimas alostéricas de la serie K, la cinética de saturación de sustrato es competitiva en el sentido de que Km está incrementada sin un efecto sobre Vmáx. Para enzimas alostéricas de la serie V, el inhibidor alostérico disminuye Vmáx sin afectar la Km. Las alteraciones de Km o Vmáx a menudo se producen por cambios conformacionales en el sitio catalítico inducidos por unión del efector alostérico en su sitio. Para una enzima alostérica de la serie K, este cambio conformacional puede debilitar los enlaces entre sustrato y residuos de unión a sustrato. Para una enzima alostérica de la serie V, el efecto primario puede ser alterar la orientación o la carga de residuos catalíticos, lo que genera un decremento de la Vmáx. Es necesario distinguir entre regulación por retroacción, término fenomenológico desprovisto de inferencias mecanicistas, e inhibición por retroacción, mecanismo para la regulación de la actividad enzimática. Los impulsos nerviosos desencadenan cambios del índice de reacciones catalizadas por enzima dentro de células blanco, al inducir liberación o síntesis de efectores alostéricos especializados llamados segundos mensajeros. El mensajero primario, o “primer mensajero”, es la molécula de hormona o el impulso nervioso. Los segundos mensajeros incluyen 3ʹ,5ʹcAMP, sintetizado a partir de ATP por la enzima adenilil ciclasa en respuesta a la hormona adrenalina, y Ca2+, que se almacena dentro del retículo endoplásmico de casi todas las células. Una vez que una proteína es activada, seguirá llevando a cabo sus funciones catalíticas o de otros tipos en tanto no sea eliminada por degradación o algún otro medio.. Ciertas proteínas son sintetizadas y secretadas como proteínas precursoras inactivas conocidas como proproteínas. La proteólisis selectiva o parcial convierte una proproteína por medio de uno o más “cortes” proteolíticos sucesivos en una forma que muestra la actividad característica de la proteína madura, por ejemplo, su actividad catalítica. Las formas proproteínas de enzimas son llamadas proenzimas o zimógenos. Las proteínas sintetizadas como proproteínas son la hormona insulina (pro proteína = proinsulina), las enzimas digestivas pepsina, tripsina y quimotripsina (proproteínas = pepsinógeno, tripsinógeno y quimotripsinógeno, respectivamente), varios factores de las cascadas de coagulación de la sangre y de disolución de coágulo de sangre, y la proteína del tejido conjuntivo colágeno (proproteína = procolágeno). Las proenzimas facilitan la movilización rápida de una actividad en respuesta a demanda fisiológica. Termodinamica: funcion del atp, los cambios de energía que acompañan a reacciones bioquímicas. Los sistemas biológicos son, en esencia, isotérmicos, y usan energía química para impulsar procesos vivos. El modo en que un animal obtiene combustible idóneo a partir. Las hormonas tiroideas controlan el índice de liberación de energía (índice metabólico) y sobreviene enfermedad cuando funcionan mal. El cambio de energía libre de Gibbs (ΔG) es la porción del cambio de energía total en un sistema que está disponible para desempeñar trabajo, es decir, la energía útil, también conocida como el potencial químico. Leyes de termodinamica: La primera ley de la termodinámica establece que la energía total de un sistema, incluso sus alrededores, permanece constante. Eso implica que dentro del sistema total, la energía no se pierde ni se gana durante cambio alguno; sin embargo, sí se puede transferir de una porción del sistema a otra, o transformarse en otra forma de energía. La segunda ley de la termodinámica establece que para que un proceso ocurra de manera espontánea, es necesario que la entropía total de un sistema aumente. La entropía es la extensión de trastorno o de aleatoriedad del sistema y alcanza su pun to máximo conforme logra el equilibrio. Los términos exergónico y endergónico, en lugar de los términos químicos normales “exotérmico” y “endotérmico”, indican que un proceso está acompañado de pérdida o ganancia, respectivamente, de energía libre en cualquier forma, no siempre como calor. En la práctica, un proceso endergónico no puede existir de manera independiente, sino que debe ser un componente de un sistema exergónicoendergónico acoplado donde el cambio neto general es exergónico. Las reacciones exergónicas reciben el nombre de catabolismo (en general, la desintegración u oxidación de moléculas de combustible), en tanto que las reacciones sintéticas que acumulan sustancias se llaman anabolismo; los procesos catabólico y anabólico combi nados constituyen el metabolismo. En la célula viva, el principal intermediario de alta energía o compuesto acarreador, es el trifosfato de adenosina (ATP). el ATP tiene una función fundamental en la transferencia de energía libre desde los procesos exergónicos hacia los endergónicos. El ATP es un nucleósido trifosfato que contiene adenina, ribosa y tres grupos fosfato, el ATP contiene dos grupos fosfato de alta energía y el ADP contiene uno, mientras que el fosfato en el AMP (monofosfato de adenosina) es del tipo de baja energía, porque es un enlace éster normal. Hay tres fuentes principales de fosfato que participan en la conservación de energía o captación de energía: 1. Fosforilación oxidativa: la mayor fuente cuantitativa de ~ en organismos aerobios. La energía libre proviene de la oxidación de la cadena respiratoria usando O2 molecular dentro de las mitocondrias. 2. Glucólisis: una formación neta de dos ~ depende de la formación de lactato a partir de una molécula de glucosa, generada en dos reacciones catalizadas por fosfoglicerato cinasa y piruvato cinasa, respectivamente. 3. El ciclo del ácido cítrico: se genera un de modo directo en el ciclo en el paso de la succinato tiocinasa. Desde el punto de vista químico, la oxidación se define como la pérdida de electrones, en tanto que la reducción es la ganancia de electrones. De este modo, la oxidación siempre se acompaña de reducción de un aceptor de electrones. En reacciones que conllevan oxidación y reducción, el cambio de energía libre es proporcional a la tendencia de los reactivos a donar electrones o aceptarlos. De esta manera, además de expresar cambio de energía libre en cuanto a ΔG0ʹ, es posible, de un modo análogo, expresarlo de manera numérica como un potencial de oxidación-reducción o redox (Eʹ0) para sistemas biológicos, el potencial redox (Eʹ0) por lo general se expresa a pH de 7.0, pH al cual el potencial de electrodo de hidrógeno es de –0.42 V. Las enzimas comprendidas en oxidación y reducción reciben el nombre de oxidorreductasas y se clasifican en cuatro grupos: oxidasas, deshidrogenasas, hidroperoxidasas y oxigenasas. Las oxidasas catalizan la eliminación de hidrógeno desde un sus trato usando oxígeno como un aceptor de hidrógeno.* Forman agua o peróxido de hidrógeno como un producto de reacción. Otras oxidasas son flavoproteínas: Las enzimas flavoproteína contienen flavina mononucleótido (FMN) o flavina adenina dinucleótido (FAD) como grupos pros téticos. FMN y FAD se forman en el cuerpo a partir de la vitamina riboflavina; por lo regular están unidos de modo estrecho —aunque no covalente— a sus proteínas apoenzima respectivas. Las deshidrogenasas no pueden usar oxígeno como aceptor de hidrógeno. Esta clase incluye un gran número de enzimas. Desempeñan dos funciones principales: 1.Transferencia de hidrógeno desde un sustrato hacia otro en una reacción de oxidaciónreducción acoplada. 2. Transferencia de electrones en la cadena respiratoria del transporte de electrones desde sustrato hacia oxígeno. Muchas deshidrogenasas dependen de coenzimas nicotinamida. Estas deshidrogenasas usan nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+) o nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP+) —o ambas— que se forman en el cuerpo a partir de la vitamina niacina. Las coenzimas son reducidas por el sustrato específico de la deshidrogenasa, y reoxidadas por un aceptor de electrones idóneo. Pueden disociarse de manera libre y reversible desde sus apoenzimas respectivas. En general, las deshidrogenasas ligadas a NAD catalizan reacciones de oxidorreducción en las vías oxidativas del metabolismo, sobre todo en la glucólisis, en el ciclo del ácido cítrico, y en la cadena respiratoria de mitocondrias. Otras deshidrogenasas dependen de la riboflavina. Los grupos flavina vinculados con estas deshidrogenasas son similares a la FMN y FAD que ocurren en oxidasas. Por lo general están más estrechamente unidos a sus apoenzimas que las coenzimas nicotinamida. Casi todas las deshidrogenasas enlazadas con riboflavina están relacionadas con el transporte de electrones en (o para) la cadena respiratoria. Los citocromos también pueden considerarse deshidrogenasas. Los citocromos son hemoproteínas que contienen hierro en las cuales el átomo de hierro oscila entre Fe3+ y Fe2+ durante la oxidación y reducción. Excepto por la citocromo oxidasa, se clasifican como deshidrogenasas. En la cadena respiratoria, participan como acarreadores de electrones desde flavoproteínas por un lado hacia citocromo oxidasa por el otro. La cadena respiratoria y fosforilación oxidativa: Las mitocondrias tienen una membrana externa permeable a casi todos los metabolitos, y una membrana interna selectivamente permeable, que encierra una matriz. La membrana externa se caracteriza por la presencia de diversas enzimas, entre ellas la acil-CoA sintetasa y glicerolfosfato aciltransferasa. La adenilil cinasa y la creatina cinasa se encuentran en el espacio intermembrana. El fosfolípido cardiolipina está concentrado en la membrana interna, junto con las enzimas. Las enzimas de la membrana interna son: Acarreadores de electrones (complejos I a IV) ATP sintasa Transportadores de membrana Las enzimas de la matriz mitocondrial son: Enzimas del ciclo del ácido cítrico Enzimas de βoxidación Piruvato deshidrogenasa Membrana externa Las enzimas en la membrana externa son: Acil CoA sintetasa Glicerolfosfato acil transferasa. Note que la membrana interna contiene muchos pliegues (crestas). de la cadena respiratoria, ATP sintasa y diversos transportadores de membrana. Casi toda la energía que se libera durante la oxidación de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos queda disponible dentro de las mitocondrias como equivalentes reductores (—H o electrones). Los componentes de la cadena respiratoria están contenidos en cuatro complejos proteínicos grandes insertos en la membrana mitocondrial interna. Los electrones fluyen por la cadena respiratoria a través de un intervalo redox de 1.1 V desde NAD+/NADH hacia O2/2H20, y pasan por tres complejos proteínicos grandes: NADH-Q oxidorreductasa (complejo I), donde se transfieren electrones desde NADH hacia la coenzima Q (Q) (también lla mada ubiquinona); Q-citocromo c oxidorreductasa (complejo III), que pasa los electrones hacia el citocromo c, y citocromo c oxidasa (complejo IV), que completa la cadena, pasa los electrones hacia O2 y hace que se reduzca a H2O. Algunas sustancias con potenciales redox más positivos que NAD+/NADH (p. ej., succinato) pasan electrones hacia Q por medio de un cuarto complejo, la succinato-Q reductasa (complejo II), en lugar de mediante el complejo I. Los cuatro complejos están embebidos en la membrana mitocondrial interna, pero Q y citocromo c son móviles. Q se difunde con rapidez dentro de la membrana, mientras que el citocromo c es una proteína soluble. El flujo de electrones a través de los complejos I, III y IV da por resultado el bombeo de protones desde la matriz a través de la membrana mitocondrial interna hacia el espacio intermembrana. Las flavoproteínas son componentes de importancia de los complejos I y II. El nucleótido flavina oxidado (FMN o FAD) puede reducirse en reacciones que involucran la transferencia de dos electrones (para formar FMNH2 o FADH2), pero también pueden aceptar un electrón para formar la semiquinona. Las proteínas hierro-azufre (proteínas hierro no hem, Fe-S) se encuentran en los complejos I, II y III, los cuales pueden contener uno, dos o cuatro átomos de Fe en lazados a átomos de azufre inorgánico, o por medio de grupos de cisteínaSH a la proteína, o ambos. Las FeS participan en reacciones de transferencia de un solo electrón en las cuales un átomo de Fe pasa por oxidorreducción entre Fe2+ y Fe3+. Q acepta electrones mediante los complejos i y ii La NADHQ oxidorreductasa o complejo I es una proteína gran de, en forma de L, de múltiples subunidades, que cataliza la trans ferencia de electrones desde NADH hacia Q, junto con la transferencia de cuatro H+ a través de la membrana. En un inicio los electrones se transfieren desde NADH hacia FMN, después hacia una serie de centros FeS y, por último, ha cia Q (figura 13-5). En el complejo II (succinatoQ reductasa), se forma FADH2 durante la conversión de succinato en fumarato en el ciclo del ácido cítrico (figura 173) y a continuación los elec trones se pasan por medio de varios centros FeS hacia Q. el ciclo Q acopla la transferencia de electrones al transporte de protones en el complejo iii Los electrones se pasan desde QH2 hacia el citocromo c por me dio del complejo III. el oxígeno molecular se reduce hacia agua por medio del complejo iv El complejo IV (citocromo c oxidasa) oxida el citocromo c redu cido, con la reducción concomitante de O2 hacia dos moléculas de agua El flujo de electrones por la cadena respiratoria genera ATP por medio del proceso de fosforilación oxidativa. La teoría quimiosmótica, propuesta por Peter Mitchell en 1961, postula que los dos procesos están acoplados mediante un gradiente de pro tón a través de la membrana mitocondrial interna, de mane ra que la fuerza motriz de protón causada por la diferencia de potencial electroquímico (negativa en el lado de la matriz) im pulsa el mecanismo de síntesis de ATP. Como se mencionó, los complejos I, III y IV actúan como bombas de protones. Dado que la membrana mitocondrial interna es impermeable a iones en general, y en especial a protones, éstos se acumulan en el es pacio intermembrana, lo que crea la fuerza motriz de protón predicha por la teoría quimiosmótica. por cada NADH oxidado, los complejos I y III translocan cuatro protones cada uno, y el complejo IV transloca dos. Resumen ■ ■ Casi toda la energía liberada partir de la oxidación de carbohidratos, grasas y proteínas se pone a disposición en las mitocondrias como equivalentes reductores (—H o e–), los cuales se encauzan hacia la cadena respiratoria, donde pasan por un gradiente redox de acarreadores hacia su reacción final con oxígeno para formar agua. ■ ■ Los acarreadores redox están agrupados en cuatro complejos de cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna. Tres de los cuatro complejos tienen la capacidad para usar la energía liberada en el gradiente redox para bombear protones hacia el exterior de la membrana, lo que crea un potencial electroquímico entre la matriz y el espacio de la membrana interna. ■ ■ La ATP sintasa abarca la membrana y actúa como un motor rotatorio usando la energía potencial del gradiente de protón o fuerza motriz de protón para sintetizar ATP a partir de ADP y Pi. De este modo, la oxidación está estrechamente acoplada a la fosforilación para satisfacer las necesidades de energía de las células. ■ ■ Dado que la membrana mitocondrial interna es impermeable a protones y otros iones, los transportadores de intercambio especiales abarcan la membrana para permitir que iones como OH–, ATP4–, ADP3– y metabolitos, pasen sin descargar el gradiente electroquímico a través de la membrana. ■ ■ Muchos venenos bien conocidos, como el cianuro, suspenden la respiración mediante inhibición de la cadena respiratoria. En el estado de ayuno, es ne cesario reservar la glucosa para uso por el sistema nervioso cen tral (que depende en su mayor parte de glucosa) y los eritrocitos (que dependen por completo de la glucosa). De modo que los tejidos que pueden usar otros combustibles distintos a la glucosa, lo hacen; el músculo y el hígado oxidan ácidos grasos, y el hígado sintetiza cuerpos cetónicos a partir de ácidos grasos para exportarlos hacia los músculos y otros tejidos. Conforme se agotan las reservas de glucógeno, se usan para gluconeogénesis aminoácidos que surgen a partir del recambio de proteína. Todos los productos de la digestión se metabolizan hacia un producto común, la acetil-CoA, que luego se oxida mediante el ciclo del ácido cítrico. La glucosa es el principal combustible de casi todos los tejidos. Se metaboliza hacia piruvato por la vía de la glucólisis. Los tejidos aeróbicos metabolizan el piruvato hacia acetil-CoA, que puede entrar al ciclo del ácido cítrico para oxidación completa hacia CO2 y H2O, enlazada a la formación de ATP en el proceso de fosforilación oxidativa. La glucólisis también puede ocurrir de manera anaeróbica (en ausencia de oxígeno) cuando el producto terminal es lactato. La glucosa y sus metabolitos también participan en otros procesos, por ejemplo: 1) la síntesis del polímero de almacena miento glucógeno en el músculo estriado y el hígado. 2) La vía de la pentosa fosfato, una alternativa para parte de las vías de la glucólisis. Es una fuente de equivalentes reductores (NADPH) para la síntesis de ácido graso, y la fuente de ribosa para la síntesis de nucleótido y ácido nucleico. 3) Los triosa fosfatos dan lugar a la porción glicerol de los triacilgliceroles. 4) El piruvato y los intermediarios del ciclo del ácido cítrico proporcionan los esqueletos de carbono para la síntesis de aminoácidos no esenciales, y la acetilCoA es el precursor de ácidos grasos y colesterol (y, por ende, de todos los esteroides sintetizados en el cuerpo). La gluconeogénesis es el proceso de formación de glucosa a partir de precursores no carbohidratos. Los ácidos grasos se pueden oxidar hacia acetil-CoA (β-oxidación) o esterificar con glicerol, lo que forma triacilglicerol (grasa) como la principal reserva de combustible del cuerpo. La acetilCoA formada mediante βoxidación puede tener tres destinos. 1. Al igual que con la acetilCoA que surge a partir de la glucólisis, se oxida hacia CO2 + H2O por medio del ciclo del ácido cítrico. 2. Es el precursor para la síntesis de colesterol y otros esteroides. 3. En el hígado, se usa para formar cuerpos cetónicos Los aminoácidos generados por la digestión de proteína de la dieta y la glucosa producida por la digestión de carbohidratos, se absorben por medio de la vena porta hepática. El hígado tiene la función de regular la concentración sanguínea de estos metabo litos hidrosolubles. En el caso de la glucosa, esto se logra al captar la que excede los requerimientos inmediatos, y usarla para sintetizar glucógeno (glucogénesis) o ácidos grasos (lipogénesis). el hígado actúa para mantener las cifras sanguíneas de glucosa al desintegrar glucógeno (glucogenólisis) y, junto con los riñones, al convertir metabolitos no carbohidrato, como lactato, glicerol y aminoácidos, en glucosa (gluconeogénesis) . en el ámbito subcelular, la glucólisis ocurre en el citosol, y el ciclo del ácido cítrico en las mitocondrias. La principal función de la mitocondria queda de manifiesto de inmediato, porque actúa como el foco del metabolismo de carbohidratos, lípidos y aminoácidos. Contiene las enzimas del ciclo del ácido cítrico, la βoxidación de ácidos grasos y la cetogénesis, así como la cadena respiratoria y la ATP sintasa.
