Biology · AP Biology
Energética celular
enzimas, luz y respiración
Una célula es un sistema muy ordenado, y el orden cuesta energía. Todo ser vivo necesita un suministro constante de ella, y lo obtiene mediante reacciones que las enzimas llevan a cabo.
A la izquierda, un cloroplasto captura energía luminosa y la almacena en glucosa, liberando O2. A la derecha, una mitocondria descompone la glucosa con ese O2, de vuelta a CO2 y H2O, y guarda la energía liberada en el ATP, la molécula que la célula gasta.
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
La fotosíntesis recorre esta ecuación al revés, impulsada por la luz. La materia da vueltas en el ciclo; la energía no. Entra como luz y sale como calor.
Este capítulo desarma las enzimas que aceleran cada paso, el acoplamiento que permite que el ATP pague el trabajo, y las dos rutas: la fotosíntesis y la respiración celular.
una cavidad con la forma de un solo sustrato
An enzyme is a catalyst, nearly always a protein, that speeds up one reaction without being used up.
The molecule it acts on is its substrate. The substrate binds in the active site, a pocket in the folded protein lined by amino acid side chains. For the reaction to happen, the substrate’s shape and charge must be compatible with the active site: a positively charged side chain attracts a negatively charged region of the substrate, a nonpolar patch holds a nonpolar one.
That is why an enzyme is specific. In the figure the blue molecule has the wrong shape; it drifts past and nothing happens.
When the substrate binds, the enzyme changes shape slightly and closes around it: induced fit. The enzyme–substrate complex strains the bond to be broken, the products are released, and the enzyme is free to take another substrate, unchanged.
The active site’s shape comes from the protein’s 3-D folding, so anything that changes the folding changes what the enzyme can do (3.2).
energía de activación
Incluso una reacción que libera energía tiene que ser empujada primero sobre una colina. La altura de esa colina es la energía de activación, Ea.
La figura grafica la energía libre G a lo largo de la reacción. Sin la enzima (tinta), Ea = 80 kJ/mol; pocas moléculas tienen energía suficiente para cruzar, así que la reacción es lenta. La enzima (rojo) ofrece un camino con Ea = 40 kJ/mol, y muchas más moléculas logran pasar.
| sin enzima | con enzima |
|---|
| energía de activación (kJ/mol) | 80 | 40 |
| ΔG de la reacción (kJ/mol) | −30 | −30 |
Con estas barreras, a la temperatura corporal la reacción catalizada es unas 5.5 × 106 veces más rápida.
Lo que la enzima no cambia: la energía de reactivos y productos, así que ΔG es la misma, ni el sentido en que va la reacción. Una enzima acelera una reacción que ocurriría de todos modos; no puede hacer que una reacción que requiere energía avance por sí sola.
cada enzima tiene sus condiciones óptimas
Una enzima funciona más rápido a una temperatura y un pH óptimos. Lejos de ellos, la velocidad baja.
Temperatura. El calor acelera las moléculas, que chocan más seguido y con más energía: por debajo del óptimo la velocidad aumenta, a menudo unas 2× por cada 10 °C. Por encima, el calor rompe los puentes de hidrógeno y otras interacciones débiles que mantienen la forma de la proteína, el sitio activo pierde su forma y la velocidad cae bruscamente. Esto es la desnaturalización. En la figura el óptimo es de unos 37 °C, típico de una enzima humana.
Q10. El factor por el que cambia una velocidad en 10 °C. Si una reacción avanza a 3.2 μmol/min a 15 °C y a 6.4 μmol/min a 25 °C:
pH. La concentración de H+ cambia las cargas de las cadenas laterales, lo que cambia el plegamiento de la proteína y las cargas del sitio activo. La pepsina actúa en el estómago (pH óptimo 2); la tripsina, en el intestino delgado (pH óptimo 8).
La desnaturalización a veces es reversible: si la forma regresa cuando las condiciones lo hacen, también regresa la actividad.
lo que ocupa los sitios activos
Con más sustrato, más sitios activos están ocupados en cada momento, así que la velocidad aumenta, hasta que casi todos los sitios están ocupados y la velocidad se estabiliza en Vmax (aquí 10 μmol/min).
A partir de ese punto, solo más enzima la hace más rápida: con sustrato en exceso, la velocidad es proporcional a la concentración de enzima. Los productos que se acumulan también frenan la reacción neta.
Un inhibidor reduce la velocidad.
| se une a | más sustrato |
|---|
| competitivo | el sitio activo | lo supera: misma Vmax |
| no competitivo | otro sitio (alostérico) | no ayuda: menor Vmax |
Un inhibidor competitivo se parece al sustrato y ocupa el sitio activo; con [S] alta, el sustrato gana la mayoría de los sitios, así que la curva azul aún sube hacia 10. Un inhibidor no competitivo se une a un sitio alostérico y cambia la forma de la enzima, de modo que el sitio activo ya no funciona; la curva roja llega a un máximo de 5, sin importar cuánto sustrato se agregue.
Las células aprovechan esto: el producto final de una vía suele inhibir alostéricamente a su primera enzima (inhibición por retroalimentación). Muchas enzimas también necesitan un cofactor (un ion metálico como Mg2+) o una coenzima (una molécula orgánica, a menudo derivada de una vitamina) para adoptar su forma funcional.
El ATP paga lo que no ocurre solo
La vida está ordenada, y el orden no se mantiene solo. Los sistemas vivos necesitan un aporte constante de energía; esta se transmite en vías secuenciales y en cada paso se pierde una parte como calor.
Esto no contradice la segunda ley de la termodinámica: la célula se vuelve más ordenada mientras su entorno se vuelve más desordenado, al liberarse calor y moléculas más simples (CO2, H2O). Cuando se detiene el aporte de energía, el orden se pierde y el organismo muere.
Una reacción con ΔG < 0 libera energía (exergónica) y puede ocurrir por sí sola. Una con ΔG > 0 necesita energía (endergónica). La célula realiza una reacción endergónica acoplándola a una exergónica, normalmente la hidrólisis de ATP.
Ejemplo. Formación de glutamina a partir de glutamato y amoniaco:
| reacción | ΔG (kJ/mol) |
|---|
| glutamato + NH3 → glutamina | +14.2 |
| ATP + H2O → ADP + Pi | −30.5 |
| acopladas | 14.2 + (−30.5) = −16.3 |
El acoplamiento es químico: el ATP cede su último fosfato al glutamato, el glutamato fosforilado es menos estable y reacciona con NH3, y el fosfato se libera. El par tiene ΔG < 0, así que ocurre.
luz, una cadena de electrones y un gradiente de protones
En las membranas de los tilacoides del cloroplasto, la energía de la luz se transforma en la energía química del ATP y el NADPH.
Captura de la luz. Las clorofilas del fotosistema II y del fotosistema I absorben luz, lo que excita electrones a un nivel de energía más alto. Otros pigmentos (clorofila b, carotenoides) absorben otras longitudes de onda y transmiten la energía; esta variedad de moléculas amplía el intervalo de luz que una planta puede aprovechar.
La cadena de transporte de electrones. Los electrones excitados salen del PS II y pasan por transportadores hasta el PS I, que los vuelve a excitar, y luego al NADP+, formando NADPH. El PS II repone sus electrones al romper el agua: 2 H2O → 4 H+ + 4 e− + O2. De ahí proviene el O2.
Quimiósmosis. La energía de los electrones bombea H+ al espacio tilacoidal, y la fotólisis del agua añade más allí. El lumen alcanza un pH de aproximadamente 5, y el estroma, de aproximadamente 8: hay 1,000 veces más H+ dentro. El H+ solo puede salir por la ATP sintasa; el flujo hace girar su rotor, y el giro produce ATP a partir de ADP y Pi del lado del estroma.
La fotosíntesis surgió primero en procariontes (cianobacterias), cuyo O2 cambió la atmósfera de la Tierra; los cloroplastos descienden de una célula así.
carbono fijado en azúcar
En el estroma, el ATP y el NADPH de las reacciones luminosas impulsan el ciclo de Calvin, que construye azúcar a partir de CO2.
Fijación. La enzima rubisco une cada CO2 a un aceptor de 5 carbonos (RuBP); el producto se divide en dos moléculas de 3 carbonos.
Reducción. El ATP y los electrones del NADPH las convierten en el azúcar de 3 carbonos G3P.
Regeneración. La mayor parte del G3P, con más ATP, se reorganiza para regenerar el aceptor, de modo que el ciclo pueda continuar. El resto sale para formar glucosa y otras moléculas.
El balance. El carbono se conserva, así que para exportar un G3P de 3 carbonos el ciclo debe fijar 3 CO2:
| CO2 | ATP | NADPH |
|---|
| por G3P | 3 | 6 + 3 = 9 | 6 |
| por glucosa (2 G3P) | 6 | 18 | 12 |
Las reacciones luminosas y el ciclo de Calvin dependen una de otro: el ciclo devuelve ADP y NADP+ para que la membrana los recargue. En la oscuridad, el ATP y el NADPH se agotan y el ciclo se detiene. Los nombres de los intermediarios están aquí solo para seguir el carbono; el examen no los pide.
descomponiendo la glucosa
La respiración celular libera la energía de la glucosa paso a paso. Las primeras etapas le quitan su carbono como CO2 y cargan sus electrones en transportadores.
La glucólisis, en el citosol, divide la glucosa en dos moléculas de piruvato de 3 carbonos. Invierte 2 ATP y produce 4, con una ganancia neta de 2 ATP, y carga 2 NAD+ a NADH. No necesita O2.
Oxidación del piruvato. El piruvato entra a la matriz mitocondrial y se convierte en acetil-CoA, liberando un CO2 y formando un NADH.
El ciclo de Krebs, en la matriz, oxida el grupo acetilo a 2 CO2 y produce ATP, NADH y FADH2. Da dos vueltas por glucosa.
| por glucosa | ATP | NADH | FADH2 | CO2 |
|---|
| glucólisis | 2 | 2 | 0 | 0 |
| oxidación del piruvato | 0 | 2 | 0 | 2 |
| ciclo de Krebs | 2 | 6 | 2 | 4 |
| total | 4 | 10 | 2 | 6 |
Los seis carbonos de la glucosa salen como los 6 CO2 de la ecuación global. Hasta ahora solo se han producido 4 ATP; la mayor parte de la energía está en los 12 transportadores cargados.
la cadena, el gradiente y la ATP sintasa
El NADH y el FADH2 entregan sus electrones a la cadena de transporte de electrones en la membrana mitocondrial interna. En los procariontes, la cadena está en la membrana plasmática.
Los electrones pasan de un transportador a otro, cada uno los retiene con más fuerza, y la energía que liberan bombea H+ de la matriz al espacio intermembranal. Al final, el O2 es el aceptor final de electrones: toma los electrones y los H+ y se convierte en agua. Algunos procariontes usan otro aceptor final, como sulfato o nitrato.
El gradiente impulsa el regreso de H+ por la ATP sintasa, que gira y produce ATP: quimiósmosis, igual que en el cloroplasto. El plegamiento de la membrana interna en crestas da espacio para muchas cadenas.
El rendimiento. Aproximadamente 2.5 ATP por NADH y 1.5 por FADH2:
Eso es aproximadamente el 34% de los 2870 kJ/mol de la glucosa conservado como ATP (32 × 30.5 kJ/mol); el resto es calor. Sin O2, la cadena se satura y se detiene.
Desacoplamiento. Si los H+ regresan a través de la membrana sin pasar por la ATP sintasa, el transporte de electrones continúa, pero la energía del gradiente se libera como calor. La grasa parda lo hace a propósito, para mantener calientes a los endotermos.
ATP sin oxígeno
Sin O2, la glucólisis aún puede producir 2 ATP por glucosa, si hay NAD+.
La glucólisis convierte el NAD+ en NADH. Sin O2 que vacíe la cadena, el NADH no puede descargarse allí, y la célula pronto se quedaría sin NAD+. La fermentación lo regenera: el piruvato (o un producto de él) toma los electrones del NADH.
| el piruvato se convierte en | dónde |
|---|
| fermentación láctica | lactato | células musculares, algunas bacterias |
| fermentación alcohólica | etanol + CO2 | levaduras, algunas bacterias |
La fermentación en sí no produce ATP; mantiene en marcha la glucólisis. Con O2, la misma glucosa da unos 32 ATP, 16 veces más. Una célula que fermenta debe consumir glucosa mucho más rápido para obtener el mismo ATP.
La glucólisis se encuentra en casi todos los organismos y no necesita O2 ni organelos con membrana, lo que indica que evolucionó temprano, antes de que hubiera O2 en la atmósfera.
← Estructura y función de la célula · Comunicación celular y ciclo celular →