CATALIZADORES BIOLOGICOS: ENZIMAS
Las
enzimas son moléculas de naturaleza proteica que catalizan reacciones
químicas, siempre que sea termodinámicamente posible (si bien no pueden
hacer que el proceso sea más termodinámicamente favorable). En estas
reacciones, las enzimas actúan sobre unas moléculas denominadas
sustratos, las cuales se convierten en moléculas diferentes, los
productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para
que ocurran en tasas significativas. A las reacciones mediadas por
enzimas se las denomina reacciones enzimáticas.
Estructura
de la triosafosfato isomerasa. Conformación en forma de diagrama de
cintas rodeado por el modelo de relleno de espacio de la proteína. Esta
proteína es una eficiente enzima involucrada en el proceso de
transformación de azúcares en energía en las células.
Debido a
que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos y su
velocidad crece sólo con algunas reacciones de entre otras
posibilidades, el conjunto (set) de enzimas sintetizadas en una célula
determina el metabolismo que ocurre en cada célula. A su vez, esta
síntesis depende de la regulación de la expresión génica.
Como todos
los catalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo la energía de
activación (ΔG‡) de una reacción, de forma que se acelera
sustancialmente la tasa de reacción. Las enzimas no alteran el balance
energético de las reacciones en que intervienen, ni modifican, por lo
tanto, el equilibrio de la reacción, pero consiguen acelerar el proceso
incluso millones de veces. Una reacción que se produce bajo el control
de una enzima, o de un catalizador en general, alcanza el equilibrio
mucho más deprisa que la correspondiente reacción no catalizada.
Al
igual que ocurre con otros catalizadores, las enzimas no son consumidas
por las reacciones que ellas catalizan, ni alteran su equilibrio
químico. Sin embargo, las enzimas difieren de otros catalizadores por
ser más específicas. Las enzimas catalizan alrededor de 4.000 reacciones
bioquímicas distintas. No todos los catalizadores bioquímicos son
proteínas, pues algunas moléculas de ARN son capaces de catalizar
reacciones (como el fragmento 16S de los ribosomas en el que reside la
actividad peptidil transferasa).
La actividad de las enzimas puede
ser afectada por otras moléculas. Los inhibidores enzimáticos son
moléculas que disminuyen o impiden la actividad de las enzimas, mientras
que los activadores son moléculas que incrementan la actividad.
Asimismo, gran cantidad de enzimas requieren de cofactores para su
actividad. Muchas drogas o fármacos son moléculas inhibidoras.
Igualmente, la actividad es afectada por la temperatura, el pH, la
concentración de la propia enzima y del sustrato y otros factores
físico-químicos.
Algunas enzimas son usadas comercialmente, por
ejemplo, en la síntesis de antibióticos y productos domésticos de
limpieza. Además, ampliamente utilizadas en variados procesos
industriales, como son la fabricación de alimentos, destinción de jeans o
producción de biocombustibles.
ESPECIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS
Las
enzimas suelen ser muy específicas tanto del tipo de reacción que
catalizan como del sustrato involucrado en la reacción. La forma, la
carga y las características hidrofílicas/hidrofóbicas de las enzimas y
los sustratos son los responsables de dicha especificidad. Las enzimas
también pueden mostrar un elevado grado de estereoespecificidad,
regioselectividad y quimioselectividad.
Algunas de estas enzimas que
muestran una elevada especificidad y precisión en su actividad son
aquellas involucradas en la replicación y expresión del genoma. Estas
enzimas tienen eficientes sistemas de comprobación y corrección de
errores, como en el caso de la ADN polimerasa, que cataliza una reacción
de replicación en un primer paso, para comprobar posteriormente si el
producto obtenido es el correcto. Este proceso, que tiene lugar en dos
pasos, da como resultado una media de tasa de error increíblemente baja,
en torno a 1 error cada 100 millones de reacciones en determinadas
polimerasas de mamíferos. Este tipo de mecanismos de comprobación
también han sido observados en la ARN polimerasa, en la ARNt aminoacil
sintetasa y en los ribosomas.
Aquellas enzimas que producen
metabolitos secundarios son denominadas promiscuas, ya que pueden actuar
sobre una gran variedad de sustratos. Por ello, se ha sugerido que esta
amplia especificidad de sustrato podría ser clave en la evolución y
diseño de nuevas rutas biosintéticas.
CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS
Existe
una clasificación normalizada con 6 categorías principales dependiendo
de la reacción que catalice la enzima. Cada enzima está clasificada
mediante su número EC.
1. Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de
oxidorreducción o redox. Precisan la colaboración de las coenzimas de
oxidorreducción (NAD+, NADP+, FAD) que aceptan o ceden los electrones
correspondientes; tras la acción catalítica, estas coenzimas quedan
modificadas en su grado de oxidación, por lo que deben ser transformadas
antes de volver a efectuar la reacción catalítica. Ejemplos:
deshidrogenasas, peroxidasas.
2. Transferasas: Transfieren grupos
activos (obtenidos de la ruptura de ciertas moléculas) a otras
sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos de interconversión de
monosacáridos, aminoácidos, etc. Ejemplos: transaminasas, quinasas.
3.
Hidrolasas: Verifican reacciones de hidrólisis con la consiguiente
obtención de monómeros a partir de polímeros. Actúan en la digestión de
los alimentos, previamente a otras fases de su degradación. La palabra
hidrólisis se deriva de hidro 'agua' y lisis 'disolución'. Ejemplos:
glucosidasas, lipasas, esterasas.
4. Isomerasas: Actúan sobre
determinadas moléculas obteniendo de ellas sus isómeros de función o de
posición, es decir, catalizan la racemizacion y cambios de posición de
un grupo en determinada molécula obteniendo formas isoméricas . Suelen
actuar en procesos de interconversión. Ejemplo: epimerasas (mutasa).
5.
Liasas: Catalizan reacciones en las que se eliminan grupos (H2O, CO2 y
NH3) para formar un doble enlace o añadirse a un doble enlace, capaces
de catalizar la reducción en un sustrato. El sustrato es una molécula,
la cual, se une al sitio activo de la enzima para la formación del
complejo enzima-sustrato. El mismo, por acción de la enzima, es
transformado en producto y es liberado del sitio activo, quedando libre
para recibir otro sustrato. Ejemplos: descarboxilasas, liasas.
6.
Ligasas: Realizan la degradación o síntesis de los enlaces denominados
"fuertes" mediante al acoplamiento a sustancias de alto valor energético
(como el ATP). Ejemplos: sintetasas, carboxilasas.
BIOTECNOLOGIA
La
biotecnología es la tecnología basada en la biología, especialmente
usada en agricultura, farmacia, ciencia de los alimentos, ciencias
forestales y medicina. Se desarrolla en un enfoque multidisciplinario
que involucra varias disciplinas y ciencias como biología, bioquímica,
genética, virología, agronomía, ingeniería, física, química, medicina y
veterinaria entre otras. Tiene gran repercusión en la farmacia, la
medicina, la microbiología, la ciencia de los alimentos, la minería y la
agricultura entre otros campos. Probablemente el primero que usó este
término fue el ingeniero húngaro Karl Ereki, en 1919, quien la introdujo
en su libro Biotecnología en la producción cárnica y láctea de una gran
explotación agropecuaria.
Según el Convenio sobre Diversidad
Biológica de 1992, la biotecnología podría definirse como "toda
aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos
vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o
procesos para usos específicos".
El Protocolo de Cartagena sobre
Seguridad de la Biotecnología del Convenio sobre la Diversidad Biológica
define la biotecnología moderna como la aplicación de:
• Técnicas in
vitro de ácido nucleico, incluidos el ácido desoxirribonucleico (ADN)
recombinante y la inyección directa de ácido nucleico en células u
orgánulos, o
• La fusión de células más allá de la familia
taxonómica que superan las barreras fisiológicas naturales de la
reproducción o de la recombinación y que no son técnicas utilizadas en
la reproducción y selección tradicional.
FERMENTACIÓN
La
fermentación es un proceso catabólico de oxidación incompleta,
totalmente anaeróbico, siendo el producto final un compuesto orgánico.
Estos productos finales son los que caracterizan los diversos tipos de
fermentaciones.
Fue descubierta por Louis Pasteur, que la describió
como la vie sans l´air (la vida sin el aire). La fermentación típica es
llevada a cabo por las levaduras. También algunos metazoos y protistas
son capaces de realizarla.
El proceso de fermentación es anaeróbico
ya que se produce en ausencia de oxígeno; ello significa que el aceptor
final de los electrones del NADH producido en la glucólisis no es el
oxígeno, sino un compuesto orgánico que se reducirá para poder reoxidar
el NADH a NAD+. El compuesto orgánico que se reduce (acetaldehído,
piruvato, ...) es un derivado del sustrato que se ha oxidado
anteriormente.
En los seres vivos, la fermentación es un proceso
anaeróbico y en él no interviene la mitocondria ni la cadena
respiratoria. Son propias de los microorganismos, como algunas bacterias
y levaduras. También se produce la fermentación en la mayoría de las
células de los animales (incluido el hombre), excepto en las neuronas
que mueren rápidamente si no pueden realizar la respiración celular;
algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias y se ven
obligadas a fermentar; el tejido muscular de los animales realiza la
fermentación láctica cuando el aporte de oxígeno a las células
musculares no es suficiente para el metabolismo aerobio y la contracción
muscular.
Desde el punto de vista energético, las fermentaciones son
muy poco rentables si se comparan con la respiración aerobia, ya que a
partir de una molécula de glucosa sólo se obtienen 2 moléculas de ATP,
mientras que en la respiración se producen 36. Esto se debe a la
oxidación del NADH, que en lugar de penetrar en la cadena respiratoria,
cede sus electrones a compuestos orgánicos con poco poder oxidante.
En
la industria la fermentación puede ser oxidativa, es decir, en
presencia de oxígeno, pero es una oxidación aeróbica incompleta, como la
producción de ácido acético a partir de etanol.
Las fermentaciones
pueden ser: naturales, cuando las condiciones ambientales permiten la
interacción de los microorganismos y los sustratos orgánicos
susceptibles; o artificiales, cuando el hombre propicia condiciones y el
contacto referido.
FOTOSINTESIS
Es la conversión de energía
luminosa en energía química estable, siendo el adenosín trifosfato (ATP)
la primera molécula en la que queda almacenada esa energía química. Con
posterioridad, el ATP se usa para sintetizar molécula orgánicas de
mayor estabilidad. Además, se debe de tener en cuenta que la vida en
nuestro planeta se mantiene fundamentalmente gracias a la fotosíntesis
que realizan las algas, en el medio acuático, y las plantas, en el medio
terrestre, que tienen la capacidad de sintetizar materia orgánica
(imprescindible para la constitución de los seres vivos) partiendo de la
luz y la materia inorgánica.
Los organismos capaces de llevar a cabo
este proceso se denominan fotoautótrofos o simplemente autótrofos y son
capaces de fijar el CO2 atmosférico (lo que ocurre casi siempre). Salvo
en algunas bacterias, en el proceso de fotosíntesis se producen
liberación de oxígeno molecular (proveniente de moléculas de H2O) hacia
la atmósfera (fotosíntesis oxigénica). Es ampliamente admitido que el
contenido actual de oxígeno en la atmósfera se ha generado a partir de
la aparición y actividad de dichos organismos fotosintéticos. Esto ha
permitido la aparición evolutiva y el desarrollo de organismos aerobios
capaces de mantener una alta tasa metabólica (el metabolismo aerobio es
muy eficaz desde el punto de vista energético).
En la actualidad se
diferencian dos tipos de procesos fotosintéticos, que son la
fotosíntesis oxigénica y la fotosíntesis anoxigénica. La primera de las
modalidades es la propia de las plantas superiores, las algas y las
cianobacterias, donde el dador de electrones es el agua y, como
consecuencia, se desprende oxígeno (H2O → 2 H+ + 2 e- + 1/2 O2);
mientras que la segunda, también conocida con el nombre de fotosíntesis
bacteriana, la realizan las bacterias purpúreas y verdes del azufre, en
las que en dador de electrones es el sulfuro de hidrógeno, y
consecuentemente, el elemento químico liberado no será oxígeno sino
azufre, que puede ser acumulado en el interior de la bacteria, o en su
defecto, expulsado al agua (H2S → 2 H+ + 2 e- + S).
A comienzos del
año 2009, se publicó un artículo en la revista Nature Geoscience en el
que científicos norteamericanos daban a conocer el hallazgo de pequeños
cristales de hematita (en Cratón de Pilbara, en el noroeste de
Australia), un mineral de hierro que data de la época del eón Arcaico,
demostrando la existencia de agua rica en oxígeno y consecuentemente, de
organismos fotosintetizadores capaces de producirlo. Gracias al estudio
realizado, se ha llegado a la conclusión de la existencia de
fotosíntesis oxigénica y de la oxigenación de la atmósfera y de los
océanos hace más de 3.460 millones de años, así como también se deduce
la existencia de un número considerable de organismos capaces de llevar a
cabo la fotosíntesis para oxigenar la masa de agua mencionada, aunque
sólo fuese de manera ocasional.
1. FASE FOTOQUÍMICA: La energía
luminosa que absorbe la clorofila se transmite a los electrones externos
de la molécula, los cuales escapan de la misma y producen una especie
de corriente eléctrica en el interior del cloroplasto al incorporarse a
la cadena de transporte de electrones. Esta energía puede ser empleada
en la síntesis de ATP mediante la fotofosforilación, y en la síntesis de
NADPH. Ambos compuestos son necesarios para la siguiente fase o Ciclo
de Calvin, donde se sintetizarán los primeros azúcares que servirán para
la producción de sacarosa y almidón. Los electrones que ceden las
clorofilas son repuestos mediante la oxidación del H2O, proceso en el
cual se genera el O2 que las plantas liberan a la atmósfera.
Existen
dos variantes de fotofosforilación: acíclica y cíclica, según el
tránsito que sigan los electrones a través de los fotosistemas. Las
consecuencias de seguir un tipo u otro estriban principalmente en la
producción o no de NADPH y en la liberación o no de O2.
Fotofosforilación acíclica
Este
proceso permite la formación de ATP y la reducción de NADP+ a NADPH +
H+, y necesita de la energía de la luz, como ya se ha dicho. Se realiza
gracias a los llamados fotosistemas, que se encuentran en la membrana de
los tilacoides (en los cloroplastos). Estos están formados por dos
partes:
• Antena, donde se agrupan los pigmentos antena, junto con
proteínas, y cuya función es captar la energía de los fotones para
transmitirla al pigmento diana; y el centro de reacción. Este esta
formado por proteínas y por pigmentos, encontrándose en él el llamado
pigmento diana, que es aquel que recibe la energía de excitación de la
antena, energía que sirve para excitar y liberar electrones. Aquí
también se encuentra el primer dador de electrones, que repone los
electrones al pigmento diana,
• Primer aceptor, que recibe los electrones liberados.
Hay dos tipos de fotosistemas:
• Fotosistema I, que se encuentra sobre todo en los tilacoides de estroma, y cuyo pigmento diana es la clorofila P700.
• Fotosistema II, que se encuentra sobre todo en los grana y cuyo pigmento diana es la clorofila P680.
Proceso
El
proceso de la fase luminosa, supuesto para dos electrones, es el
siguiente: Los fotones inciden sobre el fotosistema II, excitando y
liberando dos electrones, que pasan al primer aceptor de electrones, la
feofitina. Los electrones los repone el primer dador de electrones, el
dador Z, con los electrones procedentes de la fotólisis del agua en el
interior del tilacoide (la molécula de agua se divide en 2H+ + 2e- +
1/2O2). Los protones de la fotólisis se acumulan en el interior del
tilacoide, y el oxígeno es liberado.
Los electrones pasan a una
cadena de transporte de electrones, que invertirá su energía liberada en
la síntesis de ATP. ¿Cómo? La teoría quimioosmótica nos lo explica de
la siguiente manera: los electrones son cedidos a las plastoquinonas,
las cuales captan también dos protones del estroma. Los electrones y los
protones pasan al complejo de citocromos bf, que bombea los protones al
interior del tilacoide. Se consigue así una gran concentración de
protones en el tilacoide (entre éstos y los resultantes de la fotólisis
del agua), que se compensa regresando al estroma a través de las
proteínas ATP-sintasas, que invierten la energía del paso de los
protones en sintetizar ATP. La síntesis de ATP en la fase fotoquímica se
denomina fotofosforilación.
Los electrones de los citocromos pasan a
la plastocianina, que los cede a su vez al fotosistema I. Con la
energía de la luz, los electrones son de nuevo liberados y captados por
el aceptor A0. De ahí pasan a través de una serie de filoquinonas hasta
llegar a la ferredoxina. Ésta molécula los cede a la enzima
NADP+-reductasa, que capta también dos protones del estroma. Con los dos
protones y los dos electrones, reduce un NADP+ en NADPH + H+.
El
balance final es: por cada molécula de agua (y por cada cuatro fotones)
se forman media molécula de oxígeno, 1,3 moléculas de ATP, y un NADPH +
H+.
Fase luminosa cíclica
En la fase luminosa o fotoquímica
cíclica interviene de forma exclusiva el fotosistema I, generándose un
flujo o ciclo de electrones que en cada vuelta da lugar a síntesis de
ATP. Al no intervenir el fotosistema II, no hay fotólisis del agua y,
por ende, no se produce la reducción del NADP+ ni se desprende oxígeno.
Únicamente se obtiene ATP.
El objetivo que tiene la fase cíclica
tratada es el de subsanar el déficit de ATP obtenido en la fase acíclica
para poder afrontar la fase oscura posterior.
Cuando se ilumina con
luz de longitud de onda superior a 680 nm (lo que se llama rojo lejano)
sólo se produce el proceso cíclico. Al incidir los fotones sobre el
fotosistema I, la clorofila P700 libera los electrones que llegan a la
ferredoxina, la cual los cede a un citocromo b6 y éste a la
plastoquinona (PH), que capta dos protones y pasa a (PQH2). La
plastoquinona reducida cede los dos electrones al citocromo f e
introduce
Tiene lugar al mismo tiempo que la acíclica. En ella sólo
interviene el fotosistema I. Los electrones liberados, después de llegar
a la ferredoxina, pasan a las plastoquinonas, y siguen la cadena de
transporte de electrones hasta regresar a la plastocianina y al
fotosistema I. Por tanto, se genera ATP pero no NADPH. Sirve para
compensar el hecho de que en la fotofosforilación acíclica no se genera
suficiente ATP para la fase oscura.
2. FASE OSCURA O BIOSINTETICA: En
la fase oscura, que tiene lugar en la matriz o estroma de los
cloroplastos, la energía en forma de ATP y el NADPH que se obtuvo en la
fase fotoquímica se usa para sintetizar materia orgánica por medio de
sustancia inorgánicas. La fuente de carbono empleada
La fase
bioquímica o ciclo de Calvin o ciclo reductivo de las pentosas-fosfato
consiste en un ciclo de reacciones químicas en las que se incorpora el
CO2 de la atmósfera en moléculas orgánicas, y se originan triosas
fosfato, los primeros azúcares previos a la formación de sacarosa y
almidón. Durante este ciclo se emplean el ATP y el NADPH producidos en
la etapa fotoquímica. Se divide en tres etapas: carboxilación, reducción
y regeneración.
Este ciclo comienza con una pentosa, la
ribulosa-1,5-bisfosfato, que se carboxila con el CO2, y se descompone en
dos moléculas de ácido-3-fosfoglicérico. Con el gasto de un ATP, el
ácido-3-fosfoglicérico se fosforila en ácido-1,3-bifosfoglicérico. Éste
se reduce con el NADPH, y se libera una molécula de ácido fosfórico,
formándose el gliceraldehído-3-fosfato. La molécula formada puede seguir
ahora dos vías: una es dar lugar a más ribulosa-1,5-bisfosfato para
seguir el ciclo, y la otra es dar lugar a los distintos principios
inmediatos: glucosa o fructosa, almidón y a partir de ellos los demás
glúcidos, y los lípidos, proteínas y nucleótidos que requiere la
célula...
Hay que destacar que tanto la fase fotoquímica como la fase
biosintética se producen a la vez. Son inseparables, ya que los
productos de la fase fotoquímica son empleados en la fase biosintética.
Por otro lado al consumir en la fase biosintética el ATP y NADPH se
obtienen ADP y NADP+ para la fase fotoquímica. Para asegurar que ambas
fases se produzcan a la vez existe una fuerte fotorregulación sobre las
enzimas del ciclo de Calvin para que estén activas por el día e
inactivas por la noche, en especial sobre la enzima rubisco. No obstante
existe una variante de fotosíntesis presente en ciertas plantas que
permite separar la fijación del CO2 de la fase fotoquímica. Se trata de
la fotosíntesis tipo CAM, empleada por plantas adaptadas a climas
desérticos, para evitar que se abran los estomas por el día para fijar
el CO2, con la consiguiente pérdida de agua.
RESPIRACIÓN CELULAR
La
respiración comienza con el desdoblamiento de un azúcar simple, como lo
es la glucosa. La molecula de glucosa es degradada en tres pasos: la
glucolisis, el ciclo de krebs y la cadena transportadora de electrones,
los cuales comprenden una serie de reacciones químicas que pueden
dividirse en dos grupos principales: la ruta del carbono (glucolisis y
ciclo de krebs) y la ruta del hidrogeno (cadena transportadora de
electrones)
Ruta del carbono: se liberan los atomos de carbono, en forma de dióxido de carbono, de la molecula de glucosa.
Ruta
del hidrogeno: se transfieren los atomos de hidrogeno de la glucosa
hasta el oxigeno, formando agua. Ambos procesos enlazados entre sí.
