Este documento resume conceptos clave de termodinámica, enzimas y regulación enzimática. Brevemente discute los principios de la termodinámica, incluyendo que la energía no puede crearse ni destruirse. Luego describe las características de las enzimas, incluyendo que son proteínas catalizadoras específicas que aceleran reacciones químicas. Finalmente, resume varios mecanismos por los cuales las enzimas pueden regularse, como a través de la expresión génica, modificaciones postradu

1. Biología e Introducción a la Biología Celular (54) CBC -UBA
Clase 05
1) Termodinámica.
2) Enzimas. Características.
3) Regulación enzimática.
1) Termodinámica
Un sistema es aquella parte del universo que se quiera investigar. Se encuentra rodeado por
todo el resto de las cosas, que llamamos medio. La suma del sistema más el medio es el universo.
1750: Primera revolución industrial cuyo motor principal fue la máquina a vapor. Es una
máquina que realiza una transformación cíclica a un sistema (una rueda que gira, un gas que se
contrae y se expande, un pistón que sube y baja, etc.). En la búsqueda de mejorar la eficiencia de
la máquina se postularon cuatro principios termodinámicos.
Principio Cero: Si dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, el de mayor
temperatura le transfiere energía en forma de “calor” (Q) al de menor temperatura hasta que
ambos llegan a la misma temperatura. Según la convención de signos de la Física y la Química,
el calor tiene signo positivo cuando el sistema lo recibe y negativo cuando lo pierde.
Q es una forma de energía que a ser recibida hace aumentar la temperatura (hace aumentar
la energía cinética media de las moléculas). Se puede generalizar y decir que es un tipo de
energía que “desordena”.
Primer principio: La energía no puede crearse ni destruirse, pero si puede transformarse de
un tipo a otro. Por lo tanto, un sistema aislado, tiene una energía contenida que es constante (no
puede aumentar ni disminuir). Un sistema puede recibir energía en forma de calor o de trabajo
(W). El trabajo reúne diversos tipos de energía (trabajo eléctrico, químico, potencial, etc.). El
trabajo se aplica siempre en una forma direccionada, por lo tanto es un tipo de energía que tiende
a ordenar el sistema.
La energía interna total contenida en un sistema (E o U) no puede medirse ni calcularse, sólo
puede saber cuando aumenta o cuanto disminuye según el agregado o la pérdida de Q y W (por
eso sólo se estudian los diferenciales de energía, la resta entre el estado final y el inicial ΔE o
ΔU). Según la convención de signos de la Física, el trabajo tiene signo negativo cuando el sistema
lo recibe y positivo cuando lo pierde. Según la convención de signos de la Química, el trabajo tiene
signo positivo cuando el sistema lo recibe y negativo cuando lo pierde. De ahí que existan dos
posibles formulaciones matemáticas para el primer principio:
ΔE = Q – W (para la Física)
ΔU = Q + W (para la Química)
En cierta forma, el Primer Principio establece que no se puede “ganar” energía gratis. Para
obtener energía, hay que extraerla del medio externo.
Segundo Principio: El segundo principio establece que no existe una máquina perfecta. No
existe una máquina que pueda convertir todo el calor que se le entrega en trabajo útil. Siempre
1
T1
T2
Q

2. Biología e Introducción a la Biología Celular (54) CBC -UBA
una parte de la energía se desperdicia. Basta con pensar en cualquier máquina que usemos
actualmente, automóviles, computadoras, lámparas, etc. Todas ellas se calientan si permanecen
encendidas suficiente tiempo (de hecho, las computadoras modernas se calientan tanto que
muchas veces requieren ventiladores adicionales). Ese calor es la manifestación de la energía que
está siendo “desperdiciada”.
El Segundo Principio de la Termodinámica es más drástico que el primero: ya no sólo no se
puede ganar energía gratis si no que tampoco terminar con la misma cantidad de energía con la
que se empezó… Tampoco se puede empatar.
En el esquema, Q1 es el calor que se le entrega al sistema, W es el trabajo producido por el
sistema y Q2 la energía que se desperdicia. Esta energía termina aumentando la temperatura del
medio, es decir, termina desordenando el medio. Existe una función termodinámica que mide el
grado de desorden del medio: la entropía (S). La entropía está relacionada con el calor (y este
produce desorden); de ahí la relación entre ΔS y desorden.
Así el segundo principio puede quedar formulado como:
En todo sistema aislado la entropía (el desorden) va en aumento (es decir, en todo sistema
asilado ΔS es > 0).
También se puede decir:
En toda reacción espontánea, la entropía del universo aumenta.
Otra función termodinámica importante es la entalpia (H) que es el intercambio de calor de un
proceso realizado a presión constante (como por ejemplo, cualquiera que ocurra al aire libre…).
De todo ese calor intercambiado, una parte resulta útil (y es lo que se puede convertir en trabajo)
y otra parte se pierde, de acuerdo al segundo principio. La variación de entalpía (ΔH) es:
ΔH = “el calor útil” + “el calor que se pierde”
o:
ΔH = ΔG + Q2
o, despejando la ecuación de ΔS:
ΔH = ΔG + T ΔS
reordenando los términos:
ΔG = ΔH - T ΔS
2
Q1
Q2
W
ΔS ~
Q2
T

3. Biología e Introducción a la Biología Celular (54) CBC -UBA
G es la variación de energía libre, útil o de Gibbs. Es la variación de energía que está
disponible para hacer trabajo. Todo proceso que vaya de un estado de mayor G a uno de menor G
es “espontáneo” y libera energía útil (exergónico). Todo proceso que vaya de un estado de menor
G a uno de mayor G es “no espontáneo” y requiere energía útil (endergónico).
2) Enzimas. Características
En una reacción química la conversión de reactivos a productos depende de que los reactivos
“choquen” con suficiente energía. Este proceso tiene una determinada velocidad, y se puede
acelerar, por ejemplo, aumentando la concentración de los reactivos (porque es más probable que
se choquen).
Las reacciones químicas que ocurren en el organismo son muchas y son esenciales para
mantenernos con vida. Precisamente por eso, las células no pueden “esperar” a que las reacciones
químicas ocurran. Nuestro cuerpo acelera esas reacciones químicas y las controla mediante
enzimas.
Las enzimas son catalizadores biológicos, es decir, aceleran las reacciones químicas sin
consumirse. Son proteínas que pueden tener estructura terciara o cuaternaria (tienen todas las
propiedades de una proteína). Otros catalizadores biológicos son las moléculas de ARN catalíticas
o ribozimas. Las enzimas se encargan de “tomar” los sustratos y ponerlos en la posición perfecta
para que choquen y se den las reacciones químicas.
Las enzimas tienen un “bolsillo” donde el reactivo puede entrar llamado sitio activo. La
enzima sólo deja entrar a un único tipo de reactivo; cada enzima se encarga de acelerar una única
reacción (son específicas). Al ser proteínas que se unen a un ligando, son específicas, tienen una
determindada afinidad y son saturables. El siguiente esquema muestra un modelo de cómo
funciona una enzima:
Mientras más enzimas tenga el organismo para una reacción química, más aumenta la
velocidad de la misma. Como el organismo puede controlar la cantidad de enzimas que produce,
puede controlar a qué velocidad ocurren las reacciones químicas.
La velocidad de una reacción química se mide como unidades de producto producidas por
unidad de tiempo. Para realizar una curva de velocidad o actividad enzimática se prepara una
serie de tubos de ensayo con igual concentración de enzima y cantidades crecientes de sustrato.
Se mide la velocidad inicial de la reacción y para las enzimas Michaelinas (las que no tienen
alostería con comportamiento cooperativo) se obtiene un gráfico como el de la izquierda. Para las
alostéricas con efecto cooperativo se obtiene un gráfico como el de la derecha.
3

4. Biología e Introducción a la Biología Celular (54) CBC -UBA
El Km de una enzima tiene unidades de concentración y es inversamente proporcional a la
afinidad (a mayor afinidad, menor Km). La velocidad máxima de la reacción está determinada
por la cantidad de enzimas; si un sistema se encuentra saturado se observa la velocidad máxima,
para obtener más velocidad de reacción (o sea más cantidad de producto por unidad de tiempo) se
debe agregar más enzima.
Para una reacción química donde los reactivos tienen una cierta energía útil Gi y se convierten
en productos con una Gf pueden existir dos casos:
Sea como sea, una reacción química siempre requiere una energía de activación. Esto
representa la energía necesaria para que la reacción inicie (contempla la velocidad de las
moléculas, la dirección con la que chocan, etc).
Las enzimas no modifican el ΔG de una reacción química. No pueden hacer que algo que no
sea espontáneo ocurra espontáneamente. Simplemente reducen la energía de activación.
3) Regulación enzimática.
Sin la presencia de enzimas, las reacciones químicas del metabolismo ocurrirían tan
lentamente que no se las observaría durante el tiempo de vida del organismo. Por lo tanto,
regular la actividad de las enzimas implica regular la ocurrencia de las reacciones químicas, es
decir, el metabolismo.
Existen muchos mecanismos por los cuales las enzimas pueden regularse. Solamente algunas
de ellas tienen alguno de estos mecanismos:
4
Reacción química no espontánea
ΔG > 0
Edergónica
Síntesis  Anabolismo
Ej: Condensación, Reducción
Reacción química espontánea
ΔG < 0
Exergónica
Degradación  Catabolismo
Ej: Hidrólisis, Oxidación
R
P
G
Energía de activación
sin enzima
Energía de activación
con enzima
T
R
P
G
Energía de activación
sin enzima
Energía de activación
con enzima
T

5. Biología e Introducción a la Biología Celular (54) CBC -UBA
1. Génica o por inducción: La enzima no está presente en la célula hasta que aparece el
sustrato. Cuando se lo encuentra, la célula fabrica la enzima desde cero. Es un mecanismo que
ahorra mucho (no se fabrica una enzima cuando no está presente el sustrato) pero es el más lento
para activar. Ej: β-galactosidasa.
2. pH y/o Temperatura: cambios en estas condiciones del medio pueden activar o desactivar
a las enzimas.
3. Isoenzimas: son variaciones de las enzimas (con distinta estructura primaria) que tienen
la misma especificidad (catalizan la misma reacción) pero distinta afinidad). Diferentes
isoenzimas se sintetizan en distintos tejidos. El tejido que tenga la isonezima con mayor afinidad,
obtendrá mayor cantidad de producto. Un ejemplo de una isoenzima es la glucoquinasa, una
variante de hexoquinasa que no es inhibida por la glucosa-6-fosfato. Sus diferentes funciones de
regulación y su menor afinidad por la glucosa (en comparación con otros hexoquinasas), le
permiten tener diferentes funciones en las células de determinados órganos, como el control de la
liberación de insulina por las células beta del páncreas, o la iniciación de la síntesis de glucógeno
por las células del hígado.
4. Presencia de cofactores y coenzimas: Muchas enzimas necesitan cofactores (iones) o
coenzimas (moléculas orgánicas) para adquirir su conformación nativa y por ende tener actividad
biológica. Ej: ADN polimerasa (enzima que cataliza la síntesis de ADN) requiere Mg2+
; prolil
hidroxilasa (enzima que es importante para la síntesis de colágeno) requiere vitamina c. Otras
coenzimas son NAD+
, NADP+
y FAD
5. Modificaciones covalentes:
a) Zimógenos: algunas enzimas se sintetizan en una forma inactiva (zimógeno) y sólo tienen
actividad luego de que se clivan. El clijave es la ruptura específca de los enlaces peptídicos que
unen a la cadena polipeptídica. En el caso del pepsinógeno, este se autocliva en presencia del pH
estomacal liberando la parte activa, pepsina.
b) Fosforilación: el agregado o la remoción de un grupo fosfato pueden cambiar la estructura
tridimensional de la proteína y activar o inhibir a las enzimas. El agregado de un grupo fosfato es
realizado por una quinasa y la remoción por una fosfatasa (es decir que la enzima siendo
regulada es sustrato de otras enzimas).
6. Inhibidores: Pueden ser competitivos y no competitivos por el sitio activo. El inhibidor
competitivo ocupa el sitio activo pero no da ninguna reacción química. Puede desplazarse si se
aumenta la concentración de sustrato.
El inhibidor no competitivo se une a un sitio diferente y modifica la estructura tridimensional
de la proteína, “deformando” el sitio activo.
5

6. Biología e Introducción a la Biología Celular (54) CBC -UBA
6. Regulación alostérica: Las enzimas alostéricas son multiméricas, con dos
conformaciones, una activa (alta afinidad por el sustrato) otra inactiva (baja afinidad por el
sustrato). Poseen efecto de cooperatividad y su actividad puede modificarse por efectores
alsotéricos positivos y negativos.
7. Regulación por producto final: En una ruta metabólica, generalmente alguna de las
primeras enzimas tiene algún mecanismo de regulación. Suele ocurrir que el producto final actúe
como inhibidor de alguna de las enzimas el inicio de la cadena.
6