Modulo Bm Unad Unidad 1

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

Escuela de Ciencias Agrícolas,Pecuarias y del Medio Ambiente.,ECAPMA. Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica Elaboró: Jairo Granados.,MSc.

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

MÓDULO

BIOQUÍMICA METABÓLICA

ESCUELA DE CIENCIAS AGRICOLAS PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE.

ECAPMA

AUTOR: JAIRO ENRIQUE GRANADOS MORENO., MSc.

DOCENTE ECAPMA

BOGOTÁ 2010



INTRODUCCIÓN

La bioquímica metabólica es la ciencia que estudia todo lo relacionado con la actividad

catalítica en las vías anabólica y catabólica de las diversas biomoléculas que forman parte

de la dinámica celular de organismos animales y vegetales presentes en todo tipo de agro

ecosistemas; por ende, permite comprender la estructura y cinética de los compuestos

que intervienen en las diversas reacciones bioquímicas metabólicas aeróbicas y

anaeróbicas.

Además, teniendo en cuenta que es una ciencia teórico experimental la cual posee

conceptos, leyes, principios y teorías científicas, se constituye en un pilar fundamental

para la interpretación significativa de las múltiples reacciones biomoleculares que

gobiernan los diferentes procesos exergónicos y endergónicos, enfocados a mantener

las funciones vitales de sistemas autótrofos y heterótrofos, los cuales interaccionan

permanentemente garantizando la bioactividad de los componentes de nuestro planeta.

En consecuencia, la intencionalidad del curso se centra en el estudio de la bioquímica

estructural, biotermodinámica , actividad molecular y bioquímica metabólica aplicada,

importantes en lo bioactividad de animales y plantas, de tal forma que puedan ser

interrrelacionados e incorporados por los estudiantes en su dimensión cognitiva, para

lograr un verdadero aprendizaje significativo autónomo de la bioquímica metabólica,

como núcleo esencial en la comprensión de eventos y fenómenos primordiales de las

ciencias agrícolas, pecuarias y del medio ambiente.



UNIDAD 1:CINÈTICA Y BIOTERMODINÁMICA METABÓLICA

Capítulo 1: Equilibrio ácido base en monogástricos y rumiantes

Las células animales y vegetales se consideran verdaderos sistemas metabólicos

abiertos, debido a la interacción de un sinnúmero de procesos bioquímicos y

termodinámicos que generan flujos de masa y energía hacia y desde el interior de las

células mencionadas, estos procesos dependen también de factores cinéticos y

moleculares que inciden en la velocidad con que ocurren las reacciones bioquímicas

anabólicas y catabólicas, las cuales determinan las funciones vitales de un organismo

vivo.



Lección 1. Soluciones Amortiguadoras

También se les denomina soluciones "Buffer" ó lampón y son aquellas que se

oponen a los cambios de pH, cuando se les adicionan ácidos o álcalis

(hidróxidos). su acción se basa principalmente en la absorción de hidrogeniones

(H+) ó iones hidróxilo (OH').En forma general, una solución amortiguadora está

conformada por una mezcla binaria de un ácido débil y una sal del mismo

ácido proveniente de base fuerte ó también, una base y una sal de esta base

proveniente de un ácido fuerte.

Ejemplo:

Mezcla de ácido acético y acetato de Sodio

Hidróxido de amonio y cloruro de amonio

La aplicación más importante de estas soluciones reside en el estudio de la regulación

del equilibrio ácido=base en los sistemas biológicos, por eso a nivel de experimentos

bioquímicos se utilizan para controlar el pH de reacciones in vitro.

Un amortiguador biológico de vital importancia es el plasma sanguíneo, el cual

regula valores de pH entre 7,2 y 7,3; con variaciones de 0,2 unidades se

presentarían efectos letales para la vida.

1.1 pH de una Solución Amortiguadora

Considerando que la solución amortiguadora es una mezcla de ácido débil con

una sal del mismo ácido proveniente de base fuerte y además que un ácido débil

se ioniza parcialmente, podemos representar la ionización de esta forma:

HA <======> H+ + A-

Aplicando la ley de acción de masas y teniendo en cuenta la constante de disociación se

obtiene la siguiente expresión:



pH =pKa + Log HA

A

Donde pka,representa el valor del potencial de la constante de acidez del ácido débil,

A es la concentración del anión común,equivalente a la sal y HA indica la

concentración del ácido débil que forma parte de la solución buffer.En consecuencia,la

anterior ecuación se puede reescribir así:

pH = pKa + Log Ácido

Sal

Esta expresión se conoce como ecuación de Henderson -Hasselbach y sirve para calcular

el pH de mezclas de ácidos débiles y sus sales es decir, soluciones "Buffer", Tampón ó

amortiguadoras

De acuerdo a esta ecuación, se puede deducir, que el pH de una

solución amortiguadora, depende de dos factores:

a)El valor del pKa del ácido débil

b)Las proporciones entre Las concentraciones de sal y ácido

1.2 Capacidad Amortiguadora

Se utiliza para comparar las eficiencias de las soluciones amortiguadoras y se define como:

La cantidad en miliequivalentes(meq) de ácido o base fuerte que puede neutralizar la

solución amortiguadora, sufriendo un cambio de pH en una unidad. Matemáticamente, se

expresa como la relación cociente entre el incremento de ácido o base fuerte con respecto al

incremento del pH, es decir:



= B / (pH)

Donde: = Capacidad amortiguadora de la solución

B = Incremento de ácido o base fuerte

meq /(pH) (pH) = incremento en unidades de pH

Lo evidente es que esta capacidad, depende de dos factores:

a) Concentraciones absolutas del sistema

b)Proporción relativa de las formas disociada y sin disociar, siendo máxima

cuando el cociente [sal]/[ácido] es próximo a la unidad.

Lección 2. Sistemas amortiguadores fisiológicos

El equilibrio ácido-base de las células está condicionado por un conjunto de

sistemas amortiguadores, porque estas funcionan dentro de límites estrechos de

pH a causa de su metabolismo.

Los factores de amortiguación más sobresalientes en los organismos vivos, por su

acción rápida y eficiente en la regulación del pH son:

a. Sistema Bicarbonato

b. Sistema Fosfato

c. Hemoglobina



d. Proteínas del plasma

Figura 1. características y tipos de amortiguadores biológicos en animales

La importancia y relevancia de cada uno, depende del tipo de organismo.El

mentefacto mostrado en La figura 1, resume las características, propiedades y

clasificación de las principales soluciones amortiguadoras, presentes en lo

organismos animales.

Soluciones buffer

(amortiguadoras)Soluciones buffer

(amortiguadoras)

Lípidos y

Carbohidratos

Reguladores

de pHReguladores

de pH

Regulan equilibrio

HomeostáticoRegulan equilibrio

Homeostático

ejemplos

Bicarbonatos

(HCO3-)

Bicarbonatos

(HCO3-)

Aminoácidos

(proteínas)Aminoácidos

(proteínas)

Ácidos fuertes

(ácidos

minerales)

ÁCIDO DÉBIL + SALÁCIDO DÉBIL + SAL

Controlan

metabolismo

ácido base

Controlan

metabolismo

ácido base

FosfatosFosfatosHemoglobina

HbHHemoglobina

HbH

Absorben exceso

de iones H+ y OH-Absorben exceso

de iones H+ y OH-

4HPO

propiedades

componentes

excluyen



De acuerdo a Miles y Butcher(1995),profesores de la Universidad de Florida, los

amortiguadores (buffers) en los fluidos corporales sirven como una defensa contra el

cambio del PH .Cada compartimiento de fluido contiene tipos y características de

substancias disueltas, algunas que son amortiguadores a un pH fisiológico. Por eso, el

pH es estabilizado por la capacidad amortiguadora de los fluidos corporales.

En animales existen básicamente cuatro principales amortiguadores que se localizan

en los tres diferentes compartimientos fluidos (Cuadro 1).

Cuadro 1.Tipos de amortiguadores fisiológicos y ubicación en los fluídos biológicos

FLUÍDO

SISTEMA AMORTIGUADOR

Sangre

Bicarbonato

Hemoglobina

Proteínas

Fosfatos

Extracelular y cerebroespinal

Bicarbonato

Proteínas

Fosfatos

Intracelular

Proteínas

Fosfatos

Bicarbonato

Orina Fosfato

Amoníaco

Fuente: Miles y Butcher(1995)



Como se puede observar, con excepción del amoníaco en la orina y la hemoglobina

en la sangre, los amortiguadores en los compartimientos son idénticos. En

consecuencia, el conocer como estas soluciones disueltas tienen la capacidad de

amortiguar es esencial para poder entender al equilibrio ácido-base.

Sistema Bicarbonato (anhídrido carbónico/bicarbonato) :Este el buffer amortiguador

principal en el fluído extraceular, dentro de.la célula roja de la sangre y en el plasma.

En este sistema el CO2 se comporta como ácido volátil y su concentración puede ser

controlada por medio de la tasa de respiración del animal.

La Siguiente ecuación muestra La formación de iones de hidrógeno en las células rojas de

sangre como resultado del transporte del gas carbónico del tejido a los pulmones

CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+

Cuando la célula roja de sangre está dentro de los tejidos corporales esta reacción va hacia la

derecha. En los pulmones la reacción va hacia la izquierda. Además, la presión parcial del

CO, es más alta dentro del los tejidos y más baja en los pulmones.

La reducción en la tasa de respiración permite la acumulación de CO2 y mueve la

ecuación hacia la derecha,la concentración de hidrogeniones se incrementa y el pH del

fluído se reduce, lo que produce una condición conocida corno acidosis respiratoria. Si la

tasa de respiración es más rápida que lo normal, la ecuación se mueve hacia la

izquierda y resulta la alcalosis respiratoria. Esto ocurre comúnmente en aves como

resultado del jadeo debido al estrés por calor. Se puede controlar estos disturbios

metabólicos, por medio de aumentar o reducir la tasa respiratoria.

Sistema Fosfato: Todos los fosfatos en el animal vienen de la dieta, a un pH de 7.40,

la mayoría del fosfato en los compartimientos fluídos existe en la forma de las especies

iónicas H2PO4-1 y HPO4

-2 , cuando el pH en los fluídos corporales comienza a decaer, la

especie HPO4-2 se vuelve importante corno un aceptante de protones y se convierte en la



especie H2PO4-1,así cuando el pH se eleva por encima de 7.40, la especie H2PO4

-1 dona un

protón al fluído y se convierte de nuevo en la especie HPO42. El sistema fosfatos es el

amortiguador más importante en la orina,debido a que los protones excretados en la orina

son principalmente en la forma de la especie H2PO4-1.

Durante la acidosis prolongada, la amortiguación por fosfato es muy importante, lo cual

se relaciona con los huesos,debido a que son una buena reserva de amortiguadores

como el fosfato cálcico que se presenta en forma de hidroxiapatita,el cual no es muy

soluble, pero su solubilidad es mayor durante la acidosis y algo de fosfato cálcico en los

huesos se convierte en solución. Esto ocurre comúnmente en las ponedoras cuando los

huesos están suministrando calcio para la calcificación del cascarón de huevo,entonces,el

fosfato cálcico se disocia y se convierte en Ca+2 y PO4-3, inmediatamente la especie PO4

-3

acepta un protón y se convierte en la especie HPO4-2. Durante la acidosis esta reacción

continúa y la especie HPO4-2 acepta otro protón y se convierte a H2PO4

-1. Así pues, durante

la acidosis tos huesos...pueden ayudar a mantener el e.quilibrio ácido-base por medio

proporcionar la especie de fosfato que acepta protones, incrementando el pH al nivel desead

7,4

Hemoglobina : La hemoglobina es un amortiguador muy importante y sólo so encuentra

en la célula roja de la sangre. Sirve como un amortiguador excelente por varias razones.

Las dos razones principales son su alta concentración en la sangre y su altísimo

contenido del aminoácido histidina. Este aminoácido tiene una cadena lateral única

llamada imidazol. Esta cadena , puede atraer a los protones y sacarlos de los fluidos

corporales o puede donar protones dichos fluidos en el intento de mantener el pH cerca

de 7.40. Las otras proteínas en los compartimentos de fluído, también le deben su

capacidad de amortiguar a esta cadena lateral. La albúmina es la proteína del plasma

más abundante y contribuye en forma significativa a la amortiguación de la sangre. El

fluido intracelular está lleno de proteínas que funcionan como el sistema más

importante de amortiguación dentro de la célula.En condiciones metabólicas la Hb se

comporta como un ácido débil y la oxihemoglobina como un ácido más fuerte que la

Hb reducida (es decir aquella que lleva un hidrogenión —> HHb).



Es importante anotar, que la Hb incide sobre el transporte del CO2 por la sangre,

veamos como lo hace:En las células por efecto de la respiración celular se produce

gas carbónico que pasa a la sangre penetrando los hematíes, quienes contienen la

enzima anhidrasa carbónica y convierten al CO2 en ácido carbónico (H2CO3), este se

disocia en iones bicarbonato e hidrógeno, que harían descender el pH, de no ser

capturados rápidamente por la HbO2-, que se transforma en oxihemoglobina

reducida(HHbO2).



Lección 3. Metabolismo ácido base en animales.

El equilibrio ácido-base del organismo animal está localizado en los compartimentos

líquidos. El agua representa aproximadamente el 60% del peso vivo de un animal

adulto y se distribuye en el líquido intracelular (alrededor del 60% del agua total) y el

líquido intersticial, con un 7 a 8% del agua total formando el agua plasmática (Meschy

F.,2000)

El potasio, sodio, cloro y bicarbonato tienen un papel esencial en el mantenimiento

del equilibrio iónico y por ende del metabolismo ácido-base, ya que el proceso

bioquímico de su regulación pasa por los sistemas tampón o de intercambio iónico.Por

lo tanto, la ingestión de agua o de electrolitos desplaza este equilibrio y puede

traducirse en cambios temporales del tamaño de los compartimentos líquidos.

La relación que existe entre electrolitos y equilibrio ácido-base se basa en los

mecanismos de absorción digestiva y los intercambios iónicos entre los

compartimentos digestivos y sanguíneos. La absorción de cationes se hace “en contra”

de los iones H+ y tiene, por tanto, un efecto alcalinizante a nivel sanguíneo, mientras

que la absorción de aniones tiene un efecto inverso debido a la salida de iones

bicarbonato de célula sanguínea. El mantenimiento del equilibrio ácido-base dentro de

los valores fisiológicos pone en juego un sistema principalmente localizado a nivel

sanguíneo (poder tampón de los hematíes y del plasma) y renal.

La hipótesis clásica de compensación de la acidosis metabólica (Pitts, 1948)

considera que el pH plasmático y la concentración en bicarbonato sanguíneo se

mantienen en los valores normales por dos vías complementarias a nivel renal:

• Reabsorción del bicarbonato en el tubo proximal del riñón ; en situación de acidosis la

casi totalidad del bicarbonato filtrado a nivel glomerular es rápidamente reabsorbido;



• Salida de protones por acidificación intensa en el tubo distal .

Esta acidificación puede hacerse por dos vías: la del fosfato, generalmente admitida, y

la del catabolismo de la glutamina, hoy en día cuestionada (Atkinson y Bourke, 1995),

que no conduciría a la producción de amoníaco sino directamente ión amonio, sin

acción sobre el equilibrio ácido-base en esa zona de pH. Igualmente, es preciso tener

en cuenta la importante producción iónica derivada del metabolismo de los

aminoácidos o la utilización del bicarbonato en la ureogénesis. El pH de la orina es

ciertamente un indicador fiable (Patience, 1990) y sobre todo de más fácil

determinación que el pH sanguíneo o la concentración de bicarbonatos en plasma.

Lección 4: Balance electrolítico dietario (BED)

Un electrólito es una substancia que cuando se disuelve agua produce una solución de átomos

disueltos o iones con cargas eléctricas. Por ejemplo NaCl se disocia en solución y se vuelve a Na+1

y Cl-1 y cuando KHCO3 se disocia en solución se convierte en K+ y HCO3-1. . Las dietas de

animales no tienen ninguna carga eléctrica neta,por eso, todos los aniones con carga eléctrica

negativa están balanceados con los cationes de carga positiva. De la misma manera, en

todos los fluidos biológicos la suma de la carga positiva tiene que ser igual a la suma de la carga

negativa. Los electrólitos pueden tener diferentes efectos sobre el metabolismo y la fisiología y

por eso pueden afectar al equilibrio eléctrico y consecuentemente al equilibrio ácido-base y al

desempeño del animal. Enfermedades tales como enteritis resultan en una pérdida de

electrólitos,en consecuencia,se tienen que tomar medidas, como la suplementación de

electrólitos, para compensar los perdidos.El equilibrio de electrólitos es la diferencia entre la

concentración total de aniones y cationes dietéticos,así, los elementos minerales en la

dieta que tienen una carga eléctrica negativa se consideran elementos que forman ácidos y

recíprocamente los elementos que forman bases tienen una carga positiva .

La idea de manipular las concentraciones iónicas de la ración a fin de evitar las

consecuencias patológicas de la acidosis (o de la alcalosis) es bastante antigua y

encontró en los años 70 un primer campo de aplicación en avicultura. En rumiantes, la



primera aproximación ha sido para la prevención de la fiebre de la leche; más

recientemente han aparecido un cierto número de trabajos relacionados con la especie

porcina. La base es bastante simple: los aniones, a excepción del fosfato y del

bicarbonato, son acidógenos y los cationes son alcalógenos. Según el esquema de

Monguin(1981),el comportamiento de los electrolitos y equilibrio ácido-base es:

(An-Cat)in = acidez ingerida, donde: An:aniones y Cat:cationes

(An-Cat)or = acidez excretada

AEndo = acidez endógena

En estado de equilibrio :

(An-Cat)in + AEndo - (An-Cat)or = 0

Sobre esta base, se han propuesto varias ecuaciones, para monogástricos, se

mantiene generalmente el Balance Electrolítico (BED) expresado en mEq/kg de MS (ó

por 100 g) de alimento.Esto se puede representar de la siguiente forma:

BED =meq (Na+ + K+ - Cl-)/Kg dieta

También:

BED = (Na/23 + K/39 - Cl/35,5) x 1000



Con todo rigor, sería preciso probablemente tener en cuenta otros aniones y cationes

con la condición de que no sean metabolizados, es decir iones exclusivamente

destinados a la homoestasis ácido-base, y debería ser tenida en cuenta su eficacia de

absorción digestiva. Así, otras ecuaciones para rumiantes (Horst et al., 1997) y

porcinos han sido propuestas (Patience y Wolynetz, 1990), sin que por el momento

supongan una mejora sensible

.

Lección 5. Aplicaciones del balance electrolítico(BED) en animales.

Los primeros estudios sobre los efectos del equilibrio electrolítico de la ración sobre los

rendimientos fueron realizados con aves en los años 70. Sauveur y Mongin(1978)

encontraron una respuesta curvilínea de la velocidad de crecimiento cuando el BED

aumentaba, siendo el crecimiento máximo para un BED de alrededor de 250

mEq/kgEstos mismos autores también demostraron la existencia de una relación

estrecha entre la acidosis metabólica, caracterizada por un bajo contenido deL anión

bicarbonato: HCO3- en el plasma, y la mayor frecuencia de discondroplasia tibial

Después de una docena de años, estudios similares han sido realizados con la

especie porcina. El destete se de un cambio brutal de la naturaleza y del modo de

presentación del alimento consumido por los lechones, los cuales necesitan una rápida

adaptación de su función digestiva. En particular, la acidificación del alimento en el

estómago debe ser suficiente para controlar el desarrollo de la flora bacteriana (E.

Coli) y permitir una actividad óptima de las enzimas digestivas. En el destete, esta

acidificación es difícil debido a la que la actividad secretora es pequeña y a que el

poder tampón de los alimentos (resistencia a la acidificación) es mucho más

importante que el de la leche (Bolduan et al., 1988). El poder tampón de los alimentos,

definido como la cantidad de HCl necesaria para bajar el pH a 3 (Boltshauser et al.,

1993) ó 4 (Bolduan et al., 1988)y depende principalmente de su contenido en

proteínas y minerales. Paralelamente, también depende del balance electrolítico de la

dieta. Un poder tampón pequeño del alimento corresponde a un valor bajo de BED. En

la práctica, se recomienda utilizar durante este período (0-2 semanas postdestete)

alimentos que presenten un bajo poder tampón (Bolduan et al., 1988). Si bien el efecto

sobre el pH estomacal no ha sido claramente demostrado, la utilización de ácidos



orgánicos ha resultado ser interesante durante este período, sobre todo cuando la

dieta no contiene productos lácteos (Easter, 1988 ; Giesting et al., 1991). Sin embargo,

es preciso destacar que estas dietas con bajo poder tampón son igualmente

acidógenas a nivel metabólico, lo que podría tener una incidencia negativa sobre los

rendimientos.

Algunos trabajos han estudiado las posibles interacciones entre la adición de ácidos

orgánicos y de bicarbonato sódico (Krause et al., 1994, Giesting et al., 1991). En

dichos trabajos, los rendimientos óptimos generalmente se obtienen cuando la adición

de ácidos orgánicos está asociada a la incorporación de bicarbonato de sodio

El ejercicio propuesto a continuación, aplica los conceptos del balance electrolítico



dietario en la alimentación de aves.

Capítulo 2 : BIOACTIVIDAD DE ENZIMAS EN NUTRICIÓN ANIMAL

Leccción 6: Características de las enzimas

Son proteínas y por lo tanto, cualquier proceso que altere su estructura, como por

ejemplo: El calentamiento excesivo, adición de ácidos o bases fuertes, las

desnaturalizan, perdiendo su actividad biológica y catalítica.

Las enzimas son biocatalizadores de origen proteíco, altamente especializados, esto

significa que actúan casi siempre sobre una sola reacción o determinado tipo de

sustancias llamadas sustratos.

Así existen enzimas que hidrolizan únicamente almidones y se llaman amilasas,

otras hidrolizan grasas y se denominan lipasas. En general, el nombre de la enzima

depende de la sustancia sobre la que actúa y que se llama sustrato.Sin las enzimas

no podrían ocurrir actividades metabólicas como la respiración, la contracción

muscular, el crecimiento, la actividad cerebral o la digestión.

Al igual que los catalizadores inorgánicos, las enzimas no se destruyen durante el

proceso y porque su acción se limita a activar el sustrato, disminuyendo así la

energía de activación que necesita éste para transformarse en un producto

determinado.

1.1 Clasificación de las enzimas

Como se afirmó anteriormente, las enzimas son catalizadores altamente

especializados, esto significa que actúan casi siempre sobre una sola reacción o

determinado tipo de sustrato; así existen biocatalizadores que hidrolizan únicamente

almidones y se llaman amilasas, otras hidrolizan grasas y se denominan lipasas. En

general, el nombre de la enzima depende de la sustancia sobre la que actúa, es decir,



el sustrato, su clasificación se da con base en el tipo de reacción catalizada, como se

muestra en el siguiente cuadro:

Cuadro 1. Clasificación de los diversos tipos de enzimas

GRUPO TIPO DE REACCIÓN

CATALIZADA EJEMPLOS

Òxido -reductasas Reacciones de òxido-

reducción

Deshidrogenasa

succínica

Catalasas

Transferasas Transferencia de grupos

funcionales orgánicos

Transaldolasas

Aciltransferasas

Hidrolasas Hidrólisis en presencia

de agua.

Carbohidrasas

Celulasas

Liasas Adiciòn al doble enlace Descarboxilasas

Pirùvico descarboxilasa

Ligasas Unión de moléculas

utilizando ATP.

Glutamina sintetasa

polimerasas

Isomerasas Reacciones de

isomerización

Triosa isomerasa

Fructosa isomerasa

EJEMPLOS:

GLUCOSA-6-P aisomerasafosfohexos FRUCTOSA-6-ISOMERASA

ÀCIDO PIRÚVICO acarboxilas Pirùvico ÀCIDO OXALOACÈTICO



H2N-CO-NH2 +3 H2O ureasa 1CO2 + 2NH4OH

2H2O2 catalasa 1O2 + 2H2O

Otras reacciones bioquímicas enzimáticas(RBE) que son importantes en el

metabolismo animal son:

• En la glucólisis o ruptura de la glucosa sanguínea, la primera reacción

es catalizada por una ligasa denominante Hexoquinasa.

GLUCOSA + ATP GLUCOSA-6-FOSFATO +ADP

+ H

• La enzima alcohol deshidrogenase (una óxido-reductasa)

convierte en el hígado, el alcohol etílico, antes de que llegue al

cerebro, en acetaldehído, el cual es usado por la célula para

sintetizar grasas.

Lección 7. Mecanismo de reacción de las enzimas

El mecanismo de una reacción bioquímica enzimática(RBE),está relacionado con

las diferentes etapas que sigue el sustrato, para transformarse en producto. Dicho

mecanismo, fue propuesto por los doctores Leonor Michaelis y Maud

Menten(1913).y se muestra en la siguiente ecuación:

Hexoquinasa



Esto implica que el enzima libre (E) puede captar en su centro activo una

molécula de sustrato (S), transformándose en el complejo activado enzima -

sustrato (ES)*, este complejo puede evolucionar de dos formas:

a)Libera el sutrato y regenera la enzima libre, cuando no alcanza la

suficiente energía de activación,es decir, invierte su reacción.

b) Transforma el sustrato en un producto final y regenera la enzima libre de

acuerdo a la cinética K3, cuando supera la barrera energética inicial.

Lección 3. Factores que afectan la cinética enzimática

Las reacciones químicas catalizadas por enzimas, dependen del pH, la

temperatura, el efecto de la concentración de la enzima y de la concentración del

sustrato.

E + S (E--S)*K1

K2

K3 P + E



A continuación, se analiza cada factor:

a) Efecto del pH

Debido a que las enzimas son de naturaleza proteica, las alteraciones en el pH

del medio modificarán profundamente el carácter iónico de los grupos aminos y

carboxilos de los aminoácidos que constituyen la proteína y en consecuencia

afectarán su poder catalítico. Es decir, a valores extremos de pH se produce una

inactivación de la enzima. Por lo tanto, es importante establecer m pH óptimo en

estudios enzimáticos, en el cual, la actividad catalítica de la enzima presenta un

rendimiento alto, conociendo este valor, la reacción se debe mantener en este rango

de pH por medio de un buffer o solución amortiguadora, lo mismo ocurre en la

célula, ya que un pequeño cambio en el valor de pH produce también graves

efectos sobre la actividad enzimática, incidiendo como es obvio en el metabolismo

del animal.

pH

V

Vmáx

Ph óptimo

La gráfica anterior nos muestra que cuando se modifica el pH en el transcurso de una

reacción enzimática, aparece un valor en el cual la velocidad es máxima, este punto se

denomina pH óptimo y por encima o debajo de dicho valor, la velocidad disminuye.



b) Efecto de la Temperatura

Al igual que el pH, las temperaturas extremas, afectan las reacciones enzimáticas,

dada su naturaleza proteica. Debido a esto, se observa que a diversas temperaturas, la

velocidad de la reacción cambia, tal como lo demuestra la ecuación de Arrhenius. Sin

embargo, a un cierto valor la velocidad de la reacción es máxima, lo cual nos indica una

TEMPERATURA ÓPTIMA de la misma, por encima o por debajo de esta temperatura la

enzima pierde actividad y la velocidad disminuye, tal como lo indica la figura 2

C) Efecto de la Concentración de la Enzima

La velocidad de una reacción enzimática varía, directamente proporcional a la

concentración de la enzima, por lo tanto a mayor [E] se incremente la velocidad, esto es

válido en presencia de un exceso de sustrato.

d) Efecto de la Concentración del Sustrato

Sí mantenemos la concentración de la enzima constante y variamos la

concentración del sustrato, podemos observar que cuando se aumenta la

concentración de éste, inicialmente hay un incremento notable en la velocidad de la

reacción, hasta alcanzar una velocidad máxima estable, después de la cual permanece

invariable por más sustrato que se le agregue. La curva hiperbólica de la figura nos

muestra que a baja concentración de sustrato la relación entre V y [S] es

prácticamente lineal y por lo tanto obedece a una cinética de primer orden con respecto

al sustrato, es decir: V =[ K]

A medida que se incrementa la concentración de sustrato se llega a una zona donde se

presenta una mezcla cinética de primer y segundo orden, finalmente, llega a una

región donde la velocidad es máxima, constante e independiente la concentración del

sustrato, aquí la cinética es de orden cero y no se modifica, poque la enzima ya está

saturada en sus centros activos con el sustrato, también observamos que en el punto

medio de la velocidad máxima aparece siempre una concentración de sustrato fija,

denominada constante de Michaelis, la cual se relaciona con la afinidad de la enzima

por el sustrato.El anterior análisis, nos indica que la cinética enzimática está



caracterizada por dos factores fundamentales: La velocidad máxima (Vmáx.) de la

enzima y la constante de Michaelis (Km)

L a ecuación cinética de esta gráfica hiperbólica es:

V

Sus parámetros cinéticos, se pueden explicar así:



a.LA VELOCIDAD MÁXIMA (Vmáx) de una reacción enzimática es el

límite de la velocidad cuando la concentración del sustrato tiende al

infinito y es causada por la saturación de los centros activos de la enzima

por el sustrato.

b. LA CONSTANTE DE MICHAELIS (Km) es la concentración del sustrato

en el cual la velocidad de la reacción enzimática es la mitad de su

velocidad máxima.

Lección 4. Cinética enzimática de Michaelis.

Los estudios sistemáticos del efecto de la concentración inical del sustrato sobre

la actividad enzimática comenzaron a realizarse a finales del siglo XIX. Ya en

1882 se introdujo el concepto del complejo enzima-sustrato como intermediario

del proceso de catálisis enzimática. En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten ,

desarrollaron esta teoría y propusieron una ecuación de velocidad que explica el

comportamiento cinético de los enzimas.

Para explicar la relación observada entre la velocidad inicial (v0) y la

concentración inicial de sustrato ([S]0, Michaelis y Menten propusieron que las

reacciones catalizadas enzimáticamente ocurren en dos etapas: En la primera

etapa se forma el complejo enzima-sustrato y en la segunda, el complejo enzima-

sustrato da lugar a la formación del producto, liberando el enzima libre:



En este esquema, k1, k2 y k3 son las constantes cinéticas individuales de cada

proceso y también reciben el nombre de constantes microscópicas de velocidad.

Según esto, podemos afirmar que:

v1 = k1 [E] [S]

v2 = k2 [ES]

v3 = k3 [ES]

Despejando [ES], queda que:

, en donde la expresión (k2+k3)/k1 se ha sustituído por KM, o constante de

Michaelis-Menten. Este enlace nos aporta una explicación sobre las razones que

hacen de la KM un parámetro cinético importante.

Para cualquier reacción enzimática, [ET], k3 y KM son constantes. Vamos a

considerar dos casos extremos:

A concentraciones de sustrato pequeñas ([S] << KM) v = (k3 [ET]/KM) [S]. Como

los términos entre paréntesis son constantes, pueden englobarse en una nueva

constante, kobs, de forma que la expresión queda reducida a: v = kobs [S], con lo

cual la reacción es un proceso cinético de primer orden.

A concentraciones de sustrato elevadas ([S] >> KM), v = k3 [ET]. La velocidad de

reacción es independiente de la concentración del sustrato, y por tanto, la

reacción es un proceso cinético de orden cero. Además, tanto k3 como [ET] son

constantes, y nos permite definir un nuevo parámetro, la velocidad máxima de la

reacción (Vmax): Vmax = k3 [ET], que es la velocidad que se alcanzaría cuando todo

el enzima disponible se encuentra unido al sustrato.

Si introducimos el parámetro Vmax en la ecuación general de la velocidad,

obtenemos la expresión más conocida de la ecuación de Michaelis-Menten:

http://www.ehu.es/biomoleculas/enzimas/enz3.htm#km

http://www.ehu.es/biomoleculas/enzimas/enz3.htm#km



V

Hay enzimas que no obedecen la ecuación de Michaelis-Menten. Se dice que su

cinética no es Michaeliana. Esto ocurre con los enzimas alostéricos, cuya

gráfica v frente a [S] no es una hipérbola, sino una sigmoide . En la cinética

sigmoidea, pequeñas variaciones en la [S] en una zona crítica (cercana a la KM)

se traduce en grandes variaciones en la velocidad de reacción.

El siguiente esquema, resume los conceptos básicos de la cinética enzimática,

iniciando el análisis en el comportamiento de las enzimas como biocatalizadores

de origen proteíco





Con el propósito de profundizar este tema, se propone un ejercicio aplicado que

se muestra en el diagrama UVE desarrollado en el esquema superior.

Buscando desarrollar competencias interpretativas y procedimentales en esta

temática,se propone el próximo ejercicio ,de tal forma que lo desarrolle

adecuadamente en el formato propuesto:

La actividad de la enzima L-aspartato-4-carboxilasa (aspartato-

Betadescarboxilasa) se puede seguir midiendo la producción de gas

carbónico: CO2 (g), a partir del aminoácido ácido aspártico(AA), mediante la

RBE:

3 CONCEPTOS

1. ¿Se cumplió la Ley de Michaellis

en este experimento? Porqué?

2. ¿Cuál es el valor de la cons-

tante de Michaellis, la velo-

cidad Máxima y el coeficien-

te de correlación ( r ), de la

cinética estudiada?

3 ¿Cual es la ecuación

de Michaellis de este

experimento?

Caracterización enzimática

de una fosfatasa, que actúa

sobre el glicero-fosfato.

DIMENSIÓN METODOLOGICA

1. ACONTECIMIENTO

Interacción

2. PREGUNTA CENTRALDIMENSIÓN CONCEPTUAL

TCA y colisiones5 TEORIAS

4. PRINCIPIOS

Describen el comportamiento ciné-

ticomolecular de la enzima fosfatasa

sobre los enlaces qcos del

glicerofosfato (sustrato).

Michaellis-Menten

Establece relación entre V de reacción

y la Concentración del sustrato.

10. CONCLUSIÓN

La cinética de la fosfatasa cumplió la Ley

de M-M, debido a la alta correlación lineal

entre los recíprocos de [s | y la V.

8.TABLA de RESULTADOS7. GRAFICAS

VARIABLE VALOR

Km 0.0103 M

V máx 1.012 umol/min

r 0.999

V = 1.012 [S|/0.0103 + [S|

1/V

3.03

200 1/[S|

V

[S|

0.5

0.01

8.TABLA de RESULTADOS7. GRAFICAS

VARIABLE VALOR

Km 0.0103 M

V máx 1.012 umol/min

r 0.999

V = 1.012 [S|/0.0103 + [S|

1/V

3.03

200 1/[S|

V

[S|

0.5

0.01

6. REGISTRO DE DATOS

0.100 0.910

0.050 0.830

0.020 0.670

0.010 0.500

0.005 0.330

[S| (mol/lt) V (umol/min)

pH = 7.0

T = 37 º

6. REGISTRO DE DATOS

0.100 0.910

0.050 0.830

0.020 0.670

0.010 0.500

0.005 0.330

[S| (mol/lt) V (umol/min)

pH = 7.0

T = 37 º

7. TRANSFORMACION DE DATOS (Cálculos)

1/[S| 1/V

10 1.09

20 1.20

50 1.49

100 2.00

200 3.03

Hallar: 1/[S| y 1/V (doble recíproca

Por Regresión lineal se obtiene

b = 0.9873 min/umol; m= 0.0102; R = 0.999

Se calcula KM y V max; así

K M = m / b = 0.0102/0.9873 = 0.0103

V max = 1 / b = 1 / 0.9873 = 1.012 umol/min

7. TRANSFORMACION DE DATOS (Cálculos)

1/[S| 1/V

10 1.09

20 1.20

50 1.49

100 2.00

200 3.03

Hallar: 1/[S| y 1/V (doble recíproca

Por Regresión lineal se obtiene

b = 0.9873 min/umol; m= 0.0102; R = 0.999

Se calcula KM y V max; así

K M = m / b = 0.0102/0.9873 = 0.0103

V max = 1 / b = 1 / 0.9873 = 1.012 umol/min

ENZIMA FOSFATASA

V max [S|

V = --------------

K M + [S|

cumple

CINETICA MICHAELLIANA

Actúa

sobre el

GLICERO

FOSFATO

produce

GLICEROL H3PO4

V [ s |

relaciona

V

[S|

Puede

ser es

Donde

aparece

así

V maxK M

1 / b m / b

es es

ENZIMA FOSFATASA

V max [S|

V = --------------

K M + [S|

cumple

CINETICA MICHAELLIANA

Actúa

sobre el

GLICERO

FOSFATO

produce

GLICEROL H3PO4

V [ s |

relaciona

V

[S|

Puede

ser es

Donde

aparece

así

V maxK M

1 / b m / b

es es

9. INTERPRETACION y DISCUSION:

La Km equivale a una concent. De 0.0103 mol de

glicerofosfato por cada litro de solución.

La gráfica de la doble recíproca presentó una

correlación lineal altamente significativa (p<0.01).



ÁCIDO ASPÁRTICO L-ALANINA + CO2(g)

Se realizó un experimento en el laboratorio, para verificar la potencia del

Treo-βetahidroxiaspartato(TBHA), como inhibidor de una fuente microbiana,

que contenía el ácido aspártico y se obtuvieron los siguientes resultados

Tabla 1:Valores de velocidad de la RBE,con y sin inhibidor TBHA, en función de la concentración de L -aspartato

(C)[L-aspartato]

(µmol/L)

(V)VELOCIDAD (µmolCO2/min)

SIN INHIBIDOR (RBE) CON INHIBIDOR(TBHA)

25.0 27.0 12.0

33.3 31.3 15.7

50.0 47.8 18.1

100.0 51.8 24.7

200.0 52.6 25.0

Con base en estos valores de la tabla 1,completar la siguiente tabla 2:

Tabla 2:Valores de la doble recíproca de Linneweaver and Burk.

1/C

(L/μmol)

1/ V (min/μmol)

SIN INHIBIDOR (RBE) CON INHIBIDOR(TBHA)

L-apartato-4-carboxilasa

T=37°C ; pH =

7.0



Adicionalmente:

1.Trazar las gráficas de:

1.2 1/V contra 1/C (gráfica de la doble recíproca, para las dos Reacciones

bioquímicas)

1.3 Ajustar las gráficas anteriores(1.2),por el método estadístico de los

mínimos cuadrados, encontrar :Pendiente(m),intercepto(b),ecuación de

regresión y coeficiente de correlación de Pearson(r2).Completar la siguiente

tabla(Deben realizar una por cada RBE)

TENER EN CUENTA: 1/C =X ; 1/ V = Y

Tabla 3.Datos para realizar la regresión lineal por mínimos cuadrados.

X Y X.Y X2 Y2 Ycorregida

X Y X.Y X2 Y2



2.Con base en las pendientes e interceptos, hallados en el ajuste de la

gráfica de la doble recíproca, Hallar: Constante de Michaelis-Menten( Km) y

Velocidad máxima (Vmáx),para las dos reacciones bioquímicas.(Completar

la tabla)

Tabla 4.Resultados de los parámetros cinéticos de las RBE.

TIPO DE RBE Vmáx (µmol/min) Km (µmol/L)

Sin inhibidor

Con inhibidot

2.1Encontrar la ecuación de Michaellis-Menten y la ecuación de la doble

reciproca, para ambas reacciones bioquímicas.

Tabla 5.Ecuaciones cinéticas de las RBE

TIPO DE RBE Ecuación de Michaelis

Ecuación de la doble

recíproca

Sin inhibidor

Con inhibidor

Con base en las ecuaciones indicadas en la tabla 5:

2.2 Trazar las gráficas corregidas de:

2.2.1 V contra C (para ambas reacciones)

2.2.2 Doble Recíproca (para ambas reacciones)

2.3Calcular la [L-aspartato] en la reacción bioquímica, con inhibidor y sin

inhibidor, cuando la actividad enzimática (V) es de :15 µmol CO2/min y 125

µmol CO2/min.



2.3.1Determinar la actividad enzimática de la enzima (V), cuando la [L-

aspartato] es de 75 µmol/L ,para la reacción sin inhibidor y con inhibidor.

2.3.2¿Cómo afectó los parámetros cinéticos (Km y Vmax), la adicion del

inhibidor Treo-βetahidroxiaspartato, la reacción enzimática?

3.Elaborar un diagrama UVE HEURÍSTICO de este experimento

Lección 5. Enzimas exógenas en la nutrición animal(Granados et al.,2000)

Las enzimas son proteínas de estructura tridimensional sumamente comple ja.

Actúan sólo en condiciones definidas de temperatura, pH y humedad y únicamente con

substratos específicos (Btihler y colaboradores, 1998). El uso comercial de enzimas en

nutrición avícola, empezó hace algunos arios con la aplicación de Beta-glucanasas en

dietas a base de cebada, debido a su bajo contenido energético y pobre digestibilidad, por

la presencia de Beta-Glucanos, los cuales forman soluciones de elevada viscosidad en

el intestino de las aves, interfiriendo así con la correcta digestión y difusión de los

nutrientes de la ración alimenticia (Sorensen y Nielsen., 1998).

La utilización de enzimas en dietas balanceadas para aves, ha demostrado contribuir a]

mejoramiento de su comportamiento productivo en factores como: conversión alimenticia,

ganancia de peso y eficiencia en razón al aumento de la degradación de los componentes

antinutricionales de los piensos, basados principalmente en cereales como: cebada

centeno y trigo. El efecto antinutritivo de la cebada se atribuye principalmente al 1,3 - 1,4

Betaglucano, porque su porción soluble es mucho más elevada que la de los

pentosanos,(Buhler y colaboradores., 1998). Estos Betaglucanos son parecidos a la

celulosa y están conformados por moléculas de glucosa unidas entre sí por enlaces

Beta-glucosídicos 1, 4 y 1, 3. Estos son los que originan la intensa ramificación y la

posibilidad de acumulación de agua, que tiene un efecto antinutritivo por aumento de la

viscosidad. El contenido de betaglucanos en la cebada oscila entre 15 y 107 g/kg de

materia seca (Bühler et al.,1998). Otros componentes de la cebada, difíciles de digerir,

son el ácido tífico y sus sales denominadas Fitatos.

Dichas sales son ésteres del ácido hexafosfórico del inositol y pueden formar complejos

insolubles con proteínas y cationes divalentes como calcio, magnesio, Zinc y cobre. Esto

reduce la biodisponibilidad de estos nutrientes, haciéndolos difícilmente digeribles. En



consecuencia, el fitato es un factor antinutritivo en la dieta (Basf., 1997). El contenido

de fósforo tífico en la cebada tiene un rango de 2.2 gramos a 2.9 gramos por cada

kilogramo de materia seca (Bubler et al.,1998). Las sales del ácido fitico ó fitatos, sólo

pueden descomponerse por acción de las fitasas que no están presentes de forma

natural en el tubo digestivo de las aves de corral. Estas enzimas., son producidas en el

laboratorio por fermentación microbiana a partir del Aspergillus niger y son utilizadas en

animales monogástricos para degradar los fitatos, incrementando con ello la

biodisponibilidad del fósforo y otros componentes nutricionales de la dieta (Vahan.,

1997). La fitasa cataliza una reacción de defosforilación del fitato a través de un

mecanismo no definido (Hurtado y Resende., 1997).

El producto enzimático más utilizado en la producción de pavos es la fitasa. Fancon

(1997), utilizó esta enzima con 13 mil 280 pavos de las variedad But Big; observó que

se produjeron algunos efectos beneficiosos en los parámetros productivos especialmente,

en la ganancia de púa y el índice de conversión. Vahan (1997), encontró que esta

enzima además de mejorar la digestíbilidad del fósforo, incrementaba también la

digestibilidad del nitrógeno de los componentes de la dieta, aumentando los

rendimientos de carne y la velocidad de crecimiento.

Teniendo en cuenta que las enzimas permiten hacer uso de materias primas poco

utilizadas en la alimentación aviar, se decidió evaluar el efecto de la suplementación

de las enzimas: carbohidrasas, complejo (arabanasa + celulosa + betaglucanasa +

hemicelulosa xilanasa) y fitasa, en una ración alimenticia enriquecida con cebada y su

incidencia en el comportamiento productivo de gallopavos.

Capítulo 3: Biotermodinámica

LECCIÓN 1: Introducción a la termodinámica

La termodinámica es la ciencia que estudia las relaciones entre calor y las

demás formas de transferencias de energía, puesto que toda

transformación biofisicoquímica implica, generalmente, un cambio

energético.



Para abordar el estudio de la termodinámica es necesario revisar los conceptos de

Temperatura y Calor.

1.1 Temperatura (T)

La temperatura puede definirse como la propiedad termodinámica que cuantifica la

energía cinética molecular promedio de las moléculas existentes en cualquier

sistema,además, determina el flujo de calor y el equilibrio térmico,así, dos cuerpos

están a la misma temperatura si no hay transferencia de calor cuando se colocan

juntos.

1.1.1 Escalas de Temperatura

La más importantes son: La Celsius o centígrado (°C), kelvin(K), Farenheit

(°F) y la Rankine(°R)

La siguientes ecuaciones muestran la correspondencia matemática entre las

escalas:

K= °C + 273

°F=1,8°C +32

°R = °F + 460

1.2 Calor (Q)

El calor como propiedad termodinámica es una forma de transferencia de energía

debida a la diferencia de temperatura(ΔT), entre dos sistemas,es decir, es energía en

tránsito que depende de T1 y T2.

Teniendo en cuenta el concepto de calor específico, como la cantidad de calor(Q)

que se debe suministrar a unidad de masa (m) para elevar la temperatura en 1

grado (ΔT),se tiene que la ecuación fundamental del calor es:



Q= mCP ΔT

Donde:

Q = calor ganado o perdido por el sistema

m = masa de la sustancia en gramos

C p= calor específico de la sustancia,medido a presión constante, en cal/g°C

ΔT= T2 -T1

T2 = Temperatura final del sistema

T1= Temperatura inicial del sistema

Para efectos de resolver algunos ejercicios,se debe tener en cuenta los siguientes

factores de conversión:

Cuadro 1:Tipo de unidades y factores de conversión para masa y energía.

UNIDADES CONVERSIONES

MASA

1g=1000mg , 1kg=1000g ;

1lb=454g

1kg=2,2 lb ; 1tonelada(t)=1000kg

CALOR , TRABAJO Y

ENERGÍA

1cal=4,18J ; 1kcal=4,18KJ

1kcal=1000cal ; 1KJ=1000J

1MJ =106J; 1Mcal =106 cal

1BTU=252 cal

g=gramos ; mg=miligramos ; lb=libras ; cal=calorías ; Kcal=kilocalorías ; J=Joule



KJ=kilojoule ; MJ=Megajoule ; BTU=British thermal unit

1.2.1 Calor de Combustión (Energía Bruta)

Cuando una sustancia orgánica se quema por completo hasta sus últimos

productos de oxidación, gas carbónico (CO2), agua(H2O) y otros gases, el calor

liberado se denomina energía bruta o calor de combustión y se expresa como la

variación de la entalpÍa (ΔH) en Kcalorías por mol.

Ejemplo:

Para la Glucosa : ΔH = 673 Kcal/mol, lo cual indica que cuando 1 mol de glucosa, es

decir 180g, se oxidan completamente hasta CO2 y H2O, se generan 673 kilocalorías.

Esta medida es importante para determinar el contenido energético de los

alimentos, que el organismo utiliza y su determinación se efectúa en una

bomba calorimétrica. A nivel de nutrición animal es útil expresar la energía bruta en

Kcal/ g.

Ejemplo:

Para el Salvado de trigo : ΔH = 4,54 cal/g, esto significa que cuando 1 g de salvado

de trigo se oxida completamente, existe una liberación de 4,54 calorías o 19 Joules.

LECCIÓN 2: Postulados fundamentales de la termodinámica

2.1 Primera Ley

Enunciada por Robert Meyer en 1841, es el principio de la conservación de la energía y

puede definirse así: La energía total de un sistema aislado permanece constante, es

decir, la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma de un tipo a otro. Por lo

tanto, cuando desaparece una clase de energía debe producirse una cantidad

equivalente de otra clase.



Cualquier cambio en el estado del sistema, incluye un cambio en la energía interna

(ΔE) igual a la cantidad de calor (Q) absorbida por el sistema menos la cantidad de

trabajo (W) realizado por el mismo, esto se puede escribir así:

ΔE = Q - W

Teniendo en cuenta, que el calor es una forma de energía, fácilmente

cuantificable, la mayor parte de las investigaciones sobre las equivalencias e

intercambios de energía que tienen lugar en los procesos fisicoquímicos fueron

analizados con base en los cambios caloríficos de un sistema termodinámico.

La energía Interna (ΔE), se define como la capacidad intrínseca de un sistema para

producir trabajo, incluye todas las formas de energía y resulta del movimiento de las

moléculas, la atracción intermolecular y otros factores fisicoquímicos.

ΔE es una función termodinámica de estado, porque depende únicamente de los

estados inicial y final del sistema, esto significa que es independiente de la tayectoria

de una transformación, así el calor de combustión de la glucosa se puede determinar

por incineración ó a nivel metabólico.

En un organismo animal, ocurren un múltiples reacciones bioquímicas que constituyen

el metabolismo bioenergético. Esta serie de reacciones, se subdividen en 2

categorías básicas: el catabolismo, que implica la desintegración de macromoléculas

en otra más sencillas y el anabolismo, que se refiere al proceso inverso, es decir, a la

síntesis o formación de productos bioquímicos destinados a la estructura del

protoplasma celular.

En toda esta cadena de procesos químicos, se requiere en mayor ó menor

cantidad la energía, por lo tanto, es importante pensar ¿De dónde se pro

duce?, ¿Cómo se produce?, ¿en dónde se almacena?, ¿cómo se utiliza?. Para dar

respuesta a esta serie de interrogantes, comenzaremos por afirmar que la energía

utilizada, es extraída gradualmente de los alimentos (carbohidratos, lípidos y



proteínas) a través de tres etapas fundamentalmente oxidativas: Hidrólisis,

formación de Acetil CoA y ciclo de Krebbs con la fosforilación oxidativa, los

productos finales de estas etapas son el gas carbónico, agua y lo más importante:

ENERGÍA, La cual es almacenada en una molécula extraordinaria: El ATP ó

Adenosín Trifosfato.

2.2 Segunda ley de la Termodinámica

La primera ley de la termodinámica, no establece la dirección de flujo del calor, ni

tampoco clarifica sus efectos de éste sobre el sistema y sus entorr Debido a esto,

los eminentes científicos Rudolf J.E. Clausius, lord Kelvin y > Planck, trataron de

generalizar estos conceptos, para así, darle el sentido a las transformaciones

termodinámicas. Con base en sus trabajos experimentales llegaron a los

siguientes enunciados.

a. Primer enunciado (Según kelvin-Planck): No es posible diseñar una

máquina térmica capaz de convertir todo el calor absorbido en trabaje.

Esto significa que la eficiencia o rendimiento de las máquimas térmicas

en menor del 100%.

b. Segundo enunciado (Según Clausius): El calor fluye espontáneamente de

un foco más caliente a un foco más frío y no viceversa.

De estos enunciado, puede deducirse lo siguiente:

- Todos los procesos de la naturaleza tienden a cambiar espontáneamente

en una dirección que conduzca al equilibrio.

- El calor no se transforma en trabajo, sin producir cambios permanentes

en los sistemas o sus proximidades.

- La energía se degrada.

Ejemplo, sí calentamos previamente una barra de hierro y luego la aislamos el calor

no se concentrará únicamente en un extremo, sino que se distribuirá



uniformemente en toda la barra, marcando la dirección de flujo de calor desde el

punto más caliente hasta el extremo más frío.

2.2.1 Características de la Entropía(ΔS)

a. La entropía puede considerarse como la medida del desorden de un

sistema termodinámico.

b. En un proceso reversible la entropía global no cambia, es decir ΔS = O,

porque ésta depende únicamente de los estados inicial y final del sistema.

c. En todo proceso irreversible la entropía total aumenta, luego ΔS > O

d. A una temperatura dada, los sólidos tienen una entropía relativamente

baja, los líquidos una cantidad intermedia y los gases la entropía más alta.

e. Al aumentar la temperatura, la entropía y el desorden crecen.

f. En general, se puede afirmar que la entropía del universo va en aumento

ya que la mayoría de los procesos termodinámicos son irreversibles.

g. Cuando los organismos vivos se desarrollan, disminuyen su entropía

(ΔS<0), por causa del orden estructurado de la materia viva. Pero el

descenso se produce a expensas de un incremento entrópico del medio

ambiente.

h. En un sistema, la energía útil está organizada y cuando se utiliza en realización de un

trabajo se convierte en calor, que es una forma de energía, basada en el movimiento

caótico de átomos y moléculas, por lo tanto, incrementa el desorden del sistema y por

consiguiente la entropía.

En síntesis, podemos afirmar que todo proceso natural se realiza con un incremento

entrópico y que la dirección del cambio es aquella que conduce a tal aumento. Este



enunciado es la forma más general de la segunda ley de la termodinámica, luego los

otros casos indicados son formas particulares de esta ley.

El ejercicio que se describe a continuación es una aplicación directa de las leyes

biotermodinámicas en la termo-regulación de los animales

Un animal de 480 Kg de masa ,temperatura basal :39°C y calor específico corporal:

4KJ/Kg°C, disipa 0,80Mcal, por causa de un estado febril.

Preguntas centrales

1.¿Cuántos Kilojoules disipa el animal por causa del estado febril?

2.¿Cuál es el aumento de la temperatura(°C) corporal del animal?

3.¿Cuál es la temperatura corporal final del animal, en °F?

4.¿Qué efectos sobre el metabolismo del animal , causará este incremento térmico?

5.¿Cómo se termorregulará el animal en esta situación?

Listado de conceptos para elaborar el mapa conceptual

CONCEPTO CONCEPTO

Calor Basal

Metabolismo Catabolismo

Temperatura Transferencia

Energía Pirógenos

Estado de febril Hipotálamo

Q= mCΔT Corporal

Termorregulación ATP



A continuación, se muestra el ejercicio desarrollado y resumido en un diagrama UVE



LECCIÓN 3. Energía libre metabólica (ΔG) y equilibrio

La ecuación básica es la siguiente:

ΔG =(ΔH) - T(ΔS)

Esta ecuación de gran aplicación en bioquímica, puesto que combina la primera y

segunda leyes de la termodinámica, proporcionando información valiosa

acerca de la espontaneidad, sentido y estado de equilibrio de una reacción

bioquímica.

3.1 Características de ΔG

a. La energía libre de Gibbs mide la energía necesaria que necesita un sistema

para realizar un trabajo útil.

b. La energía libre del Gibbs es la fuerza impulsora de las reacciones bioquímicas

enzimáticas(RBE)

c. Sí el cambio en la energía libre es negativo la RBE se produce

espontáneamente, por lo tanto, se dice que es exergónica, catabólica libera energía.

Debido a que el cambio entrópico, no es fácilmente medible en una reacción

bioquímica, el profesor Josiah.W. Gibbs , propone una función termodinámica de

estado, que relaciona el cambio de entalpía (ΔH) y el cambio entrópico del sistema

a presión y temperatura constantes, la cual se denomina Energía Libre de Gibbs (ΔG)



d. Sí el cambio en la energía libre es positivo la RBE no se produce

espontáneamente, por lo tanto, se dice que es endergónica, anabólica y requiere el

suministro de energía para que ocurra.

e. Sí el cambio en. la energía libre es cero (0), el sistema está en equilibrio, y

no se produce ninguna reacción(RBE)

De esto se puede concluir, que una reacción química RBE, se produce, siempre y cuando

disminuya la energía libre de Gibbs, es decir ΔG<0.

El mentefacto ,resume las bases conceptuales y características biotermodinámicas de la energía

libre de Gibbs.

Lección 4. El adenosín trifosfato (ATP),biomolécula energética

La biomolécula del El ATP es considerada como un nucleótido energético ,porque

contiene :una base nitrogenada que corresponde a la Adenina,un monosacárido pentosa



denominado:ribosa y un grupo trifosfato,el cual almacena la energía libre metabólica en

sus enlaces químicos fosfoanhídridos de éster,como lo muestra la figura 4.

Figura 4.Fórmula estructural del adenosín trifosfato (Lehninger.,2000)

Es así como el enlace del último radical fosfato contiene unas 7300 calorías por mol, lo

que significa que cuando éste se rompe por hidrólisis, se deben liberar 7300 calorías

por mol, es decir:

ATP + H2O <======> ADP + Fosfato + 7300 calorías

Esta energía química del ATP la utiliza la célula en su trabajo biológico, transformándola

en energía mecánica, eléctrica, térmica y por último en calor

La reacción anterior es reversible, lo cual indica, que para formar una molécula de ATP,

debe presentarse la reacción entre el ADP(Adenosín difosfato) y una molécula de

fosfato, con un suministro de 7300 calorías por mol, por lo tanto, este proceso consume

energía.

Es importante el análisis cuantitativo de esta energía producida en un organismo

animal, por eso, su valoración se fundamenta principalmente en el calor desprendido o



liberado por éste, en una bomba calorimétrica o calorímetro de respiración, con este

aparato, se lleva cuenta del ingreso de alimentos, agua y oxígeno, de la excreción de

sólidos, líquidos, gases y la producción de calor.

Esta medición se denomina calorimetría directa y sirve para efectuar un balance

energético en la nutrición animal, es decir, el análisis de energía metabolizable,

energía neta y energía nutritiva total, esenciales en el estado nutricional del animal.

La energía utilizada, es extraída gradualmente de los alimentos (carbohidratos, lípidos y

proteínas) a través de tres etapas fundamentalmente oxidativas: Hidrólisis,

formación de Acetil CoA y ciclo de Krebbs con la fosforilación oxidativa, los

productos finales de estas etapas son el gas carbónico, agua y lo más importante:

ENERGÍA. La cual es almacenada en una molécula extraordinaria: El ATP

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD Escuela de Ciencias Agrícolas,Pecuarias y del Medio Ambiente.,ECAPMA. Contenido didáctico del curso Bioquímica Metabólica Elaboró: Jairo Granados.,MSc.

Lección 5 Flujo y tipos de energía en los animales.

La fuente primaria de toda la energía utilizada por los animales, las plantas y todos

los organismos vivos del planeta está en la energía liberada por el sol. Esta es

captada por las plantas en el proceso de la fotosíntesis, con la formación de

cadenas carbonadas (glucosa, ácidos grasos, aminoácidos, etc.) que conservan

dicha energía y de donde posteriormente los animales la obtienen para suplir sus

necesidades.

Todas las complejas funciones del organismo animal son realizadas por medio de

la energía. Así, el trabajo celular, la biosíntesis, el trabajo osmótico, el trabajo

mecánico y demás funciones orgánicas, son posibles gracias a la energía, la cual

toma de los productos ingeridos, que al ser oxidados en el organismo animal,

liberan la energía contenida en ellos.

En los animales superiores la temperatura se mantiene constante a 37° Celsius,

esto hace que no se pueda utilizar el calor como fuente de energía para realizar el

trabajo. Sin embargo, los animales realizan trabajo; la razón de ello es que la

energía producida en las reacciones química a nivel celular es captada en forma

de energía química y utilizada posteriormente para el trabajo celular.

En este aspecto el ATP juega un importantísimo papel como transportador de toda

la energía química requerida en todas las reacciones del metabolismo. Su

formación, a partir del ADP y el fósforo inorgánico, está acoplada a la degradación

de las moléculas que actúan como combustibles y que liberan la energía requerida

para ello. Posteriormente el ATP libera su energía la cual es usada para todo el

trabajo celular. Tal es el ciclo que se establece entre las plantas y los animales y el

papel del ATP como intermediario en los intercambios de energía a nivel celular,

tanto en las plantas como en los animales.

El ciclo energético en su conjunto incluye los siguientes aspectos:

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1. La fotofosforilación. Es decir, la captación de la energía de las radiaciones

solares en los cloroplastos de las plantas verdes y su transformación en energía

química en forma de ATP.

2. La utilización de la energía química del ATP para la formación de sustancias

orgánicas tales como glúcidos, lípidos, aminoácidos, etc., por los vegetales, donde

a partir del CO2, y del H2O, se forman las cadenas carbonadas que serán

posteriormente utilizadas por los animales.

3. La respiración celular en las mitocondrias de las células de los animales, donde

estos productos son oxidados a CO2, y H2O liberando su energía que es utilizada

para la síntesis del ATP (fosforilación oxidativa).

4. La utilización de la energía del ATP formado para realizar todo el trabajo celular,

que incluye el trabajo químico o biosintético (síntesis de proteínas, glúcidos,

lípidos, y otras biomacromoléculas ).

5.1Tipos de energía en los animales.

A partir de los aspectos antes analizados, sobre todo el flujo de energía en la

naturaleza y el sistema representado por la cadena respiratoria y la fosfori lación

oxidativa, se comprende el papel de la energía dentro del metabolismo.

Es importante señalar que toda la energía requerida por un sistema metabólico

debe estar presente y por supuesto suministrada por el entorno. Es decir, los

animales requieren del suministro constante de energía la cual obtienen de los

productos alimenticios ingeridos y los vegetales del sol.

La energía contenida en los alimentos ingeridos recibe el nombre de energía bruta

(EB) y se obtiene por combustión completa del alimento en base a materia seca.

La energía bruta de un alimento está dada por la relación que contenga de

carbohidratos, proteínas, grasas y otros compuestos orgánicos. Un gramo de

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carbohidrato produce por combustión 4.10 kcal, un gramos de proteínas 5,65 kcal

y un gramo de grasas 9,45 kcal. Como es lógico el incremento de proteínas y

sobre todo de grasas en la composición del alimento aumenta el valor energético

de los mismos.

Estos conceptos son muy aplicados en nutrición animal para establecer diferentes

tipos de dietas.

Si a la energía bruta (EB) le descontamos la energía perdida por las heces (EF)

debido a los alimentos sin digerir, así como, a las secreciones del aparato

digestivo, restos celulares, microbios entéricos, etcétera, se obtiene la energía

digestible (ED). La energía digestible depende del coeficiente de digestibilidad de

la ele la dieta lo cual se debe fundamentalmente a la composición química su

solubilidad y posibilidades de hidrólisis, por las enzimas el aparato digestivo de

cada especie animal. La energía digestible varía mucho en dependencia del

alimento y es un concepto de mayor utilidad que el de energía bruta.

Si de la energía digestible descontamos la energía urinaria, debido a productos

absorbidos no oxidados y la energía perdida por los productos gaseosos de la

digestión, sobre todo del metano en los rumiantes, obtenemos la energía

metabolizable (EM). La energía metabolizable representa la suma de la energía

de todos los productos asimilados una vez descontadas las pérdidas anteriores.

Es un índice de gran valor pues a partir de ella, deducido la energía por el

incremento del calor, se obtiene la energía neta (EN) del metabolismo.

La energía neta responde a la energía usada directamente en las funciones

celulares tanto la de mantenimiento (EN de mantenimiento) es decir la energía del

metabolismo basal, actividad corporal, etc. Y la energía de producción (EN de

producción) referida a la energía para crecimiento, trabajo, producción de leche,

lana, reproducción, etc.

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Por supuesto todos estos conceptos tienen una utilidad práctica en los sistemas

de alimentación sobre todo el concepto de energía digestible. A nivel metabólico

como ya habíamos expresado se une el término de energía libre para ver la

tendencia de las reacciones. Se refiere a la energía capaz de realizar trabajo

biosintético, osmótico o mecánico y representada por las Kcal captadas en los

enlaces macroenergéticos del ATP a partir de la oxidación de un mol de glucosa,

de ácido graso o de aminoácido. Es decir son conceptos diferentes pues cuando

hablamos de energía bruta o energía metabolizable se refiere a energía de

combustión.

Por ejemplo:

1 gramo de glucosa produce 3,76 Kcal de EB

1 gramo de ácido palmítico produce 9.35 Kcal de EB

Mientras la energía química obtenida en forma de enlaces macroenergéticos del

ATP es:

1 gramo de glucosa: 1.48 Kcal

1 gramo de ácido palmítico 3,58 Kcal

Es decir hay una captación de un 39% para la glucosa de la energía total de estos

compuestos y de un 38% para el ácido palmítico.

Estos conceptos son muy útiles a la hora de entender el flujo energético en la

naturaleza pues permite comprender que en el paso de los compuestos por todos

los procesos metabólicos, por ejemplo de la glucosa al CO2 hay unas 21

reacciones, se va liberando energía en forma de calor e incrementando la

entropía, en definitiva

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