Bioquímica CN-G9-DBA1

La bioquímica estudia las transformaciones moleculares que sustentan los procesos vitales: la respiración celular, la fotosíntesis y la síntesis de macromoléculas se entienden mediante el análisis de reacciones químicas catalizadas por enzimas específicas. El nivel molecular conecta la química inorgánica con la biología organísmica y constituye el marco unificador de la biología contemporánea.

Las cuatro clases de biomoléculas organizan la materia viva: los carbohidratos (monómero monosacárido, ejemplo glucosa C₆H₁₂O₆), los lípidos (ácidos grasos esterificados con glicerol), las proteínas (polímeros de aminoácidos enlazados por enlace peptídico) y los ácidos nucleicos (polímeros de nucleótidos). Cada clase cumple funciones diferenciadas; las proteínas, en particular, comprenden tanto a las enzimas catalíticas como a las estructurales que organizan el citoesqueleto celular.

El metabolismo se define como la red integrada de reacciones catalizadas por enzimas dentro de cada célula. Se divide en catabolismo (vías de degradación que liberan energía) y anabolismo (vías de biosíntesis que requieren energía). Cada enzima posee un sitio activo cuya geometría y composición química son complementarias al sustrato, lo que confiere especificidad casi absoluta a la catálisis. La velocidad de reacción aumenta varios órdenes de magnitud sin alterar el equilibrio termodinámico, dado que la enzima disminuye únicamente la energía de activación.

La oxidación de glucosa procede en tres etapas conectadas. Primero, la glucólisis ocurre en el citoplasma y convierte una molécula de glucosa en dos piruvatos, con un rendimiento neto de 2 ATP y 2 NADH. Segundo, cada piruvato ingresa a la mitocondria como acetil-CoA. Tercero, el ciclo de Krebs completa la oxidación a CO₂: por cada acetil-CoA se generan 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP y 2 CO₂. Los cofactores reducidos NADH y FADH₂ alimentan la cadena respiratoria, donde la fosforilación oxidativa sintetiza la mayor parte del ATP celular, considerado la moneda energética universal.

En los organismos autótrofos, la fuente primaria de carbohidratos queda determinada por la fotosíntesis: la energía luminosa se transforma en energía química en los cloroplastos, donde el ciclo de Calvin fija CO₂ atmosférico en triosas-fosfato. La bioquímica resultante constituye la base de la biología molecular, la biotecnología, la farmacología y la nutrición clínica modernas.

Práctica

Según el ciclo de Krebs arriba, ¿cuántas moléculas de NADH y FADH₂ se producen por cada molécula de acetil-CoA que ingresa? Justifica con base en las reacciones del ciclo.

Por cada acetil-CoA se producen 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP y 2 CO₂. Las moléculas de NADH se generan en isocitrato ⟶ α-cetoglutarato, α-cetoglutarato ⟶ succinil-CoA y malato ⟶ oxaloacetato; el FADH₂ se genera en succinato ⟶ fumarato; el GTP se forma en succinil-CoA ⟶ succinato por fosforilación a nivel de sustrato.

Explica por qué las enzimas son catalizadores biológicos altamente específicos. Cita el concepto de sitio activo.

Las enzimas son proteínas con un sitio activo cuya forma y composición química son complementarias al sustrato (modelo llave-cerradura, refinado por el modelo de ajuste inducido). Esta especificidad permite que cada enzima catalice una reacción o un grupo muy limitado de reacciones, disminuyendo la energía de activación sin alterar el equilibrio termodinámico.

Una molécula de glucosa se oxida completamente a CO₂ y H₂O por glucólisis + ciclo de Krebs + cadena respiratoria. Estima el rendimiento neto de ATP por molécula de glucosa.

Glucólisis: 2 ATP netos + 2 NADH. Piruvato ⟶ acetil-CoA: 2 NADH adicionales. Ciclo de Krebs (2 vueltas por glucosa): 6 NADH + 2 FADH₂ + 2 GTP. En la cadena respiratoria cada NADH rinde ≈ 2,5 ATP y cada FADH₂ ≈ 1,5 ATP. Rendimiento neto aproximado: 2 + 2 + (10)(2,5) + (2)(1,5) + 2 ≈ 32 ATP por molécula de glucosa.