En esta lección
- Video de la lección (próximamente)
- Apuntes de la lección
- Ejemplos resueltos
- Ideas clave
- Alineación con NGSS
Llévatelo
Pregunta esencial
¿Cómo aceleran las enzimas las reacciones que mantienen vivas a las células?
Digerir una comida tardaría días sin ayuda, y las reacciones de tus células serían demasiado lentas para mantenerte vivo. Las enzimas resuelven este problema. Son proteínas que aceleran las reacciones químicas en grandes cantidades, y cada una funciona mejor en ciertas condiciones. En esta lección aprenderás cómo funcionan las enzimas y cómo la temperatura, el pH y la cantidad de sustrato cambian su rapidez.
Video de la lección próximamente. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.
Energía de activación
- Una reacción necesita un empujón para comenzar
- Ese empujón es la energía de activación
- Sin ayuda, muchas reacciones de las células son demasiado lentas
- Calentar la célula también la dañaría
Muchas reacciones químicas necesitan un impulso de energía antes de poder comenzar, aunque al final liberen energía. Este impulso se llama energía de activación. A la temperatura de una célula viva, la mayoría de las reacciones serían demasiado lentas sin ayuda, pero subir la temperatura lo suficiente para acelerarlas dañaría a la célula. Las células resuelven este problema con enzimas.
Qué son las enzimas
- Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores
- Un catalizador baja la energía de activación
- No se gasta, así que puede trabajar una y otra vez
- Cada enzima es específica para un tipo de reacción
| Enzima | Sustrato | Producto | Dónde trabaja |
|---|---|---|---|
| Amilasa | Almidón | Azúcares | Boca, intestino delgado |
| Pepsina | Proteínas | Polipéptidos cortos | Estómago |
| Lipasa | Grasas | Ácidos grasos y glicerol | Intestino delgado |
Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción sin gastarse. Las enzimas son catalizadores hechos de proteína. Como muestra la gráfica de la sección anterior, una enzima baja la energía de activación, pero no cambia la energía de los reactivos ni de los productos. La molécula sobre la que actúa una enzima es su sustrato. Los nombres de las enzimas suelen terminar en -asa, y cada uno suele corresponder a su sustrato, como en la tabla. Una enzima trabaja con un solo sustrato, o con un grupo muy pequeño de sustratos parecidos.
El sitio activo
- El sitio activo es una cavidad de la enzima
- El sustrato encaja en el sitio activo
- Se forma el complejo enzima-sustrato
- Los productos salen y la enzima queda libre para trabajar otra vez
Una enzima tiene una cavidad pequeña llamada sitio activo. El sustrato encaja en el sitio activo, como una llave en una cerradura, y forman un complejo enzima-sustrato. En el sitio activo, el sustrato se mantiene en una posición que facilita romper o formar enlaces, y eso baja la energía de activación. Luego los productos salen y la enzima queda lista para trabajar con otra molécula de sustrato. Como la forma del sitio activo depende de la forma plegada de la proteína, todo lo que cambie la forma de la enzima puede cambiar qué tan bien funciona.
Temperatura y velocidad de la enzima
- Velocidad = cantidad de producto ÷ tiempo
- Una temperatura más alta hace que las moléculas choquen más seguido
- Cada enzima tiene una temperatura óptima
- Por encima de ella, la enzima se desnaturaliza y la velocidad baja
La velocidad de una reacción indica qué tan rápido se forma un producto. Se calcula dividiendo la cantidad de producto entre el tiempo. La gráfica muestra datos de muestra de una enzima. Conforme la temperatura sube de 0 °C a 40 °C, la velocidad aumenta porque las moléculas se mueven más rápido y chocan más seguido. A 40 °C la velocidad es la más alta. Esta es la temperatura óptima de esta enzima. Por encima de ella, la velocidad cae de golpe porque el calor desnaturaliza la enzima y el sitio activo pierde su forma.
pH y velocidad de la enzima
- Cada enzima tiene un pH óptimo
- Un cambio de pH cambia las cargas de los grupos R
- Esto cambia la forma del sitio activo
- Las enzimas de lugares distintos trabajan a valores de pH distintos
La gráfica muestra datos de muestra de tres enzimas digestivas. La pepsina trabaja en el estómago, donde el líquido es muy ácido, y es más activa cerca de pH 2. La amilasa es más activa cerca de pH 7, que es casi neutro, y la tripsina es más activa cerca de pH 8 en el intestino delgado. Un cambio de pH cambia las cargas eléctricas de partes de la proteína, y eso puede cambiar su forma. Lejos de su pH óptimo, una enzima es menos activa, y con un pH extremo se puede desnaturalizar.
Concentración de sustrato
- Más sustrato significa más choques con los sitios activos
- La velocidad sube al principio
- Luego se estabiliza cuando todos los sitios activos están ocupados
- Agregar más enzima aumenta la velocidad máxima
Cuando la cantidad de enzima es fija, aumentar la cantidad de sustrato acelera la reacción al principio, porque las moléculas de sustrato encuentran sitios activos vacíos con más facilidad. Al final, cada molécula de enzima trabaja a toda su velocidad con un sustrato en su sitio activo. Agregar más sustrato ya no puede hacer que la reacción vaya más rápido, así que la gráfica se estabiliza. Para aumentar la velocidad máxima, la célula necesita más moléculas de enzima.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Calcular la velocidad de una reacción
(a) Una enzima produce 12 mL de gas en 4 minutos. ¿Cuál es la velocidad? (b) Usa la gráfica de temperatura. A 40 °C, ¿cuántos mL de producto se formarían en 6 minutos? (c) ¿Cuántas veces más rápida es la velocidad a 40 °C que a 10 °C?
Mostrar la solución
- (a) Velocidad: velocidad = cantidad ÷ tiempo = 12 mL ÷ 4 min = 3 mL por minuto.
- (b) Producto a 40 °C: la velocidad a 40 °C es de 25 mL por minuto. Cantidad = velocidad × tiempo = 25 mL por min × 6 min = 150 mL.
- (c) Comparación: la velocidad a 10 °C es de 3 mL por minuto. 25 ÷ 3 = 8.3, así que la reacción es unas 8 veces más rápida a 40 °C.
- Respuesta: (a) 3 mL por minuto. (b) 150 mL. (c) Unas 8 veces más rápida.
Ejemplo 2: Enzimas a distintos valores de pH
Usa la gráfica de tres enzimas. (a) ¿Cuál es el pH óptimo de cada enzima? (b) ¿Qué enzima podría digerir alimentos en el estómago, donde el pH es de cerca de 2? (c) La amilasa de la boca se traga y llega al estómago. Explica qué le pasa, usando la gráfica y lo que sabes de la forma de las proteínas.
Mostrar la solución
- (a) pH óptimo: pepsina, pH 2. Amilasa, pH 7. Tripsina, pH 8.
- (b) En el estómago: la pepsina, porque tiene 100% de actividad a pH 2, y las otras dos enzimas están cerca de 0%.
- (c) La amilasa en el estómago: a pH 2 la actividad de la amilasa es casi 0 en la gráfica. El ácido cambia las cargas de los grupos R, y eso cambia la forma del sitio activo, así que la amilasa se desnaturaliza y deja de funcionar.
- Respuesta: (a) Pepsina 2, amilasa 7, tripsina 8. (b) Pepsina. (c) El ácido cambia su forma, así que deja de funcionar.
Ejemplo 3: Sustrato y sitios activos
Usa la gráfica de la velocidad contra la concentración de sustrato para una cantidad fija de enzima. (a) ¿Cuál es la velocidad a una concentración de 6? (b) ¿A qué concentración aproximada deja de subir la velocidad? (c) Explica por qué la velocidad se estabiliza. (d) ¿Cómo podría la célula aumentar la velocidad máxima?
Mostrar la solución
- (a) En 6: la velocidad es de 44 unidades.
- (b) Estabilización: la velocidad deja de subir cerca de una concentración de 10, donde llega a 50 unidades.
- (c) Explicación: a una concentración alta de sustrato, todos los sitios activos están ocupados todo el tiempo, así que el sustrato extra no encuentra sitios activos libres a los que unirse.
- (d) Subir el máximo: producir más moléculas de enzima, lo que da más sitios activos.
- Respuesta: (a) 44 unidades. (b) Cerca de 10. (c) Todos los sitios activos están en uso. (d) Agregar más enzima.
Práctica
Define los términos clave de la acción de las enzimas, calcula la velocidad de una reacción, lee gráficas de la velocidad de reacción contra el pH y la temperatura, y explica cómo una enzima baja la energía de activación. Inténtalo primero por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas.
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- Las enzimas son catalizadores de proteína que bajan la energía de activación
- Un sustrato encaja en el sitio activo
- Las enzimas no se gastan
- La temperatura, el pH y la concentración de sustrato cambian la velocidad
- Velocidad = cantidad de producto ÷ tiempo
De vuelta a la pregunta esencial: las enzimas aceleran las reacciones al bajar la energía de activación. El sustrato encaja en el sitio activo, y la forma del sitio activo depende de la forma de la proteína. Por eso la temperatura y el pH cambian qué tan bien funciona una enzima, y por eso cambiar la secuencia de aminoácidos puede impedir que funcione. A continuación verás cómo las células usan la energía que liberan las reacciones para producir ATP.
Alineación con NGSS
Esta lección avanza hacia estas expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS):
- HS-LS1-1: Construir una explicación basada en evidencia de cómo la estructura del ADN determina la estructura de las proteínas, que llevan a cabo las funciones esenciales de la vida mediante sistemas de células especializadas.
Los NGSS no tienen una expectativa de desempeño escrita para las enzimas, así que esta lección usa la que mejor se ajusta.
Ideas disciplinarias básicas: LS1.A Estructura y función