SGUICES032CB31-A17V1 Guía: Enzimas y metabolismo celular
SOLUCIONARIO GUÍA Enzimas y metabolismo celular Tabla de corrección: Ítem Alternativa Habilidad Dificultad estimada 1. A Reconocimiento Fácil 2. C Reconocimiento Fácil 3. A Reconocimiento Fácil 4. A Reconocimiento Fácil 5. B Reconocimiento Fácil 6. D ASE Media 7. C Reconocimiento Media 8. B Reconocimiento Media 9. E Reconocimiento Media 10. C Comprensión Media 11. A Comprensión Media 12. C Reconocimiento Media 13. D Reconocimiento Media 14. D Comprensión Media 15. E Comprensión Media 16. C Comprensión Media 17. D Reconocimiento Media 18. B ASE Media 19. B Comprensión Media 20. B Comprensión Media 21. E ASE Media 22. E ASE Difícil 23. C ASE Difícil 24. A Comprensión Difícil 25. D ASE Difícil
Tabla de defensa: Ítem Alternativa Defensa 1. A En la célula ocurren reacciones químicas de dos tipos: catabólicas y anabólicas. El catabolismo corresponde a reacciones químicas de destrucción, donde sustancias más complejas se rompen, generando sustancias más simples. El anabolismo es lo contrario, pues implica reacciones químicas en que sustancias simples se unen para formar otras más complejas. Por lo tanto, la alternativa correcta es A, ya que la glucólisis es el rompimiento de la molécula de glucosa en el citoplasma celular. 2. C La glucólisis es la primera parte de la respiración celular. Consiste, fundamentalmente, en el rompimiento de la molécula de glucosa, que cuenta con 6 átomos de carbono, en dos moléculas de piruvato, de 3 átomos de carbono cada una (alternativa C correcta). La alternativa A es falsa, ya que acetilación es la formación de acetil coenzima A, a partir de piruvato, de forma aeróbica. La alternativa B se descarta, pues, el ciclo de Krebs es un conjunto de reacciones en que el piruvato se degrada hasta Transformarse en CO 2 al interior de la mitocondria. La fermentación es el proceso de degradación anaeróbica de la glucosa, que permite obtener el ATP producido en la glucólisis y regenerar las moléculas necesarias para realizar nuevamente el proceso (alternativa D incorrecta). La alternativa E es falsa ya que la fosforilación oxidativa corresponde a la formación de ATP, que se realiza en las mitocondrias y es lo último en términos de obtención de energía, en tanto que la formación del piruvato se realiza en el citoplasma y es un paso inicial en la degradación de la glucosa. 3. A Las enzimas son catalizadores biológicos, es decir, moléculas que aceleran la velocidad de las reacciones químicas (alternativa E incorrecta). La mayoría de ellas son proteínas (alternativa A correcta), aunque se han encontrado algunos ARN con actividad catalítica, llamados ribozimas. Son altamente específicas (alternativa B incorrecta) y solo se encuentran en los seres vivos (alternativa C incorrecta). Al término de la reacción química no sufren cambios por lo que pueden ser reutilizadas en otra reacción química (alternativa D incorrecta). 4. A La glucólisis es un proceso que ocurre en el citoplasma celular en condiciones anaeróbicas. Consiste en la degradación de la glucosa en dos moléculas de piruvato. Los demás procesos se producen en el interior de las mitocondrias, ya que requieren de oxígeno.
5. B Algunas características de las enzimas son: Reducen la energía de activación de las reacciones químicas (alternativa D incorrecta). Son eficientes en pequeñas cantidades (alternativa A incorrecta). No son alteradas químicamente. No afectan el equilibrio de la reacción. Presentan sitio activo. Son específicas (alternativa B correcta). Están sujetas a regulación. Actúan en diferentes rangos de ph (alternativa C incorrecta). Hay moléculas como algunos ARN que presentan actividad enzimática (alternativa E incorrecta). 6. D Según el gráfico la enzima tiene su máxima actividad a ph alcalino, cercano a 8 (opción I correcta). Se observa que a ph menor a 8, la actividad enzimática va disminuyendo hasta inactivarse totalmente, de modo que a ph 4 (ácido) ya no presenta actividad (opción II correcta). En los extremos de la curva, la actividad enzimática es nula, A partir de esto, se puede inferir que debido a los cambios de ph, la enzima se desnaturaliza, perdiendo su función. Desde el estado de desnaturalización se puede producir una recuperación de la actividad enzimática al reestablecer las condiciones óptimas de ph. Sin embargo, esto no necesariamente ocurrirá, por ejemplo, porque la enzima requiere de una proteína chaperona para plegarse correctamente o se forma a partir de un péptido de mayor tamaño que luego se corta, como en el caso de la insulina. Por otro lado, en el gráfico no se representa que la enzima, después de haber estado a ph de inactividad, sea trasladada a ph óptimo, recuperando su actividad (opción III incorrecta). 7. C Las células pueden sintetizar ATP a través del proceso de glucólisis (proceso anaeróbico) y/o de la respiración celular (proceso aeróbico). Si el oxígeno no está disponible para realizar la respiración celular, el ácido pirúvico, que es el producto de la glucólisis, puede ser metabolizado en un proceso llamado fermentación. La fermentación alcohólica utiliza ácido pirúvico y NADH y produce etanol y NAD + (alternativa A incorrecta), mientras que la fermentación láctica utiliza los mismos reactantes, produciendo ácido láctico y NAD +. El NADH producido en la glucólisis se oxida formando NAD +, el cual interviene otra vez en la glucólisis, formando ATP, aunque en cantidades menores que en el proceso aeróbico de respiración celular. De esta forma, la fermentación hace posible producir ATP continuamente en ausencia de oxígeno. Así, no es el proceso de fermentación el
que genera ATP, sino que solamente regenera las moléculas necesarias para que se lleve a cabo la glucólisis de forma continua, proceso en el que sí se produce ATP. Por lo tanto, la fermentación es un proceso energéticamente menos eficiente que la respiración celular, pues se obtiene solo el ATP proveniente de la glucólisis, generándose menos ATP por cada molécula de glucosa degradada (alternativa C correcta). Con los procesos de fermentación se obtienen múltiples productos beneficiosos para el hombre, como es el caso del yogurt, pero este proceso no sólo está presente en hongos y bacterias. Por ejemplo, la fermentación láctica también está presente en el ser humano, bajo condiciones de ejercicio anaeróbico (alternativas B y D incorrectas). 8. B El ciclo de Krebs, también conocido como ciclo del ácido cítrico, es un proceso aeróbico y la vía final de oxidación de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos. Por lo tanto, corresponde a un conjunto de reacciones catabólicas, donde se degradan moléculas orgánicas (alternativa E incorrecta). Se inicia con el acetil CoA, el que se va oxidando y transformando en otros compuestos, hasta formar CO2, ATP, NADH y FADH2, siendo estas dos últimas, moléculas que se oxidan, es decir, que ceden electrones (alternativa D incorrecta). Los portadores de los electrones pasarán a la siguiente etapa de la respiración celular y entregarán su electrón para crear un gradiente y sintetizar ATP a partir de ADP, proceso conocido como fosforilación oxidativa (alternativa A incorrecta). Este ciclo de reacciones no puede llevarse a cabo en ausencia de oxígeno. Bajo condiciones anaeróbicas la alternativa para producir ATP es la glucólisis seguida por fermentación, produciéndose menos ATP por molécula de glucosa (alternativa C incorrecta). 9. E Los productos finales de la respiración celular corresponden a 36 moléculas de ATP (2 por el ciclo de Krebs y 34 por la fosforilación oxidativa), más dióxido de carbono (CO 2 ) y agua (H 2 O), que se liberan como productos finales de desecho de la acetilación, del ciclo de Krebs y de la cadena transportadora de electrones. Los ATP totales de la respiración celular, incluyen 2 ATP de la glucólisis, por lo que da 38 ATP como producto final. 10. C El término anfibólico significa que se presenta una función anabólica y una catabólica a la vez. El ciclo de Krebs presenta una función principalmente catabólica, pero también participa en vías anabólicas, de forma secundaria. Esto porque es la vía final de degradación de compuestos orgánicos como carbohidratos, aminoácidos y ácidos grasos, que permite obtener de ellos energía (catabolismo; opción I
correcta); sin embargo también produce moléculas que actúan como precursores de macromoléculas orgánicas y de esta forma participa en vías anabólicas (opción II correcta). La opción III es falsa, ya que el ciclo de Krebs es dependiente de oxígeno. 11. A En el diagrama presentado, la X representa un producto de la glucólisis que puede tener dos caminos: la vía de acetilación para formar acetil coenzima A y la vía fermentativa para formar ácido láctico (fermentación láctica) o etanol (fermentación alcohólica). Por lo anterior, el producto es el ácido pirúvico o piruvato. La acetil coenzima A es el producto de la acetilación del piruvato, previo al ingreso al ciclo de Krebs; el ácido oxalacético es una molécula de 4 carbonos que se combina con piruvato, en el primer paso del ciclo de Krebs; el oxígeno es requerido para llevar a cabo la oxidación del piruvato, el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa y el dióxido de carbono es uno de los productos finales de la respiración celular. 12. C El ácido láctico se produce a partir del piruvato (alternativa E incorrecta) en los músculos como resultado del proceso de fermentación láctica. Esto proceso ocurre en el citoplasma celular (alternativas A y D incorrectas) en condiciones anaeróbicas (alternativa C correcta; B incorrecta) y además produce NAD + a partir de NADH, regenerando las moléculas necesarias para que se lleve a cabo la glucólisis. Este último proceso no requiere oxígeno y produce 2 moléculas de ATP por glucosa degradada, de modo que acoplado a la fermentación, permite obtener energía en ausencia de oxígeno. 13. D La acetilación es la formación de acetil coenzima A, molécula que ingresa al ciclo de Krebs. A su vez este es una secuencia de reacciones en que el acetil CoA se oxida, formando ATP y poder reductor, en forma de NADH y FADH2. Ambos son procesos aeróbicos y se realizan al interior de las mitocondrias (alternativas A y B incorrectas). La glucólisis es el proceso de degradación o lisis de la glucosa en el citoplasma de la célula para formar dos moléculas de ácido pirúvico (alternativa C incorrecta). La fermentación es la vía anaeróbica que sigue el ácido pirúvico, en el citoplasma celular, formando lactato o etanol (alternativa D correcta). La fosforilación oxidativa es la obtención de ATP a partir de ADP, a través de la cadena transportadora de electrones en las crestas mitocondriales (alternativa E incorrecta). 14. D Habilidad de pensamiento científico: Análisis del desarrollo de alguna teoría o concepto.
Como se señala en el enunciado, Fritz Lipmann descubrió el rol de la coenzima A como agente acetilante en la formación de citrato (ácido cítrico) a partir de ácido pirúvico, paso que da inicio al ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico). Por lo tanto, podemos decir que su trabajo entregó información clave para comprender el funcionamiento del ciclo de Krebs, pues dilucidó un paso clave para que este se inicie (opción I correcta). Aunque los trabajos de Krebs y de Lipmann son complementarios, razón por la cual recibieron juntos el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1953, en el texto jamás se señala que estos investigadores hayan trabajado juntos (opción II incorrecta). Si bien la hipótesis inicial de Lipmann era que el acetilfosfato actuaría como un intermediario de alta energía en el proceso de acetilación, lo que resultó ser incorrecto, el análisis riguroso de su trabajo experimental le permitió rechazar esta hipótesis y finalmente descubrir el rol de la coenzima A (opción III correcta). 15. E La amilasa salival es una enzima que actúa sobre el sustrato almidón (opción I correcta), rompiendo esta macromolécula en moléculas más simples. Como resultado se obtiene el disacárido maltosa, una molécula más simple y pequeña, por lo que la enzima cataliza una reacción de tipo catabólica (opción II correcta). Como toda enzima, al término de la reacción química no sufre cambios en su estructura y puede ser reutilizada (opción III correcta). 16. C Las enzimas se clasifican según el tipo de reacción que catalizan, es decir, si rompen enlaces, unen moléculas, reducen u oxidan. Las enzimas ligasas unen sustancias simples para formar sustancias más complejas, por lo que actúan en reacciones anabólicas (alternativa C correcta). Este tipo de reacción consume energía, por lo que la alternativa D es incorrecta. Según el tipo de ligasa, pueden actuar a algún valor de ph, de temperatura o requerir de algún cofactor, pero no se puede inferir esta información a partir del texto (alternativas A, B y E incorrectas). 17. D Durante la fosforilación oxidativa se producen 34 moléculas de ATP por molécula de glucosa, gracias a la energía química de la cadena transportadora de electrones (alternativa D correcta). Durante la glucólisis y ciclo de Krebs se producen solo dos moléculas de ATP por molécula de glucosa, en términos netos (alternativas B y C incorrectas). En la fermentación solo se obtienen los dos ATP de la glucólisis y el resto del proceso permite regenerar NAD + para romper más moléculas de
glucosa, pero no produce más ATP (alternativa A incorrecta). La acetilación es una etapa en la cual se transforma el piruvato en acetil CoA, sin liberación de energía biológicamente útil (alternativa E incorrecta). 18. B El gráfico solo muestra que la velocidad de la reacción aumenta a medida que lo hace la concentración de sustrato, hasta cierto punto en el cual la velocidad se mantiene constante pese a que el sustrato sigue aumentando (alternativa B correcta). La alternativa A es incorrecta, ya que indica una relación de proporcionalidad directa entre la velocidad de reacción y la concentración de sustrato, pero si así fuese esperaríamos una curva lineal, en la que al aumentar la concentración, la velocidad aumente en la misma proporción, lo que no se observa en el gráfico. Tampoco podemos hablar de un aumento exponencial de la velocidad con la concentración de sustrato, puesto que en ese caso observaríamos una curva como la que se muestra en la siguiente figura (alternativa E incorrecta). La alternativa C hace mención a una variable que no está indicada en el gráfico, la temperatura, por lo que es incorrecta. Tampoco se puede saber si la concentración de sustrato es la variable más importante para determinar la velocidad de reacción, puesto que no se analizan otros factores (alternativa D incorrecta). 19. B El esquema muestra la acción de una enzima sobre un sustrato. En una primera instancia aparece la enzima (1) con su sitio activo despejado a la espera del sustrato (2); en una segunda instancia podemos ver que se unió el sustrato con la enzima, conformando el complejo enzima-sustrato (3), y finalmente 4 corresponde al producto obtenido de esta reacción. 3 no puede ser una coenzima o cofactor, ya que como indica el esquema, el sustrato luego se transforma en el producto.
20. B Habilidad de pensamiento científico: Identificación de teorías y marcos conceptuales, problemas, hipótesis, procedimientos experimentales, inferencias y conclusiones, en investigaciones científicas clásicas o contemporáneas. En el párrafo se indica que Lipmann, al estudiar la adición de grupos acetilo en amidas aromáticas, en presencia de ATP y acetato, esperaba que el ATP reaccionara con el acetato para generar acetilfosfato. Lo anterior corresponde a una hipótesis, ya que se trata de una explicación posible para un fenómeno (en este caso para el mecanismo de acetilación), que debe someterse a prueba. Luego se señala que Lipmann comprobó que el acetilfosfato era inactivo como agente acetilante, lo que corresponde a las conclusiones de su investigación. En ellas, el científico debió rechazar su hipótesis y proponer una nueva. 21. E La zona 1 indica la matriz mitocondrial, lugar donde se llevan a cabo las dos primeras etapas de la respiración celular aeróbica, que corresponden a la acetilación del piruvato y al ciclo de Krebs. En este último se obtienen dos moléculas de ATP a partir de la degradación de la molécula acetil CoA. La zona 2 indica las crestas mitocondriales, lugar donde ocurre la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa, etapas que dan como resultado la síntesis de 34 moléculas de ATP. 22. E Uno de los efectos bioquímicos del cianuro es que, una vez que ingresa al cuerpo y al torrente sanguíneo, forma un complejo estable con la enzima citocromo oxidasa. Esta enzima es la última de la cadena transportadora de electrones y está encargada de entregar un electrón al oxígeno, aceptor final de esta cadena. Al ocurrir esta reacción de reducción, se forma agua (opción I correcta). Por lo tanto, el cianuro bloquea la cadena transportadora de electrones, impidiendo que se complete la respiración celular y que se produzca ATP de forma aeróbica (opción III correcta). Si la citocromo oxidasa no funciona correctamente las células no consiguen aprovechar el oxígeno del torrente sanguíneo, lo que causa hipoxia citotóxica o asfixia celular. La imposibilidad de utilizar el oxígeno provoca que el metabolismo cambie de aerobio a anaerobio, lo que produce la acumulación de lactato en la sangre (opción II correcta). El efecto conjunto de la hipoxia y la acidosis láctica provoca una depresión en el sistema nervioso central que puede causar paro respiratorio y resultar mortal. 23. C La actividad enzimática se ve afectada por diferentes factores como la temperatura y el ph, que están representados en los gráficos. La pérdida de la actividad se asocia a la alteración
de la conformación espacial de la proteína (desnaturalización) causada por estos agentes. A ph y temperatura normal de la sangre, la enzima se encontrará en su funcionamiento óptimo y no desnaturalizada (alternativa B incorrecta). La enzima que se analiza es funcional entre un ph 4 y 8, no solo a ph neutro (ph = 7; alternativa A incorrecta), por lo tanto, si el ph es inferior a 4 se espera que la enzima esté inactiva debido a la desnaturalización (alternativa C correcta), independientemente de que la temperatura se encuentre dentro de su rango de actividad. Por lo general, un aumento moderado de la temperatura o cambios de ph afectan a la estructura secundaria de la proteína, pero no son suficientes para romper los enlaces peptídicos, ya que estos enlaces son muy fuertes. En el sistema digestivo, por ejemplo, pese a haber un ph ácido, se requiere de peptidasas para romper estos enlaces. Por lo tanto, no es correcto afirmar que a temperaturas superiores a 60 C se produzca ruptura de enlaces peptídicos (alternativa D incorrecta). Tanto con la temperatura como con los cambios de ph se observa pérdida total de la actividad enzimática, por lo que no es posible afirmar que uno de los dos sea más efectivo como agente desnaturalizante (alternativa E incorrecta). 24. A El esquema muestra una enzima conjugada que está compuesta por una fracción proteica, la apoenzima (figura 1), y una fracción no proteica, el cofactor o coenzima (figura 2). En conjunto (la proteína unida a una coenzima o cofactor) reciben el nombre de holoenzima (figura 3). 25. D La eficacia de un enzima se mide por la velocidad de transformación del sustrato en producto. La actividad de las enzimas se ve afectada por diversos factores, entre los que destacan concentración de sustrato, temperatura, inhibidores, ph y concentración de la enzima. La cantidad absoluta de enzima con que se cuenta para la reacción, es uno de los factores más importantes como regulador de la actividad enzimática. Si se cuenta con un suministro ilimitado del sustrato, el aumento en las cantidades de enzima, permite que cada molécula enzimática sea ocupada por su respectivo sustrato, lo que produce la transformación de sustrato a producto en menor tiempo. Si la cantidad de sustrato es limitada, la actividad enzimática irá en ascenso a medida que se aporte más enzima, hasta que se agote el sustrato (alternativa A incorrecta). Por otra parte, si disponiendo de la enzima se adiciona sustrato permanentemente, en algún momento la actividad enzimática se tornará constante por saturación de la enzima, es decir, porque no hay moléculas de la enzima disponibles para interactuar con más sustrato (alternativa D correcta). Si bien la temperatura es un factor a considerar en la
actividad enzimática, ya que cada enzima tiene una temperatura óptima, y un rango de temperaturas en las que presentan actividad, este dato no se muestra en los gráficos entregados.