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ENZIMAS
ASPECTOS GENERALES
Prácticamente todas las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos están catalizadas por enzimas.
Los enzimas son catalizadores específicos: cada enzima cataliza un solo tipo de reacción, y casi siempre actúa sobre un único sustrato o sobre un grupo muy reducido de ellos.
ASPECTOS GENERALES
La sustancia sobre la que actúa el enzima se llama sustrato.
El sustrato se une a una región concreta del enzima, llamada centro activo. El centro activo comprende (1) un sitio de unión formado por los aminoácidos que están en contacto directo con el sustrato y (2) un sitio catalítico, formado por los aminoácidos directamente implicados en el mecanismo de la reacción
Una vez formados los productos el enzima puede comenzar un nuevo ciclo de reacción
1.- El enzima y su sustrato 2.- Unión al centro activo 3.- Formación de productos
PROPIEDADES DE LOS ENZIMAS Las propiedades de los enzimas derivan del
hecho de ser proteínas y de actuar como catalizadores.
Así, cambios en la conformación suelen ir asociados en cambios en la actividad catalítica. Los factores que influyen de manera más directa sobre la actividad de un enzima son:
pH temperatura cofactores
REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD
ENZIMÁTICA
Una molécula de enzima no tiene por qué actuar siempre a la misma velocidad. Su actividad puede estar modulada por:
cambios en el pH cambios en la temperatura presencia de cofactores las
concentraciones del sustrato y de los productos finales presencia de inhibidores modulación alostérica modificación covalente activación por proteolisis isoenzimas
EFECTO DEL pH SOBRE LA ACTIVIDAD
ENZIMÁTICA Los enzimas poseen grupos químicos
ionizables (carboxilos -COOH; amino -NH2; tiol -SH; imidazol, etc.) en las cadenas laterales de sus aminoácidos.
Según el pH del medio, estos grupos pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o neutra.
Como la conformación de las proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pH en el cual la conformación será la más adecuada para la actividad catalítica. Este es el llamado pH óptimo.
EFECTO DEL pH SOBRE LA ACTIVIDAD
ENZIMÁTICA La mayoría de los enzimas son muy sensibles
a los cambios de pH. Desviaciones de pocas décimas por encima o
por debajo del pH óptimo pueden afectar drásticamente su actividad.
Ej, la pepsina gástrica tiene un pH óptimo de 2, la ureasa lo tiene a pH 7 y la arginasa lo tiene a pH 10. Como ligeros cambios del pH pueden provocar la desnaturalización de la proteína, los seres vivos han desarrollado sistemas más o menos complejos para mantener estable el pH intracelular: Los amortiguadores fisiológicos.
EFECTO DEL pH SOBRE LA ACTIVIDAD
ENZIMÁTICA
EFECTO DEL pH SOBRE LA ACTIVIDAD
ENZIMÁTICA
EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA
ACTIVIDAD ENZIMÁTICA En general, los aumentos de temperatura
aceleran las reacciones químicas: por cada 10ºC de incremento, la velocidad de reacción se duplica.
Las reacciones catalizadas por enzimas siguen esta ley general. Sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta temperatura, se empiezan a desnaturalizar por el calor.
La temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima se llama temperatura óptima. Por encima de esta temperatura, el aumento de velocidad de la reacción debido a la temperatura es contrarrestado por la pérdida de actividad catalítica debida a la desnaturalización térmica, y la actividad enzimática decrece rápidamente hasta anularse.
EFECTO DE LOS COFACTORES SOBRE LA
ACTIVIDAD ENZIMÁTICA A veces, un enzima requiere para su función la
presencia de sustancias no proteicas que colaboran en la catálisis: los cofactores.
Los cofactores pueden ser iones inorgánicos como el Fe++, Mg++, Mn++, Zn++ etc. Casi un tercio de los enzimas conocidos requieren cofactores. Cuando el cofactor es una molécula orgánica se llama coenzima.
Cuando los cofactores y las coenzimas se encuentran unidos covalentemente al enzima se llaman grupos prostéticos.
La forma catalíticamente activa del enzima, es decir, el enzima unida a su grupo prostético, se llama holoenzima.
La parte proteica de un holoenzima (inactiva) se llama apoenzima, de forma que:
EFECTO DE LAS CONCENTRACIONES SOBRE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA La velocidad de una reacción enzimática depende
de la concentración de sustrato. La Figura 1 muestra la velocidad de una reacción enzimática a 6 concentraciones distintas de sustrato.
Además, la presencia de los productos finales puede hacer que la reacción sea más lenta, o incluso invertir su sentido (Figura 2 ).
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EFECTO DE LOS INHIBIDORES SOBRE
LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Ciertas moléculas pueden inhibir la acción
catalítica de un enzima: son los inhibidores. Estos inhibidores bien pueden ocupar
temporalmente el centro activo por semejanza estructural con el sustrato original (inhibidor competitivo) o bien alteran la conformación espacial del enzima, impidiendo su unión al sustrato (inhibidor no competitivo) .Inhibidor competitivoInhibidor no competitivo
MODULACIÓN ALOSTÉRICA DE LA
ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Hay enzimas que pueden adoptar 2
conformaciones interconvertibles llamadas R (relajada) y T (tensa). R es la forma más activa porque se une al sustrato con más afinidad. Las formas R y T se encuentran en equilibrio R <==> T
Ciertas sustancias tienden a estabilizar la forma R. Son los llamados moduladores positivos. El propio sustrato es a menudo un modulador positivo. Las moléculas que favorecen la forma R pero que actúan sobre una región del enzima distinta del centro activo son los activadores alostéricos
EFECTO DE LA MODIFICACIÓN COVALENTE
SOBRE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Otros enzimas pasan de una forma menos activa a otra
más activa uniéndose covalentemente a un grupo químico de pequeño tamaño como el Pi o el AMP. También se da el caso inverso, en el que un enzima muy activo se desactiva al liberar algún grupo químico. En las enzimas de las vías degradativas del metabolismo, la forma fosforilada es más activa que la no fosforilada, mientras que en las vías biosintéticas ocurre lo contrario.
ACTIVACIÓN PROTEOLÍTICA DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Algunos enzimas no se sintetizan como tales, sino como
proteínas precursoras sin actividad enzimática. Estas proteínas se llaman proenzimas o zimógenos.
Para activarse, los zimógenos sufren un ataque hidrolítico que origina la liberación de uno o varios péptidos.
El resto de la molécula proteica adopta la conformación y las propiedades del enzima activo.
Muchos enzimas digestivos se secretan en forma de zimógenos y en el tubo digestivo se convierten en la forma activa.
Es el caso de la a-quimotripsina, que se sintetiza en forma de quimotripsinógeno . Si estos enzimas se sintetizasen directamente en forma activa destruirían la propia célula que las produce. Así, la tripsina pancreática (una proteasa) se sintetiza como tripsinógeno (inactivo). Si por alguna razón se activa en el propio páncreas, la glándula sufre un proceso de autodestrucción (pancreatitis aguda), a menudo mortal.
CINÉTICA ENZIMÁTICA
Los principios generales de las reacciones químicas se aplican también a las reacciones enzimáticas. Por este motivo, antes de empezar con la cinética química, se van a repasar algunos conceptos básicos de cinética química.
A continuación, se describirán los siguientes conceptos:
Cinética enzimática Modelo cinético de Michaelis-Menten Cálculo de la KM y la Vmax de un enzima Actividad enzimática
CLASIFICACIÓN DE LOSENZIMAS
En función de su acción catalítica específica, los enzimas se clasifican en 6 grandes grupos o clases:
Clase 1: OXIDORREDUCTASAS Clase 2: TRANSFERASAS Clase 3: HIDROLASAS Clase 4: LIASAS Clase 5: ISOMERASAS Clase 6: LIGASAS
Clase 1: OXIDORREDUCTASAS
Catalizan reacciones de oxidorreducción, es decir, transferencia de hidrógeno (H) o electrones (e-) de un sustrato a otro, según la reacción general:
AH2 + B A + BH2
Clase 2: TRANSFERASAS
Catalizan la transferencia de un grupo químico (distinto del hidrógeno) de un sustrato a otro, según la reacción:
A-B + C A + C-B
Clase 3: HIDROLASAS
Catalizan las reacciones de hidrólisis:
A – B + H2O AH + B-OH
Un ejemplo es la lactasa, que cataliza la reacción:
Lactosa + agua glucosa + galactosa
Clase 4: LIASAS
Catalizan reacciones de ruptura o soldadura de sustratos:
A-B A + B
Un ejemplo es la acetacetato descarboxilasa, que cataliza la reacción: ácido acetacético CO2 + acetona
Clase 5: ISOMERASA
Catalizan la interconversión de isómeros:
A B Son ejemplos la fosfotriosa isomerasa y
la fosfoglucosa isomerasa fosfotriosa isomeras gliceraldehído-3-fosfato
dihidroxiacetona-fosfato fosfoglucosa isomerasa glucosa-6-fosfato fructosa-6-
fosfato
Clase 6: LIGASAS
Catalizan la unión de dos sustratos con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato (ATP, GTP, etc.):
A + B + XTP A-B + XDP + Pi Un ejemplo es la piruvato carboxilasa,
que cataliza la reacción: piruvato + CO2 + ATP oxaloacetato
+ ADP + Pi
NOMENCLATURA DE LOS
ENZIMAS
Hay varias formas mediante las cuales se asigna un nombre a un enzima:
nombres particulares nombre sistemático código de la comisión enzimática
(enzyme comission)
NOMBRES PARTICULARES Antiguamente, los enzimas recibían
nombres particulares, asignados por su descubridor. Al ir aumentando el número de enzimas conocidos, se hizo necesaria una nomenclatura sistemática que informara sobre la acción específica de cada enzima y los sustratos sobre los que actuaba.
NOMENCLATURA DE LA COMISIÓN ENZIMÁTICA
El nombre de cada enzima puede ser identificado por un código numérico, encabezado por las letras EC (enzyme commission), seguidas de cuatro números separados por puntos.
El primer número indica a cual de las seis clases pertenece el enzima,
El segundo se refiere a distintas subclases dentro de cada grupo,
NOMENCLATURA DE LA COMISIÓN
ENZIMÁTICA El tercero y el cuarto se refieren a los
grupos químicos específicos que intervienen en la reacción.
Así, la ATP:glucosa fosfotransferasa (glucoquinasa) se define como EC 2.7.1.2. El número 2 indica que es una transferasa, el 7 que es una fosfotransferasa, el 1 indica que el aceptor es un grupo OH, y el último 2 indica que es un OH de la D-glucosa el que acepta el grupo fosfato.
NOMBRE SISTEMÁTICO El nombre sistemático de un enzima
consta actualmente de 3 partes:
el sustrato preferente el tipo de reacción realizado terminación "asa“
Un ejemplo sería la glucosa fosfato isomerasa que cataliza la isomerización de la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato.
NOMBRE SISTEMÁTICO Muchos enzimas catalizan reacciones
reversibles.
No hay una manera única para fijar cual de los dos sentidos se utiliza para nombrar al enzima. Así, la glucosa fosfato isomerasa también podría llamarse fructosa fosfato isomerasa.
CINÉTICA ENZIMÁTICA
Los principios generales de las reacciones químicas se aplican también a las reacciones enzimáticas. Por este motivo, antes de empezar con la cinética química, se van a repasar algunos conceptos básicos de cinética química.
A continuación, se describirán los siguientes conceptos:
Cinética enzimática Modelo cinético de Michaelis-Menten Cálculo de la KM y la Vmax de un enzima Actividad enzimática
MODO DE ACCIÓN DE LOS ENZIMAS
El comienzo de la reacción requiere un aporte inicial de energía. Esta energía inicial que hay que suministrar a los reactantes para que la reacción transcurra se llama energía de activación (Ea). Cuanto menor es la Ea más fácilmente transcurre la reacción.
MODO DE ACCIÓN DE LOS ENZIMAS
Reacción con catalizador y sin catalizador
CINÉTICA ENZIMÁTICA Estudia la velocidad de las reacciones catalizadas
por enzimas Estos estudios proporcionan información directa acerca
del mecanismo de la reacción catalítica y de la especifidad del enzima.
La velocidad de una reacción catalizada por un enzima puede medirse con relativa facilidad, ya que en muchos casos no es necesario purificar o aislar el enzima.
La medida se realiza siempre en las condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia de cofactores, etc, y se utilizan concentraciones saturantes de sustrato. En estas condiciones, la velocidad de reacción observada es la velocidad máxima (Vmax). La velocidad puede determinarse bien midiendo la aparición de los productos o la desaparición de los reactivos.
CINÉTICA ENZIMÁTICA
CINÉTICA ENZIMÁTICA Al seguir la velocidad de aparición de
producto (o de desaparición del sustrato) en función del tiempo se obtiene la llamada curva de avance de la reacción, o simplemente, la cinética de la reacción. A medida que la reacción transcurre, la velocidad de acumulación del producto va disminuyendo porque se va consumiendo el sustrato de la reacción. Para evitar esta complicación se procede a medir la velocidad inicial de la reacción (v0).
MODELO CINÉTICO DE MICHAELIS-MENTEN
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.
MODELO CINÉTICO DE MICHAELIS-MENTEN
Energía y Metabolismo Energía Es la capacidad de realizar un trabajo. A pesar
que existen varias formas de energía: química, luminosa, mecánica, etc. , solo hay dos tipos básicos:
Potencial: es la capacidad de realizar trabajo como resultado de su estado o posición. Puede estar en los enlace químicos, en un gradiente de concentración, en un potencial eléctrico, etc.
Cinética: es la energía del movimiento, puede existir en forma de calor, luz, etc.
Energía y Metabolismo Energía En términos bioquímicos, representa la capacidad de
cambio, ya que la vida depende de de que la energía pueda ser transformada de una forma a otra, cuyo estudio es la base de la termodinámica. Sus leyes son aplicables a los sistemas cerrados o aislados, es decir aquellos que no intercambian energía con el medio que los rodea; las células son sistemas abiertos, o sea pequeñas partes de un sistema cerrado mayor. Las leyes de la termodinámica expresan:
1º Ley: en un sistema aislado la energía no se crea ni se destruye, puede ser transformada de una forma en otra.
2º Ley: no toda la energía puede ser usada y el desorden tiende a aumentar, lo que se conoce como entropía.
Energía y Metabolismo Metabolismo
Cada célula desarrolla miles de
reacciones químicas que pueden ser exergónicas (con liberación de energía) o endergónicas (con consumo de energía), que en su conjunto constituyen el METABOLISMO CELULAR. Si las reacciones químicas dentro de una célula están regidas por las mismas leyes termodinámicas ... entonces cómo se desarrollan las vías metabólicas?
Energía y Metabolismo Metabolismo 1. Las células asocian las reacciones: las
reacciones endergónicas se llevan a cabo con la energía liberada por las reacciones exergónicas.
2. Las células sintetizan moléculas portadoras de energía que son capaces de capturar la energía de las reacciones exergónicas y las llevan a las reacciones endergónicas.
3. Las células regulan las reacciones químicas por medio de catalizadores biológicos: ENZIMAS.
ATP: Reacciones acopladas y transferencia de energía
Las células acostumbran a guardar la energía necesaria para sus reacciones en ciertas moléculas, la principal es el: ATP, trifosfato de adenosina. Las células lo usan para capturar, transferir y almacenar energía libre necesaria para realizar el trabajo químico. Funciona como una MONEDA ENERGÉTICA.
La función del ATP es suministrar energía hidrolizándose a ADP y Pi. Esta energía puede usarse para:
obtener energía química: por ejemplo para la síntesis de macromoléculas;
transporte a través de las membranas trabajo mecánico: por ejemplo la contracción muscular,
movimiento de cilios y flagelos, movimiento de los cromosomas, etc.
Estructura del ATP: es un nucleótido compuesto por la adenina (base nitrogenada), un azúcar (ribosa) y tres grupos fosfato.
Las células requieren energía para múltiples trabajos:
Sintetizar y degradar compuestosTransporte a través de las membranas (activo, contra el gradiente de concentración).Endocitocis y exocitosis.Movimientos celulares.División celularTransporte de señales entre el exterior e interior celularEsta energía se encuentra en las moléculas de ATP, en las uniones químicas de alta energía de los fosfatos. Las moléculas de ATP se ensamblan en las mitocondrias a partir del ADP y los Pi con la energía tomada de la ruptura de moléculas complejas como la glucosa, que a su vez deriva de los alimentos ingeridos.
Las células requieren energía para múltiples trabajos:
La Glucosa (C6 H12 O6) es el combustible básico para la obtención de energía, muchos otros compuestos sirven como alimento, pero casi todos son transformados a glucosa mediante una serie de numerosísimas oxidaciones graduales, reguladas enzimáticamente, al cabo de las cuales el oxígeno atmosférico (ingresado por respiración pulmonar) se une a los átomos de hidrógeno de las citadas moléculas para formar H2O. En cada oxidación se liberan gradualmente pequeñas porciones de energía que son capturadas para formar el ATP.
En el proceso de obtener energía a partir de la glucosa hay tres procesos metabólicos:
GLUCÓLISIS: ocurre en el citosol, donde cada molécula de glucosa, con sus 6 átomos de Carbono, da lugar a dos moléculas de piruvato (de 3 átomos de Carbono). Se invierten dos ATP pero se generan cuatro. RESPIRACIÓN CELULAR: ocurre cuando el ambiente es aerobio (contiene O2) y el piruvato se transforma en dióxido de Carbono (CO2) liberando la energía almacenada en los enlaces piruvato y atrapándola en el ATP. FERMENTACIÓN: cuando el O2 está ausente, ambiente anaerobio, en lugar de producir CO2 se producen otras moléculas como el ác. láctico o el etanol.