Enzimas. Introducción. En todo ser vivo se producen constantemente innumerables reacciones químicas. Muchas de ellas tienden a transformar las sustancias introducidas con los alimentos a fin de obtener energía y materia prima para la síntesis de nuevas estructuras moleculares. Dicha síntesis, así como la degradación a que son sometidos los propios componentes celulares una vez cumplida su vida útil, son también el resultado de múltiples reacciones. Las reacciones químicas se realizan en los seres vivientes a gran velocidad, en condiciones muy moderadas de temperatura, pH, presión, etc., gracias a la existencia de catalizadores. Un catalizador es un agente capaz de acelerar una reacción química, sin formar parte de los productos finales ni desgastarse en el proceso. En los medios biológicos se desempeñan como catalizadores un grupo numeroso y variado de sustancias denominadas enzimas. Como todo catalizador, las enzimas actúan disminuyendo la energía de activación (Ea) de una reacción. Que la mayoría de catalizadores inorgánicos. Por otra parte, las enzimas muestran mucha mayor especificidad. Un catalizador inorgánico suele actuar acelerando reacciones químicas muy diversas, mientras que una enzima sólo cataliza una reacción química determinada. Las sustancias sobre las cuales actúan las enzimas reciben el nombre genérico de sustratos Desarrollo. Nomenclatura Antiguamente las enzimas fueron nombradas atendiendo al substrato sobre el que actuaban, añadiéndole el sufijo −asa o haciendo referencia a la reacción catalizada. Así tenemos que la ureasa, cataliza la hidrólisis de la urea; la amilasa, la hidrólisis del almidón; la lipasa, la hidrólisis de lípidos; la ADNasa, la hidrólisis del ADN; la ATPasa, la hidrólisis del ATP, etc. Clasificación de las enzimas Grupo

Acción

1. Oxidoreductasas

Catalizan reacciones de oxidorreducción. Tras la acción catálica quedan modificados en su grado de oxidación por lo que debe ser transformado antes de volver a actuar de nuevo.

2. Transferasas

ejemplos Dehidrogenasas Aminooxidasa Deaminasas Catalasas

Transfieren grupos activos (obtenidos Transaldolasas de la ruptura de ciertas moléculas)a otras sustancias receptoras. Suelen Transcetolasas actuar en procesos de interconversiones de azucares, de Transaminasas 1

aminoácidos, etc Glucosidasas Verifican reacciones de hidrólisis con Lipasas la consiguiente obtención de monómeros a partir de polímeros. Peptidasas Suele ser de tipo digestivo, por lo que normalmente actúan en primer lugar Esterasas

3. Hidrolasas

Fosfatasas Isomerasas de azúcar

4. Isomerasas

5. Liasas

6. Ligasas

Actúan sobre determinadas moléculas obteniendo de ellas sus isómeros de Epimerasas función o de posición. Suelen actuar en procesos de interconversion Mutasas Realizan la degradación o síntesis (entonces se llaman sintetasas) de los Aldolasas enlaces denominados fuertes sin ir acoplados a sustancias de alto valor Decarboxilasas energético. Realizan la degradación o síntesis de Carboxilasas los enlaces fuertes mediante el acoplamiento a sustancias ricas en Peptidosintetasas energía como los nucleosidos del ATP

Propiedades de las Enzimas Por ser catalizadores: ♦ Eficientes en pequeñas cantidades. ♦ No se modifican durante la reacción. ♦ No afectan el equilibrio de la reacción. Por ser catalizadores biológicos: ♦ Composición química específica: son proteínas con estructura terciaria y cuaternaria. ♦ Componentes del citoplasma vivo y sintetizado en el mismo. ♦ Específicas: para cada reacción hay una enzima determinada. ♦ Sujetas a regulación: están reguladas en cantidad y función. Naturaleza química de las enzimas Hasta hace pocos años estaba firmemente arraigado el concepto de que todas las enzimas eran proteínas. Sin embargo, se han aislado moléculas de ácido ribonucleico (ARN) con actividad catalítica. Las técnicas han permitido conocer con toda exactitud la estructura molecular de numerosas enzimas. Este tipo de conocimiento ha empezado a conocer su función. Algunas enzimas son proteínas simples, constituidas sólo por aminoácidos. Muchas enzimas están formadas por asociaciones de varias subunidades o cadenas polipeptídicas, es decir, son oligómeros. 2

Hay enzimas que sólo pueden realizar su función catalítica en asociación con otra molécula no proteica, de tamaño relativamente pequeño, a la cual se la denomina coenzima. La coenzima puede estar firmemente unida de enlace fuerte, formando un complejo que no se separa fácilmente. Es este caso, algunos prefieren hablar de grupo prostético y reservar el nombre de coenzima para aquellas que se asocian más laxamente a la proteína y pueden ser separadas se ésta por simple diálisis. Las dos porciones, proteínicas y no proteínicas, son indispensables para la actividad de la enzima. El sistema completo se llama holoenzima y está constituido por la proteína, a la cual se designa apoenzima (macromolécula termolábil, no dializable) y la coenzima (molécula no proteínica, termoestable, tamaño relativamente pequeño). HOLOENZIMA = APOENZIMA + COENZIMA Enzima total Proteína Termolábil No proteína No dializa Termoestable Las coenzimas intervienen activamente en la reacción experimentando cambios que compensan las transformaciones sufridas por el sustrato. Por ejemplo, las coenzimas de óxidoreductasa. Por otra parte, las coenzimas están relacionadas con las vitaminas, compuesto que el organismo no puede sintetizar y que deben ser aportados por la alimentación. Las vitaminas pertenecientes al grupo B forman parte de la estructura de coenzimas. Esta participación en un proceso enzimático otorga a las vitaminas su importancia fisiológica. La siguiente tabla presenta una lista de coenzimas importantes e indica la vitamina que participa en la constitución de cada una. Nombre Pirofosfato de tiamina Fosfato de piridoxal Biotina Flavín adenín mononucleótido (FMN) Flavín adenín dinucleótido (FAD) Nicotinamida adenín dinucleótido (NAD) Nicotinamida adenín dinucleótidofosfato (NADP) Coenzima A Ácido tetrahidrofólico Coenzima B12

Vitamina correspondiente Tiamina Piridoxina Biotina Riboflavina Riboflavina Nicotinamida Nicotinamida Ácido pantoténico Ácido fólico Vitamina B12

Si bien siempre participa en un determinado tipo de reacción, una coenzima puede unirse a distintas apoenzimas y actuar frente a diferentes sustratos. No es la coenzima, sino la porción proteínica o apoenzima la que capacidad de reconocer con precisión al sustrato y dar especificidad a la holoenzima. Metaloenzima En algunas enzimas la presencia de iones metálicos en la molécula es indispensable para la acción catalítica. En todas las metaloenzimas lleva a la pérdida de la actividad enzimática. Ejemplos: 3

Fe. La catalasa, las peroxidasa y los citocromos son hemoproteínas en las cuales el hierro es esencial para su actividad. Ca. Muchas enzimas requieren ion Ca2+ o son activadas por su presencia. Cu. La tirosinasa, el ácido oxidasa, la citocromo−oxidasa (que posee además Fe) requieren cobre. Por otra parte, señalamos aquí el hecho de que existen enzimas que requieren la presencia de ciertos iones en el medio para ctuar. Cationes como el Na+ y el K+ son necesarios para la actividad de algunas enzimas. Entre los iones no metálicos, el Cl − es requerido por la amilasa. Características de la acción enzimática La característica más sobresaliente de los enzimas es su elevada especificidad. Esta es doble y explica que no se formen subproductos: • Especificidad de sustrato. El sustrato (S) es la molécula sobre la que el enzima ejerce su acción catalítica. • Especificidad de acción. Cada reacción está catalizada por un enzima específico. ð La acción enzimática se caracteriza por la formación de un complejo que representa el estado de transición. E + S ES E + P Enzima Sustrato Complejo Enzima Producto Enzima−Sustrato El sustrato se une al enzima a través de numerosas interacciones débiles como son: puentes de hidrógeno, electrostáticos, hidrófobos, etc., en un lugar específico, el centro activo. Este centro es una pequeña porción del enzima, constituido por una serie de aminoácidos que interaccionan con el sustrato. Sitio activo Para formar el complejo ES el sustrato se fija a un lugar definido por la molécula de enzima. Esta región de la molécula ha recibido las denominaciones de sitio activo, es el responsable de la acción catalítica. En general, se acepta que el lugar de sustrato posee sitios de unión, se dispone en el sitio catalítico. Para que esta unión y la acción catalizadora tengan lugar, es indispensable una conformación tridimensional altamente específica a nivel del sitio activo, con la presencia de grupos funcionales definidos, aportados por las cadenas laterales de restos aminoácidos. Con frecuencia, los restos que aparecen como esenciales para la acción catalítica poseen cadenas laterales reactivas como la cisterna, lisina, arginina. El sitio activo es una agrupación de un número no muy grande de aminoácidos, ordenados espacialmente; para que su conformación se mantenga con la disposición adecuada es necesaria la contribución de la estructura (primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria) de la proteína. Hay siempre una gran diferencia de tamaño entre la molécula de la enzima y la del sustrato. Aun cuando el sustrato sea una macromolécula, la zona de ésta que experimenta la acción de la enzima es un segmento pequeño. El sitio activo es una porción reducida de la molécula, está colabora en mantenerlo en la disposición adecuada. 4

La coenzima también participa en asegurar la conformación óptica. Se une a la enzima en un lugar a ella destinado, generalmente próximo añl sitio activo y a veces forma parte del lugar del sustrato. A fines del siglo pasado, E Fischer emitió la hipótesis en la cual homologaba la unión del sustrato a la enzima con el encaje recíproco de la llave y la cerradura. Actualmente tiene más aceptación la hipótesis de Koshland de la adaptación o ajuste inducido, que consiste a la enzima como una estructura dotada de plasticidad y flexibilidad. Sólo el sustrato adecuado provoca en la enzima la disposición precisa de cadenas laterales necesarias para la catálisis. Cuando el sustrato se une a la enzima, induce cambios conformacionales en la molécula de ésta, que recién entonces acomoda los grupos funcionales críticos para asegurar la ubicación más efectiva.

Enzimas intracelulares Otras enzimas actúan en el interior de las células, transformando los nutrientes que les llegan a través de la sangre en otras sustancias, como el ácido oxalacético o el pirúvico, que forman parte del metabolismo celular. Las enzimas intracelulares también son los responsables de los procesos de degradación celular. En estos procesos se obtienen nutrientes elementales a partir de los materiales estructurales propios de las células cuando el aporte mediante la dieta se interrumpe (por ejemplo, durante el ayuno), o cuando la célula no puede 5

utilizar los nutrientes de la sangre (por ejemplo, en la diabetes). Enzimas y PH Las enzimas poseen un PH característico donde su actividad es máxima: por encima o debajo de ese PH la actividad disminuye. La relación PH − actividad enzimática, constituye un factor de regulación intracelular de la actividad enzimática.

Temperatura y Enzimas La velocidad de las reacciones enzimáticas aumenta por lo general con la temperatura, dentro del intervalo en que la enzima es estable y activa. La velocidad por lo general se duplica por cada 10 C° de aumento de temperatura. Sin embargo las enzimas se desnaturalizan cuando la elevación de la temperatura sobrepasa cierta temperatura límite. La cual a su vez es la temperatura óptima de trabajo. A bajas temperatura, las reacciones disminuyen mucho o se detienen, pero la acción catalítica reaparece cuando la temperatura se eleva a valores normales. Inhibidores enzimáticos. Existen agentes químicos inhibidores. Algunos de ellos ejercen su acción uniéndose a sitios o grupos funcionales de la molécula de la enzima. Los inhibidores pueden ser reversibles o irreversibles. Inhibidores irreversibles: toda sustancia que produzca un cambio permanente en la molécula de enzima, que resulte en un deterioro definitivo de su capacidad catalítica, se considera un inhibidor irreversible. Como ejemplo de este tipo de inhibidores citaremos los venenos órgano−fosforado, muy utilizados como insecticidas. Inhibidores reversibles: la inhibición reversible puede ser de tres tipos: competitiva, no competitiva y anticompetitiva. Inhibidores competitivos: actúan aumentando el valor de la constante de Michaelis (Km) pero no modifican la velocidad máxima de la enzima. Una característica de este inhibidor está dad por el hecho de que puede ser revertida aumentando la concentración de sustrato. Si éste predomina en la mezcla, tiende a desplazar al inhibidor de su unión con la enzima. Además estos han encontrado aplicación farmacológica. Inhibidores no competitivos: son compuestos que se unen a la enzima en un lugar de la molécula diferente del sitio activo y provocan una disminución de la velocidad máxima sin modificar la constante de Km. 6

Este tipo de inhibición no puede ser revertida por aumento de la concentración de sustrato. Pertenecen a esta categoría ciertos reactivos e iones metálicos como el Cu2+ , Hg2+ y Ag+ . Inhibidores anticompetitivos: su acción se pone en manifiesto en la grafica de actividad en función de concentración de sustrato determinada en presencia y ausencia de inhibidor. Este tipo de inhibición se da en casos en los cuales participan varios sustratos en la reacción. No puede ser revertida por aumento de la concentración de sustrato. Regulación de la actividad enzimática. Existen varios mecanismos que permiten la regulación. La actividad de la enzima guarda proporcionalidad con los niveles de sustrato. Estos determinan la mayor o menor velocidad en la actividad enzimática. Al aumentar la concentración de sustrato, en la célula se acelera su utilización y viceversa. Las transformaciones que sufre un determinado compuesto en el organismo se producen generalmente a través de una serie de etapas, cada una de ellas catalizada por una enzima distinta. En cada paso se forma un nuevo producto que será utilizado como sustrato por la enzima de La etapa siguiente. Estas secuencias de reacciones son denominadas vías metabólicas y en casi todas ellas existe una o más enzimas. Es común que en una vía metabólica la enzima que cataliza la primera etapa sea reguladora. Las restantes enzimas de la serie ajustarán su actividad a la disponibilidad de sustrato fijada a partir de la primera reacción. De acuerdo con el tipo de señal a la cual responden, las enzimas reguladoras pueden distinguirse en enzimas alostéricas y enzimas reguladas por unión covalente. Enzimas alostéricas: en algunas vías metabólicas, la enzima que cataliza la primera etapa de la serie suele ser inhibida por el producto de la última. Cuando la concentración de ese producto final aumenta, ello indica que su elaboración excede las necesidades y se frena el funcionamiento de la vía reduciendo la actividad de la enzima reguladora. Se habla de inhibición retoalimentación o retroregulación. También puede suceder que una enzima sea estimulada por algún agente que se acumula en el medio. Cuando existe un exceso de sustrato, él mismo promueve su utilización activando a al enzima. El agente modificador actúa uniéndose a la enzima en un lugar distinto al del sitio catalítico; de allí el nombre de alostérica que se da este tipo de regulación. En las enzimas alostéricas, además del sitio catalítico, existen otros sitios reguladores a los cuales se unen específicamente las moléculas que pueden ejercer acción sobre su actividad catalítica. Ya sean inhibidores o activadores, los agentes que se fijan al sitio alostérico recién el nombre de moduladores, modificadores o efectores alostéricos. Serán positivos si estimulan y negativos si deprimen la actividad de la enzima. Las enzimas alostéricas, al igual que la hemoglobina., están constituidos por varias subunidades poliptídicas entre las cuales existe algún tipo de comunicación, que hace que cuando un modulador se une a una de ellas produzca un cambio conformacional; éste se transmite a las otras subunidades modificando la aptitud de su sitio activo para recibir el sustrato. 7

Modificación covalente: hay enzimas reguladoras por agregado por agregado o sustracción de grupos unidos covalentemente. La regulación covalente se realiza en varias enzimas por un proceso de unión o eliminación de fosfato. Existen también enzimas cuya actividad es modulada por la inserción covalente de otros grupos. Isozimas. Son enzimas que difieren en su forma estructural pero que poseen la misma actividad catalítica, catalizan la misma reacción

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