AURORA APARICIO MANRIQUE

BIOLOGÍA 2ºBACH

TEMA 15: EL CONTROL BIOQUÍMICO: ENZIMAS Y VITAMINAS 1. CONCEPTO DE BIOCATALIZADOR. ENZIMAS 2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS ENZIMAS 3. CLASIFICACIÓN 4. PROPIEDADES 5. LA REACCIÓN ENZIMÁTICA 6. REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA 7. VITAMINAS

1. CONCEPTO DE BIOCATALIZADOR. LAS ENZIMAS Para que una reacción se lleve a cabo es necesario que la sustancia o sustancias que van a reaccionar reciban previamente una cantidad de energía que las active (energía de activación). Aun en el caso de reacciones en las que se va a liberar mucha energía para que comience la reacción es necesario adquirir previamente la energía de activación. Por ejemplo la oxidación de la glucosa es una reacción fuertemente exotérmica y sin embargo no se produce espontáneamente, se necesita una energía de activación considerable. La glucosa (o cualquier otra sustancia) necesita una pequeña cantidad de energía para sobrepasar la barrera y liberar así la energía potencial acumulada. Por tanto en una reacción química sólo pueden actuar las moléculas que tengan suficiente energía interna para vencer la energía de activación; para que la reacción tenga lugar deberemos suministrar la energía de activación o bien habrá que producir un descenso de esta energía de activación. Si calentamos los reactivos, las moléculas adquieren la energía cinética que se requiere para las moléculas se encuentren, choquen y reaccionen, pero los catalizadores lo que hacen es disminuir la energía de activación, porque el catalizador se une a las moléculas que van a reaccionar, favorecen su encuentro y por tanto la reacción. Las enzimas son los principales biocatalizadores en todas las células. En cualquier reacción enzimática, la enzima (E) se une a la molécula que va a ser transformada, a la que se denomina sustrato (S) formando un complejo (catalizador-sustrato) y tras la reacción química, se forma una sustancia llamada producto (P) y la enzima (E) queda libre para volver a actuar.

TEMA 15. BIOCATALIZADORES -1

AURORA APARICIO MANRIQUE

BIOLOGÍA 2ºBACH

E + S -------> ES --------> P + E

La reacción entre el catalizador y el sustrato se forma mediante enlaces débiles entre las moléculas lo que hace posible que tras la acción catalizadora la unión E-S pueda romperse con facilidad. En cualquier reacción enzimática se cumple que:


La enzima acelera la reacción química pero no influye directamente en ella. No influye en que se forme más cantidad de producto o en que la reacción sea más favorable termodinámicamente. Se consigue la misma cantidad de producto, pero en menos tiempo.




La enzima no se consume en la reacción química, solo facilita la reacción, pero no intervine directamente en ella por eso tras haberse producido, la enzima se libera y queda íntegra para volver a catalizar.




Las enzimas son altamente específicas; hay un reconocimiento espacial entre la enzima y el sustrato y por ello cada enzima solo reconoce y actúa sobre un tipo concreto de sustrato. El tipo de reacción química que se produce también es específica para cada enzima. Lo que puede variar es el grado de especificidad.

Los principales biocatalizadores en los organismos son:


Oligoelementos. Elementos que se encuentran en muy pequeñas proporciones. Fe, Cu, Mn, I, etc... Se obtienen a través de la dieta puesto que el organismo no puede sintetizarlos.




Hormonas. Son moléculas de naturaleza proteínica o lipídica que sintetiza el propio organismo; hay determinadas células encargadas de sintetizarlas, estas células se reúnen formando glándulas. Todas las glándulas que segregan hormonas se dice que son endocrinas porque vierten su contenido a la sangre, y es por la sangre por donde las hormonas llegan hasta su órgano diana.




Enzimas. Son moléculas siempre proteicas sintetizadas por el propio organismo, pero en este caso las enzimas pueden actuar a nivel intracelular y si son extracelulares actuaran en el mismo lugar en el que son sintetizadas, no pasan al torrente sanguíneo.




Vitaminas. Son moléculas proteicas o lipídicas que no pueden ser sintetizadas por el organismo. Sólo los seres autótrofos y algunos microorganismos son capaces de fabricarlas. En los seres heterótrofos deben ser tomadas con la dieta alimenticia, a partir de alimentos vegetales.

TEMA 15. BIOCATALIZADORES -2

AURORA APARICIO MANRIQUE

BIOLOGÍA 2ºBACH

2. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS ENZIMAS Las enzimas son biocatalizadores porque regulan la mayor parte de las reacciones metabólicas de las células. Químicamente son casi todas proteínas. Según su composición química se pueden distinguir dos tipos de enzimas: 1. Ribozimas. Son enzimas de ARN capaces de catalizar la unión o separación de ribonucleótidos de una cadena de ARN. 2. Enzimas proteicas. La inmensa mayoría de las enzimas son proteínas de forma globular, solubles en agua (salvo muy raras excepciones) y con gran difusibilidad en los medios líquidos de los organismos. Pueden ser: a) Enzimas que son estrictamente proteicas, es decir formadas exclusivamente por aminoácidos. Este tipo de enzimas son poco frecuentes, ejemplos son la ribonucleasa y la lisozima. b) Holoenzimas, formadas por una parte proteica a la que se llama apoenzima y otra parte de naturaleza no proteica que puede ser de naturaleza inorgánica, en cuyo caso se llama cofactor o bien de naturaleza orgánica y entonces se llama coenzima. Tanto la apoenzima como la coenzima son inactivas por sí mismas y tienen que estar unidas mediante enlaces para que la enzima (holoenzima) sea activa La apoenzima

Es la parte proteica que por tanto sólo rinde aa al hidrolizarla. Es la parte que determina la especificidad de sustrato de la reacción enzimática. Según Koshland en una molécula de apoenzima se pueden distinguir 4 tipos de aminoácidos según la función que realizan en la actividad enzimática: 1) Aminoácidos no esenciales. No intervienen ni directa ni indirectamente en la actividad enzimática de tal manera que pueden ser eliminados de la proteína sin que se pierda la actividad catalítica. 2) Aminoácidos estructurales. No intervienen directamente en la acción catalítica, pero son los responsables del mantenimiento de la estructura terciaria de la proteína y por tanto si su posición o su estado varía por el factor que sea, van a hacer que se produzca un cambio en la estructura terciaria y pueden alterar, reducir o suprimir la actividad enzimática. 3) Aminoácidos de fijación. Son aminoácidos que se encargan de formar enlaces débiles entre la apoenzima y un lugar determinado del sustrato, precisamente por el lugar en el que va a ser atacado. Se encarga por tanto de sujetar y unir la apoenzima por su lugar catalítico, al sustrato por el lugar en que será atacado. 4) Aminoácidos catalíticos. Son los aminoácidos directamente implicados en la acción catalítica. Son los que directamente producen el ataque del sustrato. Establecen enlaces covalentes con el sustrato cambiando la estructura de éste, de forma que puede alterarse fácilmente.

TEMA 15. BIOCATALIZADORES -3

AURORA APARICIO MANRIQUE

BIOLOGÍA 2ºBACH

Los aminoácidos de fijación y los catalíticos forman el centro activo de la apoenzima. El centro activo es una pequeña estructura tridimensional en forma de hueco cuya forma exacta depende de la estructura terciaria de la cadena polipeptídica y que se adapta perfectamente a la forma del lugar del sustrato por donde se va a unir, algo así como un guante se adapta a la mano. En el centro activo hay aminoácidos que pueden estar muy alejados en la secuencia, pero que al replegarse la cadena, han quedado próximos. El centro activo tiene un tamaño muy pequeño en relación al volumen total de la proteína.

La coenzima La principal diferencia química es que no son proteínas, aunque siempre son sustancias orgánicas de bajo peso molecular. La coenzima es responsable de la especificidad de acción enzimática. Por ejemplo una coenzima es el ATP (adenosin trifosfato) que es la coenzima en todas las reacciones de fosforilación, es decir es específica para este tipo de reacciones, siempre actúa en reacciones en las que haya que ceder al sustrato un grupo fosfato, pero no es específica de sustrato porque puede producir la fosforilación de la glucosa a glucosa 6 fosfato o de la fructosa o de cualquier otra sustancia. Por lo dicho anteriormente se puede deducir que el número de coenzimas no es muy elevado ya que pueden ser comunes a muchas enzimas. Por ejemplo el ATP es la coenzima de la hexosafosforilasa, fructofosforilasa, etc..., así tienen especificidad de acción porque siempre intervienen en la misma reacción pero la especificidad de sustrato la posee la apoenzima a la que se unen.

TEMA 15. BIOCATALIZADORES -4

AURORA APARICIO MANRIQUE

BIOLOGÍA 2ºBACH

PRINCIPALES COENZIMAS a) Adenosín-fosfato AMP --> nucleósido de adenosina + 1 grupo fosfato. ADP --> nucleósido de adenosina + 2 grupo fosfato. ATP --> nucleósido de adenosina + 3 grupo fosfato. Los enlaces entre el nucleósido y el ácido fosfórico son ricos en energía y por ello el ATP constituye la principal molécula acumuladora de energía en los medios intracelulares. La función de los adenosín-fosfato es la transferencia del grupo fosfato, bien para cedérselo al sustrato, bien para arrancárselo. b) Flavín-nucleótidos o flavoproteínas FAD --> flavin-adenin dinucleotido Actúan como deshidrogenasas capturando o cediendo hidrógenos. c) Nicotín-nucleótidos NAD---> nicotin-adenin-dinucleotido NADP--> nicotin-adenin-dinucleotido-fosfato Son coenzimas importantísimas en el metabolismo como transportadores de hidrógeno ya que se fija sobre estas coenzimas 2H que quitan de algún compuesto (al que por tanto oxidan) para luego darlos a otra, a la que consecuentemente reducen, quedando libres para cargarse de nuevo Ejemplo: AH2 + NAD ---> A + NADH2 OXIDADO

REDUCIDO

NADH2 + B ---> BH2 + NAD REDUCIDO

OXIDADO

d) Coenzima A ac. pantoténico + nucleótido. Desempeñan importantes funciones en el catabolismo de los lípidos y en el respiratorio. Su función es transferir restos de ac. acético (grupo acetil) de una sustancia a otra (CH3-COOH). e) Ferroporfirinas Son coenzimas que tienen un grupo porfirínico y en el centro un grupo Fe (metalporfirinas). Son las coenzimas de los citocromos encargados del transporte de electrones hasta fijarlos en el O2 en la cadena de transporte electrónico del proceso respiratorio celular.

TEMA 15. BIOCATALIZADORES -5

AURORA APARICIO MANRIQUE

BIOLOGÍA 2ºBACH

3. CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS SEGÚN SU ACTIVIDAD En la actualidad se utiliza una clasificación y una nomenclatura más sistemática que la utilizada hasta hace poco tiempo. La IEC (Comisión Internacional de Enzimas) establece 6 clases en las que se distingue las partes siguientes: sustrato preferente + acción típica + asa CLASE I: Oxido-reductasas. Intervienen en procesos de oxidación y reducción por transferencia de oxígeno, hidrógeno o electrones. AH2 + B ==== A + BH2 REDUCIDO

0XIDADO

OXIDADO

REDUCIDO

Se distinguen dos grupos: - Deshidrogenasas. Son enzimas que provocan la oxidación o reducción del sustrato mediante transferencia de hidrógeno. Las coenzimas que intervienen en estas reacciones son el FAD, NAD y NADP. - Oxidasas y reductasas. Provocan la oxidación o reducción del sustrato mediante la transferencia de electrones. Las coenzimas son las ferroporfirinas que forman parte de los citocromos.

CLASE II: Transferasas. Catalizan la transferencia de determinados grupos funcionales desde un sustrato a otro. Ejem las quinasas que transfieren grupos fosfato. CLASE III: Hidrolasas. Catalizan las reacciones de hidrólisis introduciendo agua. A-B + H2O------> AOH + BH Dependiendo del enlace que hidrolizan se denominan esterasas (como la lipasa o la fosfatasa), si rompen enlaces tipo éster; carbohidrasas, si rompen enlaces Oglucosídicos (como la amilasa o la sacarasa); peptidasas si rompen enlaces peptídicos (como la pepsina o la tripsina) etc. CLASE IV: Liasas. Catalizan reacciones de rotura o soldadura de sustratos, sin que intervenga el agua. En general, se pierden grupos y aparecen dobles enlaces. (Ej. desaminasas, descarbosilasas...)

CLASE V: Isomerasas. Catalizan reacciones de isomerización. A-B ----> B-A CLASE VI: Ligasas o sintetasas. Catalizan la síntesis de moléculas mediante reacciones acopladas a la hidrólisis del ATP. A + B ------------> A-B ATP

TEMA 15. BIOCATALIZADORES -6

ADP

AURORA APARICIO MANRIQUE

BIOLOGÍA 2ºBACH

4. PROPIEDADES Especificidad Las enzimas son proteínas y consecuentemente poseen una especificidad zoológica, es decir, cada especie animal o vegetal posee sus propias enzimas. Pero además en las enzimas se reconoce una especificidad de sustrato, pues sólo actúan sobre un tipo determinado de sustancias. Y por último tienen además una especificidad de acción, pues sólo pueden catalizar una determinada reacción química. Esta propiedad se debe a que cada enzima tiene uno o varios centros activos, con una forma tridimensional característica que se ajusta perfectamente a la forma tridimensional del sustrato, y no le permite unirse con ninguna otra sustancia que no encaje en él. La especificidad es característica común a todas las enzimas, pero el grado, puede ser variable:
Especificidad absoluta. Cuando la enzima sólo reconoce un determinado tipo de sustrato, por ejemplo la fosfofructoquinasa tiene por único sustrato la fructosa fosforilada. (Fructosa 6P).
Especificidad de grupo. Cuando la enzima reconoce a un grupo de moléculas similares. Por ejemplo la hexoquinasa que transfiere grupos fosfato sobre cualquier hexosa.
Especificidad de clase. Cuando la enzima no reconoce un determinado tipo de moléculas sino un determinado tipo de enlace. Por ejemplo las fosfatasas que separan grupos fosfato (PO4=) de cualquier tipo de molécula. Influencia de la temperatura A medida que aumenta la temperatura aumenta la velocidad de la reacción, hasta llegar a un punto óptimo en el que la actividad es máxima. Esto se debe a que la temperatura hace aumentar la movilidad de las moléculas y por tanto se hace más probable el encuentro entre la enzima y el sustrato. Si a partir de la temperatura óptima se sigue suministrando calor llega un momento en que la enzima se desnaturaliza por pérdida de su estructura terciaria con lo que cesa la actividad. Influencia del pH Una enzima sólo actúa dentro de unos límites de pH. Si se traspasan estos límites, la enzima se desnaturaliza y deja de actuar. Entre los dos valores extremos se encuentra el pH óptimo al cual la velocidad de reacción es máxima. El pH óptimo es independiente del punto isoeléctrico de la proteína. El pH óptimo es característico de cada enzima y depende tanto de la enzima como del sustrato. Ya sabemos que el pH determina el grado de ionización de las enzimas y del sustrato. Las variaciones del pH pueden ocasionar un cambio en la estructura tridimensional de las enzimas y puede afectar a su actividad.

TEMA 15. BIOCATALIZADORES -7

AURORA APARICIO MANRIQUE

BIOLOGÍA 2ºBACH

5. LA REACCIÓN ENZIMÁTICA. Mecanismo de acción En toda reacción enzimática intervienen dos elementos: de una parte la enzima y de otra la sustancia sobre la que va actuar la enzima que se llama sustrato. Las enzimas tienen un tamaño mayor que los sustratos a los que se unen. En la primera fase de la reacción enzimática la enzima (E) se acopla al sustrato (S) por el centro activo, formándose un complejo enzima-sustrato (ES). Después el lugar catalítico del centro activo empieza a actuar sobre el sustrato transformándolo en otra sustancia o sustancias diferentes a la que se llama producto (o productos). Finalmente el producto (P) se separa de la enzima y esta puede volver a unirse a otra molécula del sustrato para provocar sobre ella una nueva reacción enzimática. Por ejemplo: S E Sacarosa + Sacarasa

ES E P P Complejo sacarasa-sacarosa Sacarasa + Glucosa + Fructosa

En el metabolismo de los seres vivos las reacciones catalizadas por enzimas se desarrollan en cadena, es decir que los productos resultantes de la acción de una primera enzima van a ser atacados por otra, y los productos de esta serán atacados por otra y así sucesivamente. Estos complejos multienzimáticos suelen provocar la unión de sustratos para finalmente construirse una macromolécula. Si por el contrario la acción del complejo multienzimático es catabólica se obtendrán productos moléculas residuales que serán eliminadas como productos de desecho.

6. REGULACIÓN DE ACTIVIDAD ENZIMÁTICA La actividad de una enzima, la velocidad con que realiza la acción depende de varios factores. Algunos actúan activando la acción enzimática y otros inhibiéndola. Los principales factores son:


Concentración del sustrato. En toda reacción enzimática se aumenta la velocidad de la reacción si se incrementa la concentración del sustrato, pero llega a un límite en el cual la velocidad es máxima y aunque se incremente más [S] la velocidad no aumenta. Se puede interpretar considerando que al aumentar las moléculas de sustrato son más fáciles los encuentros S-E. Pero cuando se llega a un punto todas las enzimas están saturadas, es decir la concentración del sustrato es tal que todas las enzimas están actuando, están en forma de ES y por tanto aunque se aumente la concentración del sustrato no puede aumentar la concentración.




Cofactores. Algunos iones favorecen la unión entre la enzima y el sustrato y por tanto activan la reacción. Por ejemplo Mg++, Fe++, Cu++, Zn La diferencia entre coenzima y cofactor está en que la coenzima es de naturaleza orgánica y el cofactor es de naturaleza inorgánica.

TEMA 15. BIOCATALIZADORES -8

AURORA APARICIO MANRIQUE




BIOLOGÍA 2ºBACH

Inhibidores. Existen sustancias que son capaces de inhibir en mayor o menor grado la cantidad enzimática. Hay dos tipos de inhibición enzimática:  Inhibición irreversible. El inhibidor queda unido fuertemente a la enzima mediante enlaces covalentes de manera tan fuerte que su disociación es muy lenta. El inhibidor afecta al centro activo por lo que la reacción no se puede realizar. En este caso aunque se reduzca la concentración del inhibidor no se consigue eliminar la inhibición. Un ejemplo son los gases neurotóxicos, como el gas mostaza, empleados en la Primera Guerra Mundial que inhiben irreversiblemente la enzima acetilcolisterasa que se necesita para una trasmisión adecuada de impulsos nerviosos a los músculos. Actualmente estos inhibidores son muy utilizados en farmacología.  Inhibición reversible. El inhibidor inutiliza el centro activo de forma temporal ya que puede disociarse con facilidad de la enzima de esta manera si se reduce la concentración de inhibidor, desaparece la inhiición. Existen dos modalidades:   Los inhibidores más comunes son los inhibidores competitivos que son sustancias que pueden unirse al centro activo de la enzima porque su estructura es muy similar a la del sustrato, se establece una competencia entre la sustancia inhibidora y el sustrato pues ambos pueden unirse a la enzima. Consecuentemente queda menos cantidad de enzimas libres para unirse al verdadero sustrato y por ello la velocidad de reacción disminuye. Esta inhibición puede superarse aumentando la concentración del sustrato.  Otras sustancias son inhibidores no competitivos, son sustancias que no se acoplan al centro activo de la proteína y por tanto no compite con el sustrato para unirse al centro activo. El inhibidor se une a la enzima provocando en ella un cambio conformacional que impide que realice su función catalítica. Esta inhibición no puede superarse aumentando la concentración de sustrato, ya que el inhibidor tiene su propio centro de unión independiente del centro activo.

TEMA 15. BIOCATALIZADORES -9

AURORA APARICIO MANRIQUE

BIOLOGÍA 2ºBACH

7. VITAMINAS

Las vitaminas no son sintetizables por el organismo humano y deben ser incorporadas con la dieta bien como vitaminas o como sustancias precursoras que tras alguna transformación dará lugar a la vitamina. Prácticamente todos los animales tienen que tomar las vitaminas con la dieta pues no pueden sintetizarlas, pero hay alguna excepción como ratas y aves que pueden sintetizar la vit C y los rumiantes que sintetizan algunas del grupo B. Las vitaminas químicamente son muy heterogéneas, siempre son moléculas orgánicas de bajo peso molecular, pero su naturaleza es muy variable por ello se las clasifica en vitaminas hidrosolubles y vitaminas liposolubles. El exceso de vitaminas liposolubles puede crear trastornos graves porque se van acumulando ya que al no ser solubles no puede excretarse el exceso con la orina. Las vitaminas hidrosolubles aunque se tomen en exceso no producen trastornos pues se eliminan con facilidad. Las vitaminas tienen función catalítica y por tanto se requieren en pequeñas cantidades ya que se regeneran cuando finaliza la acción en la que intervienen, pero son imprescindibles para un correcto desarrollo, crecimiento y reproducción. Su carencia extrema o avitaminosis produce enfermedades muy graves e incluso la muerte. El estado deficitario de vitaminas o hipovitaminosis también produce alteraciones de la salud. Las vitaminas hidrosolubles más importantes son la B1, B2, B3, B6, B8, B9, B12 y C. A excepción de la vitamina C, las demás actúan como componentes de algunas coenzimas, por ejemplo el ac. pantoténico o Vit B5 es componente fundamental de la coenzima A. Las vitaminas liposolubles son fragmentos isoprenoides y por tanto moléculas lipídicas e insolubles en agua. No actúan como coenzimas. Las más importantes son la vit A, vit D, vit E y la Vit K. Todas las enzimas son sustancias que se alteran con facilidad y resisten mal los cambios de temperatura y los almacenamientos prolongados. Se oxidan con facilidad perdiendo sus propiedades catalíticas.

TEMA 15. BIOCATALIZADORES -10