COLEGIO SANTO DOMINGO DE GUZMÁN FUNDACIÓN EDUCATIVA SANTO DOMINGO

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ENZIMAS En los seres vivos se están desarrollando continuamente una serie de reacciones químicas que, si se realizaran en un laboratorio, sólo podrían llevarse a cabo mediante altas temperaturas, descargas eléctricas u otras fuentes de energía que las células no podrían resistir. Por ello, las reacciones que tienen lugar en los organismos no pueden ser violentas, lo cual se consigue gracias a la existencia de los biocatalizadores, entre los cuales el lugar más destacado lo ocupan los enzimas. Para que una reacción se lleve a cabo es necesario que la/s sustancia/s que van a reaccionar (sustratos) reciban una determinada cantidad de energía que las active, denominada energía de activación. Los catalizadores son aquellas sustancias que, al disminuir las necesidades de energía de activación de una reacción, la facilitan y la aceleran. Los catalizadores no intervienen en la reacción que catalizan, de tal manera que, una vez terminada ésta, quedan libres y pueden volver a ser utilizados, no se consumen durante la reacción. Todos los enzimas conocidos son proteínas de gran solubilidad en los medios líquidos del organismo. Salvo raras excepciones son solubles en agua. Según su composición se clasifican en dos grupos:  Enzimas holoproteínas: Constituidos solamente por secuencias de aminoácidos. Son poco frecuentes, pudiéndose citar como ejemplos la ribonucleasa y la lisozima.  Enzimas heteroproteínas: La mayoría de los enzimas son de este tipo. Están formados por dos componentes, uno de naturaleza proteica llamado apoenzima y otro no proteico, el grupo prostético, que puede ser inorgánico, cofactor, o bien orgánico, en cuyo caso se denomina coenzima. El conjunto de los dos componentes, apoenzima y coenzima, forma el enzima completo que se llama holoenzima. Tanto el apoenzima como el coenzima son inactivos por sí mismos, han de estar unidos para que el enzima (holoenzima) sea activo.

APOENZIMAS: El apoenzima sirve de soporte al coenzima y está exclusivamente formado por secuencias de aminoácidos. Es el que determina la especificidad de la reacción enzimática. En el apoenzima se distinguen 4 tipos de aminoácidos según la función que desempeñen en la actividad enzimática:  No esenciales: No contribuyen ni directa ni indirectamente en el proceso catalítico, por lo que pueden ser eliminados de la cadena polipeptídica sin que se pierda actividad enzimática.  Estructurales: Son los que mantienen la estructura terciaria de la proteína enzimática.  De unión o fijación: Sujetan el apoenzima al sustrato.  Catalíticos: Son los responsables directos de la actividad enzimática y forman el llamado “sitio catalítico”. Además, junto con los de unión, forman el centro activo del enzima que es una oquedad tridimensional cuya forma depende de la estructura terciaria de la molécula proteica del apoenzima y que ocupa una pequeña parte de ésta.

COENZIMAS: Difiere del apoenzima en que es de bajo peso molecular y no es de naturaleza proteica aunque sí es orgánico. Es el responsable del tipo de reacción enzimática que realiza el enzima. Por esta circunstancia, el número de coenzimas no es muy elevado ya que pueden ser comunes a muchos enzimas uniéndose a diferentes apoenzimas, desempeñando todos ellos la misma acción enzimática y, sin embargo, siendo específicos para las distintas reacciones enzimáticas según el apoenzima al que están unidos. Muchos coenzimas son vitaminas, lo cual significa que no pueden ser sintetizados por el organismo y deben ser incorporados en la dieta como tales o como sustancias transformables en vitaminas, es decir, provitaminas.

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Los principales grupos de coenzimas son los siguientes:  Adenosín-fosfatos: Químicamente son nucleótidos de A que pueden tener 1, 2 o 3 grupos fosfato lo cual da lugar, respectivamente, al AMP, ADP y ATP. Su importancia radica en los enlaces que unen las moléculas de Pi ya que son enlaces ricos en energía y cada vez que se rompe uno de ellos se libera energía, aproximadamente 7Kcal/mol. En consecuencia, la transformación de ATP en ADP y de éste en AMP (hidrólisis) supone liberación de energía, mientras que la transformación inversa (fosforilación) representa almacenamiento de energía. Constituyen pues los más importantes acumuladores biológicos de energía, la cual pueden además ceder con facilidad a medida que se liberan moléculas de Pi.  Piridín-nucleótidos: Están constituidos químicamente por un dinucleótido formado por un nucleótido de A y otro que lleva como base nitrogenada una vitamina del grupo B (la Vit B5 o Vit PP o nicotinamida). Existen dos tipos, el NAD (nicotinamida-adenín-dinucleótido) y el NADP (nicotinamida-adeníndinucleótido-fosfato) y ambos pueden encontrarse en estado oxidado (NAD+, NADP+) o reducido (NADH, NADPH). Son coenzimas importantes en el metabolismo como transportadores de H+, ya que fijan sobre ellos H+ que quitan a algún compuesto (al que por tanto oxidan) para luego cederlos a otro (al que reducen) quedando libres para actuar de nuevo.  Flavín-nucleótidos: La parte activa de sus moléculas es una vitamina del grupo B (la Vit B2 o riboflavina). Existen dos tipos, el FMN (flavín-mononucleótido) que es un nucleótido de flavina (ribosa+flavina+Pi) y el FAD (flavín-adenín-dinucleótido) que está formado por dos nucleótidos unidos, uno de flavina y otro de A. Se puede encontrar también en dos estados, oxidado (FMN, FAD) o reducido (FMNH2, FADH2). Actúan de forma semejante a los piridín-nucleótidos, es decir, como deshidrogenasas, captando y cediendo H+ que fijan a la molécula de riboflavina.  Coenzima A (CoA): Formado por un nucleótido de A unido a una vitamina del grupo B (la Vit B3 o ácido pantoténico), unida a su vez a otra molécula, el β-aminoetanotiol. Debido a que el grupo reactivo es el tiol terminal, se suele abreviar como CoA-SH. Su función catalítica es la de transportador transitorio de grupos acilo gracias a que reacciona con los ácidos mediante el grupo tiol formando tioésteres.  Ferroporfirinas: Poseen un anillo porfirínico en cuyo centro se encuentra un átomo de hierro, semejante a la hemoglobina. Son los coenzimas de los citocromos y citocromooxidasas cuya función es transportar electrones en las cadenas de transporte electrónico hasta fijarlos en el O2 que actúa como aceptor final de los mismos en el proceso respiratorio. Este transporte electrónico corre precisamente a cargo del átomo de Fe que pasa de Fe3+ a Fe2+ al cargarse con un electrón y viceversa al soltarlo.

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VITAMINAS: Algunas vitaminas son necesarias para la actuación de determinados enzimas, ya que funcionan como coenzimas que intervienen en distintas rutas metabólicas y, por ello, una deficiencia en una vitamina puede originar importantes defectos metabólicos, como puede verse en la tabla: VITAMINAS C (ácido ascórbico) B1 (tiamina) B2 (riboflavina)

FUNCIONES Coenzima de algunas peptidasas. Interviene en la síntesis de colágeno Coenzima de las descarboxilasas y de las enzimas que transfieren grupos aldehídos Constituyente de los coenzimas FAD y FMN

B3 (ácido pantoténico) Constituyente de la CoA Constituyente de las coenzimas NAD y NADP B5 (niacina) Interviene en reacciones de transferencia de grupos B6 ( piridoxina) amino. Coenzima en la transferencia de grupos metilo. B12 (cobalamina) Coenzima de las enzimas que transfieren grupos Biotina carboxilo, en metabolismo de aminoácidos.

Enfermedades carenciales Escorbuto Beriberi Dermatitis y lesiones en las mucosas Fatiga y trastornos del sueño Pelagra Depresión, anemia Anemia perniciosa Fatiga, dermatitis...

CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS ENZIMAS: Los enzimas se clasifican en 6 grupos en función de la acción que realizan. Para denominar un enzima se utiliza generalmente el nombre del sustrato sobre el que actúa con la terminación -asa (por ej. sacarasa). Algunos enzimas, sin embargo, siguen conservando su nombre antiguo, por ej. tripsina. Los principales tipos de enzimas son: 

Oxidoreductasas: regulan reacciones donde se produce una oxidación o una reducción del sustrato. Son propios de la cadena respiratoria. Dentro de ellas destacan las deshidrogenasas y las oxidasas.



Transferasas: transfieren radicales de un sustrato a otro sin que en ningún momento quede libre dicho radical.



Hidrolasas: Rompen enlaces con la introducción de los componentes de una molécula de agua.



Liasas: Rompen enlaces C-C, C-N o C-O con pérdida de grupos funcionales y con la aparición generalmente de dobles enlaces. No interviene el agua.



Isomerasas: transforman el sustrato en otra molécula isómera.



Ligasas o Sintetasas: catalizan la formación de enlaces mediante la hidrólisis del ATP.

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CINÉTICA ENZIMÁTICA: En toda reacción enzimática intervienen por una parte el enzima y por otra el sustrato, que es la sustancia que, catalizada por el enzima, se convierte en un producto o productos. Los enzimas tienen un tamaño mucho mayor que los sustratos sobre los que actúan. 

En una primera fase el sustrato se acopla por adsorción (fijación a la superficie) al centro activo del enzima formándose un complejo enzima-sustrato (ES).



El sitio catalítico del centro activo actúa entonces sobre el sustrato transformándolo en los productos, que se separan del enzima; éste puede volver a unirse a otra molécula de sustrato para provocar sobre ella una nueva reacción enzimática.

Esta forma de actuar los enzimas explica por qué cantidades pequeñísimas de ellos pueden catalizar grandes masas de sustratos, pues no se gastan en su acción, recuperándose al final de la reacción que catalizan. Los enzimas son específicos, es decir, cada uno de ellos actúa solamente sobre un determinado sustrato. Actualmente se considera que la especificidad enzimática radica en la naturaleza de los aminoácidos de fijación del centro activo. Una vez realizada la fijación del sustrato a dichos aminoácidos, el enzima posee una considerable libertad para modificar su forma y amoldarse parcialmente sobre el sustrato, de tal manera que el sitio catalítico quede correctamente situado para actuar. Es decir, no existe una adaptación predeterminada, sino una adaptación inducida por los aminoácidos de fijación del enzima.

VELOCIDAD DE LA REACCIÓN CATALIZADA ENZIMÁTICAMENTE La reacción enzimática se desarrolla a una velocidad que, en principio, es directamente proporcional a la cantidad de sustrato, pero sólo hasta un cierto límite. Si se mantiene constante la cantidad de enzima y se aumenta progresivamente la concentración de sustrato, el enzima irá pasando al complejo ES y la velocidad de reacción aumentará progresivamente con rapidez hasta que todo el enzima se encuentre en forma de complejo ES y esté, por tanto, saturado. En este momento la velocidad de la reacción será máxima y un incremento mayor de sustrato no logrará acelerar más la reacción enzimática. En la práctica, suele manejarse no la velocidad máxima, sino la semimáxima que es aquella que se da cuando la mitad del enzima presente se halla en forma de complejo ES y la otra mitad libre. En este caso se cumple la siguiente relación: K se denomina  E S  1 constante de Michaelis KM   VMAX (KM) y representa la ES  2 concentración de sustrato para la cual la velocidad de la reacción es igual a la mitad de la velocidad máxima.

Vel oci dad de reacción

Vmax

Vsemimax

KM

[S

Una KM alta quiere decir, por tanto, que para conseguir la velocidad semimáxima se requiere una elevada concentración de sustrato, lo que prueba que el enzima no tiene una gran afinidad por el sustrato y actuará con preferencia sobre otro sustrato.

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REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA: La cinética de la reacción enzimática puede verse modificada por diversos factores que modulan la actividad de los enzimas, en unos casos activando su acción catalítica, en otros inhibiéndola. Los principales factores son: a) Temperatura: la velocidad de las reacciones enzimáticas puede variar en función de la temperatura. A medida que ésta aumenta, también aumenta la actividad enzimática hasta llegar a un punto óptimo en que dicha actividad es la máxima. Pero si sigue elevándose la temperatura, llega un momento en que el enzima se desnaturaliza y cesa su actividad. b) pH: un enzima sólo actúa dentro de unos límites de pH. Entre ellos está el llamado pH óptimo en el que la reacción alcanza su máxima eficacia. Sobrepasados los límites de pH, el enzima se desnaturaliza. c) Proenzimas: los enzimas son, a veces, sintetizados en una forma catalíticamente inactiva llamada proenzima o zimógeno. La transformación de éste en enzima activo se consigue por la pérdida de algunos aminoácidos de su molécula que hacen variar su estructura de tal manera que se logra organizar el sitio catalítico. Esta transformación de proenzima en enzima es catalizada a su vez por otros enzimas. Por ejemplo, el enzima tripsina se elabora en el páncreas en forma del proenzima tripsinógeno, el cual se transforma en tripsina gracias al enzima enteroquinasa. d) Sustancias inhibidoras: se trata de compuestos químicos que logran inhibir en menor o mayor medida, incluso anular, la actividad de un enzima sin destruirlo. Este hecho las distingue de las sustancias inactivadoras. La acción inhibidora puede ser de dos tipos:



INHIBICIÓN COMPETITIVA: Se debe a que el inhibidor tiene una molécula tan parecida a la del sustrato que logra unirse al centro activo del enzima. Como el enzima no puede actuar sobre él, permanece unido sin separarse impidiendo que el sustrato ocupe el centro activo. (INHIBIDOR 2)



Inhibición no competitiva: Se debe a que el inhibidor se une de tal manera a los aminoácidos de fijación del centro activo que impide que el sustrato llegue al sitio catalítico. (INHIBIDOR 1)

Tanto la inhibición competitiva como la no-competitiva son reversibles. Sin embargo existe también una inhibición irreversible o envenenamiento que tiene lugar cuando el inhibidor se fija permanentemente al centro activo del enzima inutilizándolo. e) Alosterismo: es la propiedad que poseen algunos enzimas (llamados alostéricos) de modificar su actividad cuando su estructura terciaria se transforma por una molécula orgánica que se une en un punto diferente del centro activo denominado punto alostérico. Esta molécula orgánica es diferente del sustrato habitual del enzima y se llama efector alostérico. El alosterismo desempeña un papel esencial en los procesos de regulación genética y constituyen el principal sistema regulador de los ciclos bioquímicos. Los enzimas alostéricos se encuentran frecuentemente en las encrucijadas de varias rutas metabólicas y son los que regulan la continuación por una u otra vía de la ruta.