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Universidad de

Guadalajara

 

 

Centro Universitario de Ciencias de la Salud

 

 

“Bioquímica”

 

Monografía

ENZIMAS

 

 

 

Equipo # 1 :

 

Hernandez Perez Cecilia                                              303137562

Hernandez Vasquez Lidia                                            301817078

Magdaleno Gonzaga Irma Betsabe                            301348264

Reynoso Gutierrez Sayra Elizabeth                           E04114361

Uehara Uyeda Naomi                                                     E04117387

Ulloa Hernandez Hilda Berenice                                 E04124715

 

 



Dr. Javier Romero Iñiguez    






UNIDAD 5

“ENZIMAS”

1.- Sinonimia

2.- Concepto / Definición

a.      Naturaleza química

b.      Composición química

c.      Estructura enzimática

3.- Nomenclatura

3.1.- Nomenclatura Actual

4.- Clasificación

a.      Oxido-Reductasas

b.      Transferasas

c.      Hidrolasas

d.      Liasas

e.      Isomerasas

f.        Ligasas

5.- Partes del sistema enzimático

a.      Sustrato

b.      Enzima

c.      Coenzima

d.      Sustancias Activadoras

6.- Propiedades y/o características de las enzimas

7.- Factores que Modifican la Actividad Enzimática

a.      Temperatura

b.      Concentración del Sustrato

c.      Concentración de la Enzima

d.      pH

8.- Actividad Enzimática o Cinética de las Enzimas


 

9.- Modelo cinético de Michaelis-Menten

10.- Inhibición Enzimatica

e.      Reversible

f.        Irreversible

g.      Competitiva

h.      No Competitiva

i.        Alosterica

11.- Efectores de las Enzimas

j.         Covalente

k.      No Covalernte

12.- Cofactores de las Enzima

l.         Cofactor

m.    Coenzima

13.- Importancia Biomédica

 

14.- Bibliografía


 



1.- Sinonimia

 

 

Enzima: son también llamados catalizadores biológicos

 

 

 



2.- Concepto / Definición

 

 

Cada célula y cada tejido tienen su actividad propia, lo que comporta continuos cambios en su estado bioquímico, en la base de la cual están las enzimas, que tienen el poder de catalizar, facilitar, y agilizar determinados procesos sintéticos y analíticos. Los propios genes son reguladores de la producción de las enzimas; por tanto, genes y enzimas pueden considerados como las unidades fundamentales de la vida.

 

Este concepto poco difundido casi hasta el siglo XX, se ha desarrollado y concretado cada vez mas, y constituye un componente esencial de diversas disciplinas: la microbiología, la fisiología, la bioquímica, la inmunología y la taxonomía, formando además parte del campo aplicado, en gran variedad de industrias. El rasgo particular de las enzimas es que pueden catalizar procesos químicos a baja temperatura, compatible con la propia vida, sin el empleo de sustancias lesivas para los tejidos. La vida es, en síntesis, una cadena de procesos enzimáticos, desde aquellos que tienen por sustratos los materiales mas simples, como el agua (H2O) y el anhídrido carbónico (CO2), presentes en los vegetales para la formación de hidratos de carbono, hasta los mas complicados que utilizan sustratos muy complejos.

 

La formación de los prótidos, los glúcidos y los lípidos es un ejemplo típico: Son a la vez degradados y reconstruidos por otras reacciones enzimáticas, produciendo energía a una velocidad adecuada para el organismo, sin el gasto energético que exigen los métodos químicos de laboratorio.

 

El nombre de enzima, que fue propuesto en 1867 por el fisiólogo alemán Wilhelm Kühne (1837-1900).Deriva de la frase griega en zymc, que significa “en fermento”

 

Compuestos químicos orgánicos o moléculas orgánicas de origen proteico, de elevado peso molecular que catalizan reacciones químicas en sistemas biológicos. Son biomoléculas altamente específicas y altamente especializadas.  Su única fuente es endógena, o sea que nuestro organismo debe sintetizarlas para ello se requiere información genética y que existan alfa-aminoácidos.

 

Son catalizadores muy potentes y eficaces, químicamente son proteínas. Como catalizadores, los enzimas actúan en pequeña cantidad y se recuperan indefinidamente. No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente desfavorables, no modifican el sentido de los equilibrios químicos, sino que aceleran su consecución. Biocatalizadores, que aumentan la velocidad de las reacciones que tienen lugar en el tejido.

 

Las reacciones químicas en sistemas biológicos raramente ocurren en ausencia de un catalizador. Estos catalizadores se denominan enzimas y son en su totalidad moléculas de naturaleza proteica (aunque ha habido estudios acerca de enzimas de naturaleza glucosídica).

 

 

 

a)     Naturaleza química

 

 

Existen numerosas razones para afirmar que las enzimas son proteínas. La más importantes son las siguientes:

 

  1. El análisis de las enzimas obtenidas en forma más pura, cristalizada, demuestra que son proteínas.

 

  1. Las enzimas son inactivadas a altas temperaturas y, en general, la cinética de la desnaturalización térmica de las enzimas da resultados muy parecidos a los de la desnaturalización térmica de las proteínas; por ejemplo el Q10 de la mayoría de las reacciones químicas es de 2 a 3, y, en el caso de las enzimas, a temperaturas elevadas, alrededor de 60 a 70ºC, la actividad neta aumenta varios cientos, como sucede con la velocidad de la desnaturalización térmica de las proteínas.

 

  1. Las enzimas son activadas en unas zona muy restringida de PH, y presenta un punto óptimo de PH donde su actividad es mayor. Las proteínas en su punto isoeléctrico, muestran propiedades parecidas desde el punto de vista de viscosidad, solubilidad, difusión, etc., que resulta del todo similares a las propiedades de este tipo que muestran las enzimas.

 

  1. Todos los agentes que desnaturalizan a las proteínas también destruyen o inactivan a las enzimas, ya sea el calor, los ácidos fuertes, o los metales pesados que pueden combinarse con ellas.

 

  1. Los problemas de solubilidad y de precipitación son comunes a las proteínas y las enzimas; en general, son solubles en agua o soluciones salinas, insolubles en alcohol, precipitan con determinadas concentraciones de sales neutras, etc.

 

 

b)    Composición química

 

 

Los conocimientos sobre la composición química de las enzimas constituyeron materia de numerosas controversias hasta 1926, cuando J.B Sumner (1887-1955) consiguió cristalizar la ureasa, enzima que transforma la urea en anhídrido carbónico y amoniaco, y demostrar que era una sustancia proteica.

 

A, partir de entonces fueron aisladas otras enzimas en forma pura, cristalina, y el análisis demostraba siempre la presencia de una proteína, simple o conjugada. Cuando los análisis químicos demuestran que la enzima es una proteína conjugada, pueden distinguirse en el dos partes bien diferenciadas:

 

 

En algunas enzimas oxidantes fue observada la presencia de la promoporteinas, en las cuales el grupo prostético esta representado por un compuesto que contiene Fe y otro elemento, el cual desempeña un papel importante en la combinación de la proteína con el sustrato; otras veces este grupo prostético es derivada de vitaminas (como la vitamina B); 4en muchos casos resulta fácil de separar de la molécula proteica. No obstante una vez separadas, las dos unidades no muestran actividad enzimático; por tanto el grupo proteico (coenzima) y el grupo proteico (apoenzima) han de estar íntimamente ligados entre si para ser operativos. Por consiguiente, de las enzimas pueden distinguirse los formados por:

 

 

 

Después del descubrimiento de Sumner, el numero de la enzimas y el estudio de sus actividades químicas proporcionaron un notable impulso en la enzimología, y la gran cantidad de las enzimas que rápidamente se acumulaban determinaron la necesidad de utilizar una clasificación o nomenclatura para evitar errores y facilitar la comprensión de futuros investigadores.


 

c)     Estructura enzimática

 

 

Por su estructura y composición química puede afirmarse que el origen de las enzimas esta vinculando al origen de las sustancias proteicas. Al hablar del origen de la vida se ha citado el éxito de los experimentos realizados en el laboratorio para la producción de aminoácidos; estos aminoácidos son los que precisamente constituyen la base del edificio proteico. También en el laboratorio se ha intentado la síntesis de proteínas a partir de aminoácidos.

 

La sede de las enzimas es el citoplasma. Los cloroplastos vegetales contienen una amplia gama enzimas encargadas de la función clorofílica, proceso que a través de reacciones químicas complejas y encadenadas transforman compuestos inorgánicos, como el agua, y el anhídrido carbónico, en sustancias complejas adecuadas para ser entre otras cosas el alimento fundamental de los animales.

 

En las mitocondrias existe un sistema de transporte de electrones que determinan importantes fenómenos de oxidorreducción, durante los cuales se forman notables cantidades de ATP, que es un compuesto altamente energético del que depende la mayor parte de metabolismo, y coma, por tanto el trabajo de las células; en las mitocondrias se produce el metabolismo enzimático de los ácidos grasos, los cuales son en parte elaborados también en el citoplasma.

 

En los ribosomas tiene lugar concretamente todas la s síntesis de las sustancias proteicas, mientras que en los lisosomas se producen enzimas hidrolíticos cuya misión escindir, con la intervención del agua, moléculas grandes en otras menores, que pueden a su vez ser utilizadas por las células; en cambio, las enzimas glucolíticos están difundidos en el citoplasma.

 

La localización de las sedes de las distintas operaciones enzimáticas antes mencionadas ha sido posible a través del sistema de ruptura de las células y de la separación de los distintos componentes mediante centrifugación diferencial del homogeneizado de estas la ruptura celular y la subdivisión de los componentes subcelulares se realizan actualmente utilizando los tejidos, por ejemplo con saltos bruscos desde temperaturas inferiores a 0 C hasta temperaturas mas elevadas con cambios de presión osmótica o mediante ultrasonidos.

 




3. Nomenclatura de las enzimas

 

Historia

Cien años atrás solo se conocían enzimas, muchas de estas, catalizaban la hidrólisis de enlaces covalentes. Algunas enzimas, de manera especial las que fueron descubiertas en un principio, recibieron nombres ligados a su sitio de procedencia anatómica que no siguen ninguna regla ni sistema; tal es el caso de la

«     Ptialina de la saliva: ataca al almidón de la pepsina del estómago

«     Tripsina del páncreas: atacan proteínas

«     Renina: que coagula la leche

«     Papaina, enzima proteolítica que se encuentra en la papaya.

«     Proteasas: se encuentran en las células.

Las enzimas relacionadas con la cuagulación de la sangre, como son la trombina, la plasmina, el plasminógeno, etc. reciben también nombres sistematizados.

Al descrubir nuevas enzimas y proceder a su caracterización estricta se aplicaron reglas de nomenclatura basadas en el nombre del sustrato atacado, o en el tipo general de sustrato, o en la reacción catalizada y se ha añadido convencionalmente, la terminación -asa.

Por ejemplo:

«     Las lipasas (hidrolizan lípidos o grasas)

«     Las amilasas (hidrolizan almidón)

«     Las proteasas (hidrolizan proteínas)

«     Las esterasas (basado en la unión general de tipo éster presentes en muchas sustancias) Colesterol estrerasa (si la esterasa es específica de los esteres de colesterol) y acetilcolina esterasa (si la esterasa de la acetilcolina).

Otros ejemplos:

«     Las fosfatasas son enzimas que atacan las uniones éster, pero en este caso, toman su nombre del grupo vecino a la unión que van a atacar, de manera que se denominan fosfatasas (cuando quitan una molécula de monofosfato), pirofosfatasas (cuando quitan el ácido fosfórico como esteres dobles (pirofosfatos), o triples, etc.)

«     Las carbohidrasas se denominan así genéricamente, pero pueden comprender enzimas con nombres proveniente del sustrato particular sobre el que actúan como la amilasa que ataca al almidón y la celulasa que actúa sobre la celulosa y, en otras ocasiones, se denominan de acuerdo con la unión atacada, como la b -glucosidasa que actúa sobre las uniones b -glucosídicas.

Los ejemplos se pueden extender a todos los terrenos de la actividad enzimática, como en las enzimas proteolíticas, las fosforilasas, las nucleasas, etc.

Esta manera de llamarlas, se demostró que era inadecuada porque al descubrirse varias enzimas, notaron que varias enzimas catalizaban reacciones diferentes del mismo sustrato, por ejemplo, oxidación o reducción de la función alcohol de un azúcar.

Aunque el sufijo –asa continúa en uso; actualmente, al nombrar a las enzimas, se enfatiza el tipo de reacción catalizada. Por ejemplo: las hidrogenasas catalizan la eliminación de hidrogeno y las transferasas, reacciones de transferencia de grupo. Con el descubrimiento de mas y mas enzimas, surgieron ambigüedades y con frecuencia no estaba claro cual era la enzima que un investigador deseaba estudiar.

Para remediar esta deficiencia, la Comisión para el estudio de las enzimas, que constituye con respecto a los sistemas anteriores un punto de vista más uniforme, preciso y descriptivo; esta formada por la Unión Internacional de Bioquímica (IUB) adoptó, en 1964, un sistema complejo pero inequívoco de la nomeclatura enzimática basado en el mecanismo de reacción.

El sistema se basa en la reacción química catalizada que es la propiedad específica que caracteriza a cada enzima las cuales se agrupan en clases, porque catalizan procesos semejantes, y en subclases que especifican con mayor exactitud la reacción particular considerada.

En general, las enzimas reciben un nombre de acuerdo con el sustrato o los sustratos que participan en la reacción seguido por el tipo de reacción catalizada y, por fin, la terminación -asa. A menudo los nombres así obtenidos resultan largos y complejos, por lo que es muy difícil que en la práctica se pueda excluir el uso de los nombres triviales, consagrados por la costumbre.

Sin embargo, con fines de sistematización, se reconoce la necesidad de aceptar el nuevo sistema.

Aunque su claridad y carencia de ambigüedad recomiendan al sistema de nomeclatura IUB para trabajos de investigación, nombres más ambiguos, pero bastante más cortos persisten en libros de texto y en el laboratorio clínico. Por esta razón, a continuación solo se presenta principios generales del sistema IUB:

1.      Las reacciones y las enzimas que las catalizan se dividen en 6 clases principales, cada una con 4 a 13 subclases.

2.      El nombre de la enzima tiene 2 partes: la primera es el nombre del o los sustratos; la segunda, con terminación –asa, indica el tipo de reacción catalizada.

3.      Información adicional, si es necesario aclarar la reacción, puede seguir el paréntesis. Por ejemplo: la enzima que cataliza L-malato + NAD= = piruvato + CO2 NADH + H= , se denomina como 1.1.1.37 L-malato:NAD+ oxidorreductasa (descarboxilante).

4.      Cada enzima tiene un numero clave (E.C.) que caracteriza al tipo de reacción según la clase (primer digito), subclase (segundo digito) y subclase (tercer digito). El cuarto digito es para la enzima específica. Así, E.C. 2.7.1.1 denota la clase 2 (una transferasa), subclase 7 (transferencia de fosfato), sub-clase 1 (una función alcohol como aceptor de fosfato). El último digito denota a la enzima hexocinasa o ATP: D-hexosa-6-fosforotransferasa, enzima que cataliza la transferencia de fosfato desde el ATP al grupo hidroxilo de carbono 6 de la glucosa.

 

Al final de sus y trabajos, clasifico las enzimas en seis grupos principales, correspondientes por sus términos a las reacciones que cada enzima ejerce sobre el sustrato. Estos grupos se subdividen en otro, según el tipo de sustrato y los átomos concretos que son sensibles a sus acciones. Estos seis grupos son los siguientes y se analizarán más adelante:

1.      Oxidoreductasas

2.      Transferasas

3.      Hidrolasas

4.      Isomerasa

5.      Liasas

 

En resumen se puede decir que para nombrar a las enzimas se deben tomar en cuenta los siguientes parámetros

 


3.1.- Nomenclatura actual

 

 

La nomenclatura enzimática está basada en 3 parámetros:

 

«     Todas las enzimas deben de llevar el nombre del sustrato

Sustrato: parte del sistema enzimático, sustancia o compuesto químico sobre la cual va actuar la enzima es la sustancia o compuesto químico que sufre la reacción química.

 

«     Las enzimas deben de llevar el nombre de la reacción química catalizada

Oxidación ---------------------------            oxidasa

Reducción---------------------------            reductasa

Hidrólisis-----------------------------            hidrolasa

Isomerización----------------------            isomeraza

Transferencia-----------------------            transferasa

Síntesis ------------------------------            ligasa

Catálisis-----------------------------            liasa

«     Terminación asa

 

 

Ejemplo: Glucosa oxidasa.

 

 

Las enzimas se identifican por 4 dígitos:

 

«     El primer digito se refiere a la clasificación general, va del uno

«     El segundo dígito se refiere a la clase de enzima.

«     El tercer dígito es la subclase, se refiere a la reacción química específica que cataliza la enzima

«     El cuatro dígito se refiere al número progresivo de orden de acuerdo a su identificación.

 

 




4.- Clasificación

 

 

 


Óxido – reductasas

 

«     Son las enzimas relacionadas con las oxidaciones y las reducciones biológicas que intervienen de modo fundamental en los procesos de respiración y fermentación.

«     son importantes a nivel de algunas cadenas metabólicas, como la escisión enzimática de la glucosa, fabricando también el ATP, verdadero almacén de energía. Extrayendo dos átomos de hidrógeno, catalizan las oxidaciones de muchas moléculas orgánicas presentes en el protoplasma; los átomos de hidrógeno tomados del sustrato son cedidos a algún captor.



Transferasas

 

 

«     Estas enzimas catalizan la transferencia de una parte de la molécula (donadora) a otra (aceptora).

«     Su clasificación se basa en la naturaleza química del sustrato atacado y en la del aceptor. Este grupo de enzimas actúan sobre los sustratos mas diversos, transfiriendo grupos metilo, aldehído, glucosilo, amina, sulfató, sulfúrico, carboxilo, carbonilo, fosforilo y ácido (RC = o).

 

 

            Los nombres comunes triviales suelen incluir el prefijo trans. Como ejemplo podemos nombrar las transcarboxilasas, transmetilasas y transaminasas.

 

 

Ejemplo:

 

Enzima Hexoquinasa

 

 

Glucosa + ATP                                 Glucosa – Fosfato + ADP



Hidrolasas

 

 

«     Esta clase de enzimas actúan normalmente sobre las grandes moléculas del protoplasma, como son la de glicógeno, las grasas y las proteínas.

«     La acción catalítica se expresa en la escisión de los enlaces entre átomos de carbono y nitrógeno (C-N) o carbono oxigeno (C-O); Simultáneamente se obtiene la hidrólisis (reacción de un compuesto con el agua) de una molécula de agua. El hidrógeno y el oxidrilo resultantes de la hidrólisis se unen respectivamente a las dos moléculas obtenidas por la ruptura de los mencionados enlaces.

«     A este grupo pertenecen proteínas muy conocidas: la pepsina, presente en el jugo gástrico, y la tripsina y la quimiotripsina, segregada por el páncreas. Desempeñan un papel esencial en los procesos digestivos, puesto que hidrolizan enlaces pépticos, estéricos y glucosídicos.



Liasas

 

«     Estas enzimas escinden (raramente construyen) enlaces entre átomos de carbono, o bien entre carbono y oxigeno, carbono y nitrógeno, y carbono y azufre dejando enlaces dobles, pero también agregan grupos a los enlaces dobles. Las liasas catalizan reacciones en las que se elimina grupos (por ejemplo H2O, CO2  y NH3) para formar un doble enlace o se añaden a un doble enlace. Los ejemplos son liasas, descarbolasas, hidratasas, deshidratasas, desaminasas y sintasas.

«     Algunas liasas actúan sobre compuestos orgánicos fosforados muy tóxicos, escindiéndolos; otros separan el carbono de numerosos sustratos.

           

Ejemplo:

 

Enzima Piruvato descarboxilasa

 

        Piruvato

 

 

 

 



Isomerasas

 

 

«     Transforman ciertas sustancias en otras isómeras, es decir, de idéntica formula empírica pero con distinto desarrollo.

«     Son las enzimas que catalizan diversos tipos de isomerización, sea óptica, geométrica, funcional, de posición, etc.

«     Se dividen en varias subclases.

«     Las racemasas y las epimerasas:

Actúan en la racemización de los aminoácidos y en la epimerización de los azúcares. Las primeras son en realidad pares de enzimas específicas para los dos isómeros y que producen un solo producto común.

«     Las isomerasas cis – trans:

Modifican la configuración geométrica a nivel de un doble ligadura. Las óxido – reductasas intramoleculares catalizan la interconversión de aldosas y cetosas, oxidando un grupo CHO y reduciendo al mismo tiempo al C = O vecino, como en el caso de la triosa fosfato isomerasa, presente en el proceso de la glucólisis ; en otros casos cambian de lugar dobles ligaduras, como en la (tabla) isopentenil fosfato isomerasa, indispensable en el cambio biosinético del escualeno y el colesterol. Por fin las transferasas intramoleculares (o mutasas) pueden facilitar el traspaso de grupos acilo, o fosforilo de una parte a otra de la molécula, como la lisolecitina acil mutasa que transforma la 2 – lisolecitina en 3 – lisolecitina, etc.

«     Algunas isomerasas actúan realizando inversiones muy complejas, como transformar compuestos aldehídos en compuestos cetona, o viceversa. Estas ultimas desarrollan una oxidorreducción dentro de la propia molécula (oxido reductasa intramoleculares) sobre la que actúan, quitando hidrógeno, a algunos grupos y reduciendo otros; actúan ampliamente sobre los aminoácidos, los hidroxácidos, hidratos de carbono y sus derivados.




 Ligasas

 

«     Realizan la degradación o síntesis de los enlaces fuertes mediante el acoplamiento a sustancias ricas en energía como los nucleosidos del ATP. Algunos ejemplos de estas son las Carboxilasas y las Peptidosintetasas.

«     Son enzimas que catalizan la unión de dos moléculas acoplada a la hidrólisis de un grupo pirofosforilo en el ATP o un trifosfato nucleosilo similar.

«     Son  enzimas que catalizan la formación de un enlace entre dos moléculas de sustrato. La energía para estas reacciones la aporta siempre la hidrólisis de ATP. Los nombres de muchas ligasas incluyen el término sintetasa. Otras ligasas se denominan carboxilasas.

Ejemplo:

 

Enzima Piruvato caboxilasa

 




5.- Partes del Sistema Enzimático

 

1.      Sustrato; cualquier compuesto químico.

 

®     Sustancia, compuesto químico que sufre la reacción química.

®     Aquellas sustancias en las que actúa la enzima.

®     Cualquier origen químico.

 

2.      La enzima; siempre actúa sobre un sustrato para producir una catálisis y su resultado es un producto.

 

3.      Coenzimas; provienen de las vitaminas (forma activa de las vitaminas), tienen peso molecular bajo. Biomoleculas no proteicas que favorece y/o potencial izan la acción de una enzima.

4.- Sustancias activadoras: temperatura, electrolitos y pH.

 




6.- Propiedades y/o características de las enzimas

Propiedades:

Las propiedades de las enzimas derivan del hecho de ser proteínas y de actuar como catalizadores. Como proteínas, poseen una conformación natural más estable que las demás conformaciones posibles. 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: poseen una conformación natural más estable que las demás conformaciones posibles. 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

 

Características:

®      Las enzimas son proteínas sin excepción.

®      Son proteínas complejas.

®      Son proteínas altamente especificas.

®      Tienen el nivel cuaternario de estructura proteica.

®      Son de muy elevado peso molecular.

®      Presentan todas las características de la estructura cuaternaria de las proteínas.

®      Son proteínas que poseen un efecto catalizador al reducir la barrera energética de ciertas reacciones químicas.

®      Influyen solo en la velocidad de reacción sin alterar el estado de equilibrio

®      Actúan en pequeñas cantidades

®      Forman un complejo reversible con el sustrato

®      No se consumen en la reacción, pudiendo actuar una y otra vez

®      Muestran especificidad por el sustrato

®      Su producción está directamente controlada por los genes

 


 



7.- Factores que modifican la actividad enzimática

 


Efecto de la temperatura :

Un aumento en la temperatura provoca un aumento de la velocidad de reacción hasta cierta temperatura óptima, ya que después de aproximadamente   450 C se comienza a producir la desnaturalización térmica. Cuando mayor es la temperatura, mayor es la velocidad de reacción. La velocidad de reacción aumenta debido a que hay más moléculas con la energía suficiente para entrar en el estado de transición. Las velocidades de las reacciones catalizadas por enzimas aumentan también al incrementarse la temperatura. Sin embargo, las enzimas son proteínas que se desnaturalizas a temperaturas  elevadas. Cada enzima tiene una temperatura óptima a la que actúa con su máxima eficacia. Debido a que las enzimas son proteínas, los valores de la temperatura óptima dependen del pH y de la fuerza iónica. Si la temperatura se incrementa más allá  de la temperatura óptima, la actividad enzimática desciende bruscamente. La temperatura óptima de una enzima normalmente está cerca de la temperatura normal del organismo del que se procede

 



Concentración de sustrato:

Al principio un aumento de la concentración de substrato produce un aumento rápido de la velocidad de reacción, pero si se sigue aumentando la concentración de substrato, la velocidad de reacción comienza a disminuir; vemos que a muy altas concentraciones de substrato se observa que no cambia la velocidad de reacción, se dice que los centros activos de la enzima se encuentran saturados. La velocidad de reacción que se obtiene a esa alta concentración de substrato se define como la velocidad máxima (vm) de la reacción enzimática bajo las condiciones especificadas. La concentración de substrato [S], a la semivelocidad máxima de reacción (½ v ) se puede determinar de la figura y representa la constante de Michaelis o km, la cual es una característica para cada enzima. La inversa de km, o 1/ km, mide aproximadamente la afinidad de la enzima por el substrato. Mientras más pequeño sea el valor de km, mayor será la afinidad de la enzima por el substrato. Si varias enzimas compiten en el metabolismo por el mismo substrato, éste será transformado preferentemente por la enzima con mayor afinidad.

 

CONCENTRACIÓN DE ENZIMAS: Las enzimas poseen un PH característico donde su actividad es máxima: por encima o debajo de ese PH la actividad disminuye.

 



 Efecto del pH:

 

El pH no afecta la actividad enzimática directamente sino que modifica la concentración de protones. Los protones además de alterar la estructura de la enzima y el substrato, pueden participar también en la reacción como substrato o producto. En esos casos, la concentración de protones afecta directamente la velocidad de la reacción.

Cualquier cambio brusco de pH, sabiendo que las enzimas son proteínas, puede alterar el carácter iónico de los grupos amino y carboxilo en la superficie proteica, afectando así las propiedades catalíticas de una enzima. A pH alto o bajo se puede producir la desnaturalización de la enzima y en consecuencia su inactivación .

La concentración de ion hidrógeno afecta a las enzimas de diversas formas. En primer lugar la actividad catalítica está relacionada con el estado iónico del lugar activo. Las variaciones de la concentración de ion hidrógeno pueden afectar a la ionización de los grupos de lugar activo. En segundo lugar, los cambios de los grupos ionizables pueden alterar la estructura terciaria de la enzima. Los cambios drásticos del pH frecuentemente conducen a la desnaturalización.  La mayoría de las enzimas son activas dentro de un intervalo estrecho de Ph. Por esta razón. Los seres vivos emplean amortiguadores para regular estrechamente el pH. El valor de pH al que la actividad de una enzima es máxima se denomina pH óptimo, y varía considerablemente según  la enzima.

Enzimas:   

Pepsina 1,5 (pH óptimo)

Tripsina 7,7

Catalasa 7,6

Arginasa 9,7

Fumarasa 7,8

Ribonucleasa 7,8

 

 




8. Actividad enzimática o cinética de las enzimas

 

El estudio cuantitativo de la catálisis enzimática, que se denomina cinética enzimática, proporciona información sobre las velocidades de reacción. Los estudios cinéticos miden también la afinidad de las enzimas por los sustratos y los inhibidores, y proporcionan conocimientos sobre los mecanismos de reacción. La cinética enzimática tiene varias aplicaciones prácticas, que incluyen una mejor comprensión de las fuerzas que regulan las rutas metabólicas y el diseño de tratamientos más adecuados.

            La velocidad de la reacción anterior es proporcional a la frecuencia con la que las  moléculas reaccionantes forman el producto.

            Otro término que es útil para describir una reacción es el orden de la reacción. El orden se determina de forma empírica, es decir, mediante experimentación. Se define como la s8uma de los exponentes de los de concentración en la expresión de velocidad. La determinación del orden de una reacción permite a un experimentador obtener determinadas conclusiones con relación al mecanismo de la reacción. Se dice que una reacción sigue una cinética de primer orden cuando la velocidad depende de la primera potencia de la concentración  de un único reactante y sugiere que el paso limitante de la velocidad es una reacción unimolecular

La actividad específica de una enzima, una magnitud que alcanza para controlar la purificación de la enzima, se define como el número de unidades internacionales por miligramo de proteína.

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.




9. 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 (foto de la izquierda) y Maud Menten (foto de la derecha) desarrollaron esta teoría y propusieron una ecuación de velocidad que explica el comportamiento cinético de los enzimas.

Para explicar la relación oservada entre la velocidad inicial (v0) y la concentración inicial de sustrato ([S]0) Michaelis y Menten propusieron que las reacciones catalizadas enzimáticamente ocurren en dos etapas: En la primera etapa se forma el complejo enzima-sustrato y en la segunda, el complejo enzima-sustrato da lugar a la formación del producto, liberando el enzima libre:

 

 

 

En este esquema, k1, k2 y k3 son las constantes cinéticas individuales de cada proceso y también reciben el nombre de constantes microscópicas de velocidad. Según esto, podemos afirmar que:

Se puede distinguir entre enzima libre (E) y enzima unido al sustrato (ES), de forma que la concentración total de enzima, [ET], (que es constante a lo largo de la reacción) es:

[ET] = [E] + [ES]

Como [E] = [ET] - [ES], resulta que: v1= k1[S] [ET] - k1 [S] [ES]


Este modelo cinético adopta la hipótesis del estado estacionario, según la cual la concentración del complejo enzima-sustrato es pequeña y constante a lo largo de la reacción (Figura de la derecha). Por tanto, la velocidad de formación del complejo enzima-sustrato (v1) es igual a la de su disociación (v2+ v3):

v1 = v2 + v3

Además, como [ES] es constante, la velocidad de formación de los productos es constante:

v = v3 = k3 [ES] = constante.

Como v1=v2+v3, podemos decir que:

k1[S] [ET] - k1 [S] [ES] = k2 [ES] + k3 [ES]

Despejando [ES], queda que:

 

 siendo kM = (K2 + K3) / K1, en donde la expresión (k2+k3)/k1 se ha sustituído por KM, o constante de Michaelis-Menten. Este enlace nos aporta una explicación sobre las razones que hacen de la KM un parámetro cinético importante.

 

Por lo tanto, en el estado estacionario, la velocidad de formación del producto es:

 

Para cualquier reacción enzimática, [ET], k3 y KM son constantes. Vamos a considerar dos casos extremos:

 

·         A concentraciones de sustrato pequeñas ([S] << KM) v = (k3 [ET]/KM) [S]. Como los términos entre paréntesis son constantes, pueden englobarse en una nueva constante, kobs, de forma que la expresión queda reducida a: v = kobs [S], con lo cual la reacción es un proceso cinético de primer orden.


·         A concentraciones de sustrato elevadas ([S] >> KM), v = k3 [ET]. La velocidad de reacción es independiente de la concentración del sustrato, y por tanto, la reacción es un proceso cinético de orden cero. Además, tanto k3 como [ET] son constantes, y nos permite definir un nuevo parámetro, la velocidad máxima de la reacción (Vmax): Vmax = k3 [ET], que es la velocidad que se alcanzaría cuando todo el enzima disponible se encuantra unido al sustrato.

 

 

Si introducimos el parámetro Vmax en la ecuación general de la velocidad, (la fórmula recuadrada anteriormente), obtenemos la expresión más conocida de la ecuación de Michaelis-Menten:

 

 

 

 

Hay enzimas que no obedecen la ecuación de Michaelis-Menten. Se dice que su cinética no es Michaeliana. Esto ocurre con los enzimas alostéricos, cuya gráfica v frente a [S] no es una hipérbola, sino una sigmoide (Figura de la derecha). En la cinética sigmoidea, pequeñas variaciones en la [S] en una zona crítica (cercana a la KM) se traduce en grandes variaciones en la velocidad de reacción.

 

 

 




10. Inhibición enzimática

 

La actividad de las enzimas puede inhibirse. Las moléculas que reducen la actividad de una enzima, denominadas inhibidores, incluyen  muchos fármacos, antibióticos, conservantes alimentarios y venenos. Las investigaciones de la inhibición enzimática y de los inhibidores llevada a cabo por los químicos son importantes por varías razones:

1.   la razón más importante, en los seres vivos la inhibición enzimática es un medio importante para regular las rutas metabólicas.

2.   numerosos tratamientos clínicos se fundamentan en la inhibición enzimática.

3.   El proceso de inhibición enzimática es útil para comprender los mecanismos de acción tóxica y farmacológica de algunos compuestos.

La inhibición enzimática puede producirse cuando un compuesto compite con el sustrato por el activo de la enzima libre, se une al complejo ES en un lugar separado del lugar activo, o se une a la enzima libre en un lugar separado del lugar activo. Se describen tres clases de inhibidores enzimáticos:

a.      Competitiva:

 Los inhibidores competitivos se unen de forma reversible a la enzima libre, y no al complejo ES, para formar un complejo enzima – inhibidor (EI).

Con frecuencia, el sustrato y el inhibidor compiten por el mismo lugar en la enzima. La concentración del complejo EI depende de la concentración del inhibidor libre y de la constante de disociación KI.

            Debido a que el complejo EI se disocia fácilmente, la enzima está disponible de nuevo para unir al estrato. La actividad de la enzima disminuye debido a que no se produce una reacción productiva durante el tiempo limitado que existe el complejo EI. El efecto de un inhibidor competitivo sobre la actividad puede invertirse aumentando la concentración de sustrato. A (S) elevadas, todos los lugares activados están llenos de sustrato y la velocidad de reacción alcanza el valor que se observa sin un inhibidor.

            Las sustancias que se comportan como inhibidores competitivos, es decir, que reducen la afinidad aparente de una enzima por el sustrato, suelen tener una estructura semejante a la del sustrato. Entre estas moléculas hay productos de reacción o análogos que no se metabolizan, o derivados del sustrato. La succinato deshidogenasa, una enzima del ciclo del ácido cítrico de Krebs, catalizan una reacción redox que convierten el succinato en fumarato.

b.     No Competitiva:

En algunos reacciones catalizadas por enzimas el inhibidor puede unirse tanto a la enzima como al complejo enzima – sustrato:

En estas circunstancias, que se denominan inhibición no competitiva, el inhibidor se une a un lugar diferente del lugar activo. La unión del inhibidor ocasiona la modificación de la conformación de la enzima que impide la formación del producto. Normalmente, los inhibidores no competitivos no afectan a la unión del sustrato y se parecen poco o nada a éste. Como con los inhibidores acompetitivos, la inhibición no competitiva sólo se invierte parcialmente aumentando la concentración de sustrato. La inhibición no competitiva normalmente implica dos o más sustratos. Las características de la inhibición que se observan pueden depender en parte de factores como el orden en el que se unen los diferentes sustratos. Además, para la unión de los inhibidores no competitivos existen dos determinaciones de KI.

            Dependiendo del inhibidor que se considere, los valores de estas constantes de disociación pueden ser o no equivalentes. Existen dos formas de inhibición no competitiva: pura y mixta. En la inhibición no competitiva pura, que es un fenómeno poco frecuente, ambos valores de KI son equivalentes. La inhibición no competitiva mixta es de forma característica más complicada debido a que los valores de KI son diferentes.

c.      Acompetitivos:

En la inhibición acompetitiva, el inhibidor sólo se une al complejo enzima – sustrato, y no a la enzima libre.

            La adicción de más sustrato a la reacción da lugar a un aumento de la velocidad de reacción, pero no hasta el grado que se observa en las reacciones sin inhibir. La inhibición acompetitiva suele observarse en las reacciones en las que las enzimas unen más de un sustrato.

d.      Análisis Cinético de la Inhibición Enzimática:

La inhibición competitiva, acompetitiva y no competitiva pueden diferenciarse fácilmente con representaciones dobles inversas.

En dos conjuntos de determinaciones de loa velocidad, la concentración de la enzima se mantiene constante. La inhibición competitiva aumenta la Km de la enzima y mantiene la Vmáx inalterada. En la inhibición acompetitiva se modifican ambas Km y Vmáx, aunque su cociente permanece igual. En la inhibición no competitiva, disminuye Vmáx y aumenta Km.


e.      Reversible:

En la inhibición reversible (es decir, inhibición competitiva, acompetitiva y no competitiva), el inhibidor puede disociarse de la enzima debido a que se une mediante enlaces no covalentes.

f.        Irreversible:

 Los inhibidores irreversibles normalmente se unen covalentemente a la enzima, con frecuencia a una cadena lateral del lugar activo.

g.      Alostérica:

La mayoría de las enzimas alostéricas son proteínas con varias subunidades. La unión del sustrato a un protómero en una enzima alostérica afecta a las propiedades de unión de los protómeros adyacentes. La actividad de las enzimas alostéricas se ve afectada por moléculas efectoras que se unen a otros lugares denominados lugares alostéricos o reguladores. Las enzimas alostéricas generalmente catalizan pasos reguladores clave de las rutas bioquímicas.

 




11. Efectores de las enzimas

 

a.      Covalente

 

Algunas enzimas se regulan por la interconversión reversible entre sus formas activa e inactiva. Estos cambios de la función están producidos por diversas modificaciones covalentes. Muchas de estas enzimas poseen residuos específicos que pueden estar fosforilados y desfosforilados. Por ejemplo, en un proceso controlado por hormonas, la forma inactiva de la enzima (glucógeno fosforilasa b) se convierte en la forma activa  (glucógeno fosforilasa a) por la adicción de un grupo fosfato a residuo específico de serina.

Otros tipos de modificaciones covalentes reversibles son la mutilación, la acetilción y la nucleotidilación (la adicción covalente de un nucleótido).           

 

b.     No Covalernte

 

·        Trifosfato de adenosina (ATP): la energía para la biosíntesis del ATP las proporcionan los protones al moverse hacia abajo en su gradiente electroquímico en una dirección bioenergéticamente favorable. El creador de este concepto, Meter Mitchell, se refería a esta fuente de energía como proticidad (en analogía con electricidad). La teoría quimiosmótica para la formación del ATP por fosforilación oxidativa implica dos operaciones diferentes. Primero, el transporte de electrones genera un gradiente de protones a través de una membrana impermeable. Segundo, los protones se  mueven hacia debajo de sus gradiente electroquímico, del exterior al interior de la mitocondria para energizar la f0ormación del ATP por la ATP sintasa. La ATP sintasa usa la corriente de protones para soportar la biosíntesis del ATP a partir de ADP y Pi.

 

·        Dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD), es un oxidante común en las reacciones catabólicas. NAD, que sirve de portadoras de hidrógeno en copiosas reacciones catalizadas por deshidrogenasas específicas del substrato. NAD+ se requiere en las principales vías metabólicas que culminan en la descomposición oxidativas de hexosas, aminoácidos y ácidos grasos. Participa además en la oxidación de otras substancias biológicas como etanol y retinol.




12. Cofactores de las enzimas

Cofactor:

Algunas enzimas dependen para su actividad catalítica además de la estructura proteica, de otras moléculas de naturaleza no proteica. Estas estructuras reciben el nombre de cofactores. Estos son resistentes al calor mientras que las proteínas generalmente no lo son.

El complejo enzima – cofactor recibe el nombre de holoenzima. A la fracción proteica aislada del cofactor que es inactiva se la denomina apoenzima. Los cofactores pueden ser simplemente iones metálicos o en algunos casos moléculas orgánicas complejas. Estas últimas el nombre de coenzimas.

            Las cadenas laterales de los aminoácidos de lugar activo son las responsables principales de catalizar las transferencias de patrones en las sustituciones nucleófidas. Para catalizar otras reacciones, las enzimas requieren cofactores no proteicos,  es decir cationes metálicos y coenzimas.

COFACTORES

 

molécula

papel en la reacción catalizada

Hierro Fe 2+ o Fe 3+

Oxidación / reducción

Cobre, Cu + o Cu 2+

Oxidación / reducción

Cinc, Zn2+

Ayuda a unir el NAD

 

Activadores Metálicos

Los metales importantes en los seres vivos son de dos clases: metales de transición y metales alcalinos y alcalinotérreos. Debido a sus estructuras electrónicas, los metales de transición suelen participar en la catálisis. Los metales alcalinos y alcalinotérreos con poca frecuencia forman complejos fuertes con las proteínas.

Varias propiedades de los metales de transición los hacen útiles en la catálisis. Los iones metálicos proporcionan una concentración elevada de cargas positivas que es especialmente útil para la unión de moléculas pequeñas. Debido a que los metales de transición actúan como ácidos Lewis (aceptadores de pares electrónicos), son eficaces electrófilos. Debido a que sus valencias dirigidas les permiten interaccionar con dos o más ligandos, los iones metálicos ayudan al sustrato a orientarse dentro del lugar activo. Como consecuencia, el complejo sustrato-ion metálico polariza al sustrato y estimula la catálisis. Finalmente, debido a que los metales de transición tienen dos o más estados de valencia, pueden actuar como mediadores en las reacciones de oxidación-reducción.

Activadores Metálicos.

Elemento

Enzima Activada

Zn++

Deshidrogenasas, anhidrasa carbónica, ARN y ADN polimerasas.

Mg++

Fosfohidrolasas, fosfotransferasas, fosfatasas.

Mn++

Arginasas, peptidasas, quinasas.

Mo

Nitratoreductasa, nitrogenasa.

Fe2+, Fe3+

Citocromos, catalasas, ferredoxina, peroxidasas, nitritoreductasa.

Cu2+

Citocromo oxidasa, tirosinasa, ácido ascórbico oxidasa, plastocianina

Ca2+

1,3 b glucansintetasa, calmodulina.

K+

Piruvato fosfoquinasa, ATPasa.

Co

Vitamina B12 hallada en microorganismos y animales, pero no en plantas. Importante en la fijación simbiótica de nitrógeno.

Ni

Ureasa.

 

 

Coenzimas:

                        Las coenzimas son moléculas orgánicas que tienen diversas funciones en la catálisis enzimática. La mayoría de las coenzimas derivan de las vitaminas, muchas de las cuales deben ser incorporadas con la dieta. Las vitaminas (nutrientes orgánicos que se requieren en cantidades pequeñas en la alimentación del ser humano) se dividen en dos clases: hidrosolubles y liposolubles. Además existen determinados nutrientes semejantes a las vitaminas (ácido lipoico, carnitina y ácido p- aminobenzoico) que pueden sintetizarse en pequeñas cantidades y que facilitan los procesos catalizados por las enzimas.

 

COENZIMAS

 

molécula

papel en la reacción catalizada

Biotina

transporta -COO-

Coenzima A

transporta -CH2-CH3

NAD y FAD

transportan electrones

 

 




13. Importancia biomédica

 

 

Sin enzimas, no sería posible la vida que conocemos. Igual que la biocatálisis que regula la velocidad a la cual tienen lugar los procesos fisiológicos, las enzimas llevan a cabo funciones definitivos relacionadas con salud y la enfermedad. En tanto que, en la salud todos los procesos fisiológicos ocurren de una manera ordenada y se conserva la homeostasis, durante los estados patológicos, esta última puede ser perturbada de manera profunda. Por ejemplo, el daño tisular grave que caracteriza a la cirrosis hepática pueden deteriorar de manera notable la propiedad de las células para producir enzimas que catalizan procesos metabólicos claves como la síntesis de urea. La incapacidad celular para convertir el amoniaco tóxico a urea no tóxica es seguida por intoxicación con amoniaco y por ultimo coma hepático. Un conjunto de enfermedades genéticas raras, pero con frecuencia debilitantes y a menudo mortales, proporciona otros ejemplos dramáticos de las drásticas consecuencias fisiológicas que pueden seguir al deterioro de la actividad enzimática, inclusive de una sola enzima.

 

Después del daño tisular grave (por ejemplo, infarto del miocardio o pulmonar, trituración de un miembro) o siguiendo a multiplicación celular descontrolada (por ejemplo, carcionoma prostatico), las enzimas propias de tejidos específicos pasan a la sangre. Por lo tanto, la determinacion de estas enzimas intracelulares en el suero sanguineo proporciona a los medicos informacion valiosa para el diagnostico y el pronostico.

 


 

 

 



14.- Bibliografía

 

  1. Bioquímica, Robert Roskoski, Jr. Editorial Mc Graw-Hill Interamericana.

 

  1. www.ehu.es/biomoleculas/ENZ/ENZ1.htm - 14k

 

  1. http://www.ehu.es/biomoleculas/ENZ/ENZ3.htm#mm

 

  1. soko.com.ar/Biologia/Enzimas.htm

 

  1. www.forest.ula.ve/~rubenhg/enzimas/ - 48k –

 

  1. Apuntes tomados en clase durante el ciclo 2005 A

 

  1. Harper Bioquímica Ilustrada, Robert K. Murria, Darryl K. Granner, 16ª edición traducida de la 26ª edición en ingles. Editorial manual moderno.

 

  1. McKee Trudy. Bioquímica. Ed. McGraw- Hill. 3a. Edición 2003.

 

  1. Claude A. Ville Biología. Séptima edición Editorial Interamericana

 

  1. Gregory R. Choppin Química. 16ª reimpresión de publicaciones cultural S.A.