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6. ENZIMAS. 6.1. Concepto y estructura. 6.2. Mecanismo de accin enzimtica. 6.3. Cintica enzimtica. 6.4. Regulacin de la actividad enzimtica: temperatura, pH, inhibidores. 6.5. Nomenclatura y clasificacin de las enzimas. 6.1. Concepto y estructura. Son las molculas protecas ms abundantes. Se encuentran en todo tipo de clulas y catalizan las reacciones qumicas de los seres vivos (biocatalizadores).Un catalizador es una sustancia que aumenta la rapidez o velocidad de una reaccin qumica, sin verse alterada ella misma en el proceso global. Son por tanto, las responsables del metabolismo celular. Son especficas de las reacciones que catalizan y de los sustratos que intervienen.

Los enzimas son catalizadores muy potentes y eficaces (aumentan la velocidad de las reacciones entre 103 y 109 veces). No llevan a cabo reacciones que sean energticamente desfavorables, no modifican el sentido de los equilibrios qumicos, sino que aceleran su consecucin. Simplemente se alcanza ms rpido el estado de equilibrio.

Podemos apreciar el poder de la catlisis enzimtica con un ejemplo: la descomposicin del perxido de hidrgeno en agua y oxgeno (2H2O2 2H2O + O2). Esta reaccin aunque fuertemente favorecida termodinmicamente, es muy lenta, a menos que sea catalizada. Se puede comprar una botella de una solucin de H2O2 y guardarla en un armario durante meses antes de que se degrade. Si aadiramos un trocito de in frrico (como FeCl3) la velocidad de la reaccin aumentara unas 1000 veces. La hemoglobina, que contiene hierro, es an ms eficaz para incrementar la velocidad de la reaccin. Si uno aplica la solucin a un corte de un dedo, observa un burbujeo inmediato de O2 liberado: la reaccin se est produciendo ahora un milln de veces ms rpidamente que el proceso sin catalizar. Pero pueden alcanzarse velocidades an ms altas. La catalasa, una enzima que tienen muchas clulas, aumenta la velocidad de descomposicin del H2O2 aproximadamente mil millones de veces. El H2O2 se produce en algunas reacciones celulares y es un peligroso oxidante, por lo que la catalasa ha evolucionado para defenderse de l.

Qumicamente son protenas simples de estructura terciaria o cuaternaria (globulares) o protenas conjugadas; en ste ltimo caso, la parte proteca se denomina apoenzima (inactiva, carece de los componentes qumicos apropiados para la actividad que debe realizar) y necesitan de un cofactor, que puede ser un in metlico o una molcula orgnica. La molcula orgnica si se une fuertemente a la apoenzima recibe el nombre de grupo prosttico, si se une dbilmente se llama coenzima. Al conjunto de apoenzima y cofactor se le denomina holoenzima.

Los coenzimas actan como un sustrato ms y participan en la reaccin modificndose qumicamente con ella; sin embargo, al considerar la secuencia de reacciones globales, el coenzima se recupera en los pasos siguientes. La mayor parte de los coenzimas son vitaminas, o las vitaminas forman parte de ellas, particularmente las del grupo B. No son especficas de un solo tipo de apoenzimas, dndose casos de algunas que pueden unirse a ms de 100 apoenzimas diferentes.

El apoenzima presenta una regin llamada centro activo en la que se acopla el sustrato y suele tener forma de hendidura o bolsillo, rodeada por cadenas laterales de aminocidos que facilitan la unin del sustrato y por otras cadenas laterales que intervienen en la catlisis. La compleja estructura terciaria de las enzimas hace posible que en este bolsillo se ajuste el sustrato de manera muy estrecha lo que explica la extraordinaria especificidad de la catlisis enzimtica. Los aminocidos que constituyen el centro activo pertenecen a zonas muy distantes de la cadena y representan una pequea fraccin del nmero total de aminocidos de la protena. El resto de la molcula es necesaria para mantener la molcula en posicin correcta y para suministrar lugares de unin adicionales con funcin reguladora (centros reguladores).

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6.2. Mecanismo de accin enzimtica.

La caracterstica peculiar que diferencia las enzimas del resto de las protenas es que inducen modificaciones qumicas en los sustratos a los que se unen, ya sea por rotura, formacin o redistribucin de sus enlaces covalentes, ya por introduccin o prdida de algn grupo funcional.

En toda reaccin qumica se da que las sustancias iniciales (S) se transforman en las sustancias finales (P),

S P

para ello tiene que ocurrir:

los reactivos, llamados sustratos en enzimologa, deben colisionar la colisin molecular debe ocurrir en una orientacin adecuada que las molculas de sustrato adquieran un estado intermedio llamado activado o de

transicin, donde se debiliten enlaces y se formen otros, lo que requiere un aporte energtico; esta energa se conoce como energa de activacin.

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La energa de activacin puede ser el calor. Aumenta el movimiento de las molculas y la energa, con lo que el nmero de molculas activadas se eleva y la reaccin se acelera (en muchas reacciones la velocidad se duplica por cada 10 C). En las clulas, la temperatura producira la muerte de la materia viva y adems se aceleraran indiscriminadamente millares de reacciones.

Las enzimas reducen la energa de activacin de las reacciones que pueden sufrir los sustratos y las clulas verifican sus reacciones a gran velocidad y temperatura relativamente bajas.

Una enzima es incapaz de hacer posible una reaccin que por s sola no lo es, modifica la velocidad, pero sin alterar el equilibrio.

Las enzimas consiguen velocidades extremadamente altas con gran especificidad y rendimiento.

Esta eficacia puede ser atribuida a varios factores:

el enzima sirve para aumentar la concentracin total de las molculas de sustrato en el centro activo y mantiene los tomos en la orientacin correcta para que se produzca la reaccin

una vez unidas las molculas de sustrato al enzima pasan por una serie de formas intermedias de geometra y distribucin electrnica muy inestables que origina su transformacin en los productos de la reaccin. Las enzimas ayudan a sus sustratos a alcanzar un estado de transicin particular acelerando marcadamente la velocidad (al unirse el sustrato al enzima se debilitan los enlaces del sustrato y no hace falta tanta energa para romperlos).

se liberan los productos quedando la enzima inalterada E + S ES E + P

As pues, las enzimas disminuyen la energa de activacin al formar un complejo con el sustrato para producir un estado de transicin o activado de menor energa que en el caso de que no estuvieran presentes.

La especificidad enzimtica se debe al centro activo. El acoplamiento entre el centro activo y el sustrato se ha comparado con el que existe entre una llave y su cerradura (propuesto por Fischer en 1890, teora de la llave-cerradura). En la actualidad (una cerradura no hace nada a la llave) se ha

probado que en algunas enzimas el centro activo es capaz de modificar su forma para adaptarse al sustrato, sera semejante a la introduccin de la mano en el guante; la enzima no acepta simplemente al sustrato, sino que tambin exige que el sustrato se distorsione a algo cercano al estado de transicin (ajuste inducido, propuesto por Koshland en 1958). Esta hiptesis implica la distorsin del enzima, as

como la del sustrato.

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6.3. Cintica enzimtica.

Si se representa la velocidad con que aparece el producto de una determinada reaccin enzimtica, en funcin de la concentracin de sustrato inicial, para una cantidad constante de enzima, se

obtiene la siguiente grfica.

Se aprecia que al aumentar la concentracin de sustrato, aumenta tambin la velocidad de la reaccin. Es lgico, ya que mientras exista enzima libre, a mayor nmero de molculas de sustrato, ms molculas de producto aparecern. Pero, como se observa, llega un momento en el que a pesar de que la concentracin de sustrato sigue aumentando, la velocidad no vara. Se alcanza la velocidad mxima. Esta situacin se debe a que no existen molculas de enzimas libres, todas estn unidas a molculas de sustrato formando complejos ES. La

enzima est saturada. A medida que se forman molculas de producto, las enzimas se liberan y pueden aceptar nuevas molculas de sustrato que estn a la espera.

En la reaccin enzimtica, la etapa limitante, la ms lenta, corresponde a la unin del sustrato al centro activo para formar el complejo ES, ya que es un proceso reversible. Existe, por tanto, una constante de equilibrio (Ke) para esta etapa.

Ke = (E)(S)/(ES)

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Para calcular esta constante, deberamos conocer la (E) y (ES), valores que no se pueden establecer directamente. No obstante, cuando la velocidad de la reaccin sea la mitad de la mxima, se cumple que (E) = (ES), o sea, el nmero de molculas de enzimas libres es igual al de molculas de enzimas ocupadas. En estas circunstancias, la Ke = (S).

La constante as obtenida se llama constante de Michaelis-Menten o KM, en honor a los pioneros en formular una teora global de la accin enzimtica y su cintica, y se define como la concentracin de sustrato para la cual la reaccin alcanza la mitad de la velocidad mxima.

La KM es caracterstica de cada enzima y cuanto menor sea su valor, mayor afinidad tendr la enzima por el sustrato, ya que se alcanza antes la mitad de la velocidad mxima.

6.4. Regulacin de la actividad enzimtica: temperatura, pH, inhibidores.

Las enzimas, como sustancias proteicas que son, van a ver condicionada su actuacin por determinados factores fsicos y qumicos. Algunos de estos factores son:

La temperatura. Como toda reaccin qumica, las reacciones catalizadas enzimticamente siguen la regla de Vant Hoff. Segn la cual, por cada 10C de aumento de temperatura, la velocidad de la reaccin se duplica. No obstante, las enzimas tienen una temperatura ptima en la que su actividad es mxima. En los animales homeotermos como el hombre, esta temperatura ptima coincide con la temperatura normal del organismo. Las temperaturas inferiores al valor ptimo dan lugar a una disminucin de la vibracin molecular que hace ms lento el proceso, mientras que temperaturas superiores a la ptima pueden provocar la desnaturalizacin y prdida de su funcionalidad

El pH, que al influir sobre las cargas elctricas, podr alterar la estructura del centro activo y, por lo tanto, tambin influir sobre la actividad enzimtica. Cada enzima tiene un pH ptimo de actuacin. Los valores por encima o por debajo de este valor ptimo provocarn

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un descenso de la velocidad enzimtica, debido a cambios elctricos en los radicales de los aminocidos que configuran el centro activo. Por debajo y por arriba del pH ptimo se produce la desnaturalizacin de la enzima anulndose su actividad. Algunos enzimas presentan variaciones peculiares. La pepsina del estmago, presenta un ptimo a pH = 2, y la fosfatasa alcalina del intestino un pH = 12.

Los inhibidores. Determinadas sustancias van a poder actuar sobre las enzimas disminuyendo o impidiendo su actuacin. Estas sustancias son los inhibidores. Se trata de molculas que se unen a la enzima impidiendo que sta acte sobre el substrato. La inhibicin puede ser irreversible, cuando el inhibidor, llamado en este caso veneno metablico, se une covalentemente al enzima, alterando su estructura e inutilizndola de forma permanente (los insecticidas organofosforados inhiben la acetilcolinesterasa, o el cianuro a la citocromo oxidasa). La inhibicin reversible, ms comn, tiene lugar cuando la enzima vuelve a tener actividad una vez eliminada la sustancia inhibidora. En este caso, la unin del inhibidor con el enzima se realiza por enlaces no covalentes, ms fciles de romper. Existen dos tipos de inhibicin reversible:

Competitiva. El inhibidor se une al centro activo impidiendo la unin del sustrato. Existe una competencia entre ambos para ocupar el centro activo. El grado de inhibicin depender de la proporcin relativa entre sustrato e inhibidor. El inhibidor debe ser anlogo (parecido) al sustrato para poder unirse al centro activo. Su accin se anula al aumentar la concentracin de sustrato.

No competitiva. Cuando el inhibidor se une reversiblemente a un punto diferente del centro activo pero con su actuacin modifica la estructura del enzima al tiempo que dificulta el acoplamiento del sustrato. En otras ocasiones, el inhibidor se une al complejo enzima-sustrato, una vez creado ste, e impide la posterior formacin del producto. Este tipo de inhibicin no depende de la concentracin de sustrato.

Es frecuente que el inhibidor sea el propio producto de la reaccin enzimtica o el producto final de una cadena de reacciones. Cuando se trata del producto final, recibe el nombre de retrorregulacin o feed-back.

6.5. Nomenclatura y clasificacin de las enzimas.

Las enzimas se nombran formulando el sustrato sobre el que actan, el coenzima si interviene

alguno, el tipo de reaccin catalizada y aadiendo la terminacin asa. Ej, Acetil-CoA-carboxilasa.

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1. xido-reductasas ( Reacciones de oxido-reduccin).

Si una molcula se reduce, tiene que haber otra que se oxide

2. Transferasas (Transferencia de grupos funcionales)

grupos aldehidos gupos acilos grupos glucosilos grupos fosfatos (kinasas)

3. Hidrolasas (Reacciones de hidrlisis)

Transforman polmeros en monmeros. Actan sobre: enlace ster enlace glucosdico enlace peptdico enlace C-N

4. Liasas (Adicin a los dobles enlaces)

Entre C y C Entre C y O Entre C y N

5. Isomerasas (Reacciones de isomerizacin)

6. Ligasas (Formacin de enlaces, con aporte de ATP)

Entre C y O Entre C y S Entre C y N Entre C y C

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