ii. iu.iiproteinasenzimascoenzimas

8/4/2019 II. IU.IIPROTEINASENZIMASCOENZIMAS

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PROTENAS, ESTRUCTURA Y FUNCIN

Las protenas, debido a su importancia nutricional, se han convertido en foco de

estudio de los tecnlogos de alimentos en el mundo. La palabra protena significa ser

primero, lo que indica la importancia de estos compuestos para la vida.

Las protenas desempean un papel muy importante en las funciones

biolgicas de los seres vivos. Mencionaremos slo algunas de ellas.

Catlisis enzimtica. Casi todas las reacciones qumicas que se llevan a

cabo en las clulas vivas estn catalizadas por macromolculas proteicas

llamadas enzimas.

Transporte. Muchos compuestos son transportados por protenas dentro de

los organismos vivos. Un ejemplo clsico es el transporte de oxgeno por la

hemoglobina.

Estructurales. Muchas protenas forman parte del tejido conectivo de los

animales, como son la piel, el pelo y otros tejidos rgidos estructurales; por

ejemplo, el colgeno, la elastina, la queratina.

Constituyentes de la sangre. La sangre est constituida por distintas

protenas que desempean funciones diversas.

Hormonas. Algunas hormonas, como la insulina, estn constituidas por

aminocidos.

Proteccin inmune. Los anticuerpos son protenas altamente especficas

que reconocen a sustancias extraas, como virus y bacterias,

proporcionando, de esta forma, proteccin a los organismos.

Contraccin muscular. La contraccin muscular se lleva a cabo con la

participacin de protenas, co-mo la miosina y actina.

Por su composicin,las protenas pueden ser:


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PROTENAS, ESTRUCTURA Y FUNCIN

Conjugadas. Estn constituidas por un componente polipeptdico asociado a

otro no peptdico que puede ser orgnico o inorgnico, al cual se le denomina

grupo prosttico. Este grupo puede ser un carbohidrato y constituye una

glicoprotena; un ion metlico, que conforma una metaloprotena; una flavina,que origina una flavoprotena, etc.

No conjugadas. Son protenas constituidas solamente por aminocidos.

Por su solubilidad y forma, las protenas se clasifican en:

Fibrosas. Estn constituidas por cadenas polipeptdicas largas y

entrelazadas, formando una especie de cuerdas que integran hilos o

filamentos plurimoleculares y, por lo general, son insolubles en agua. Estas

protenas se encargan de la contraccin muscular y constituyen la estructura

de los organismos.

Globulares. Son protenas cuyas cadenas polipeptdicas estn curvadas

sobre s mismas, de tal mane-ra que constituyen estructuras mucho ms

compactas que las fibrosas. Estas son, generalmente, ms solubles que las

fibrosas, pero tambin son mucho ms delicadas.


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Aminocidos

Los aminocidos son los monmeros y principales constituyentes de las protenas. Un

aminocido es un compuesto que tiene en su misma estructura un grupo carboxilo yun grupo amino. Todos los aminocidos constituyentes de protenas son -

aminocidos porque los grupos carboxilo y amino se en-cuentran en el carbono alfa

(C ) de la molcula. La prolina es un -aminocido debido a que el grupo amino

interacciona y forma un anillo heterocclico. Con excepcin de la glicina, todos los -

aminocidos presentan un carbono asimtrico y, por tanto, existen en dos formas

pticamente activas: ismeros D y L, en similitud con la estructura qumica del

gliceraldehdo. Los aminocidos que tienen actividad biolgica son los de la

configuracin L.

Estructura de los aminocidos

Los aminocidos tienen estructura tetradrica debido a que el carbono presenta una

hibridacin sp3.

C6 1s2, 2s2, 2px1, 2py1 (estado basal)

C6 1s 2, 2s1, 2px1, 2py1, 2pz1 (estado excitado)

C6 1s 2, 2(sp3)1, 2(sp3)1, 2(sp3)1, 2(sp3)1 (estado hbrido)

FIGURA 2.1

Aminocidos y el efecto del pHEn solucin acuosa, los -aminocidos estn ionizados y forman lo que a veces se

conoce como una sal interna o zwitterion:


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El grupo carboxilo pierde un protn quedando cargado

negativamente, mientras que el grupo amino adquiere una

carga positiva al aceptar un protn. La proximidad inmediata

del grupo carboxilo al grupo amino propicia esta ionizacin y

genera que los aminocidos tengan un momento dipolar alto

que hace que la mayora de ellos sean muy solubles en agua.Para cada aminocido y para la mayora de las protenas hay

una concentracin peculiar de iones de hidrgeno cuando las

cargas negativas estn exactamente balanceadas por cargas

positivas. En dicho pH, conocido comopunto isoelctrico, no

se mueve cuando se les somete a electroforesis y poseen

entonces su solubilidad mnima.

Ya que los aminocidos y las protenas aceptan fcilmente o

liberan H+ (dependiendo del pH de la solucin), actan como

amortiguadores y tienen tendencia a resistir grandes cambios

en el pH cuando un cido se agrega o es removido de una

solucin. En clulas y en plasma sanguneo, las protenas desempean un papel vital

en los cambios de pH al funcionar como amortiguadores, evitando que dichos

cambios ocurran; esto es importante porque la actividad de algunas enzimas se afecta

grandemente por el pH.

Clasificacin de los aminocidos

De acuerdo con los grupos radicales, podemos clasificar los aminocidos como sigue:


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Aminocidos alifticos

Glicina (Gly) Alanina (Ala) Valina (Val) Leucina (Leu) Isoleucina (Ile)

Aminocidos con grupos hidroxilo o azufre en sus cadenas

Serina (Ser) Cistena (Cys) Treonina (Thr) Metionina (Met)

Aminocidos aromticos

Fenilalanina (Phe) Tirosina (Tyr) Triptfano (Trp)Aminocidos bsicos

Histidina (His) Lisina (Lys) Arginina (Arg)

Aminocidos cidos y sus amidas correspondientes

Aspartato (Asp) Glutamato (Glu) Asparragina (Ans) Glutamina (Gln)


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Iminocido

Prolina (Pro)

Protenas

Las protenas de todas las especies biolgicas, desde virus, bacterias, hongos,

vegetales, hasta el hombre, estn constituidas de solamente veinte aminocidos, cuya

diversidad biolgica se debe a las combinaciones posibles de esa veintena de

aminocidos. A una combinacin determinada de amino-cidos se le conoce comoestructura primaria de una protena.

Estos aminocidos se unen entre s por medio de enlaces peptdicos (el grupo

- carboxilo de un aminocido se une con el - amino de otro aminocido) como se

muestra:

Enlace peptdico o amdico


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Estas cadenas de aminocidos no presentan ramificaciones y sus extremos son

diferentes, tomndose el extremo amnico como el inicio de la cadena polipeptdica y

el grupo carboxilo como el final.

Si se observa, hay una secuencia que se repite constantemente:

Esta secuencia repetitiva constituye la columna vertebralde una protena en donde

los grupos Rvaran de acuerdo con el aminocido de que se trate.

Por medio de tcnicas de difraccin de rayos X se ha encontrado que el enlace

peptdico C - N tiene carcter de doble enlace (40%), debido a la resonancia existente

entre O - C - N. A causa de esta resonancia, el enlace C - N de las protenas es ms

corto que en otros compuestos orgnicos e inorgnicos. Esto le da al enlace peptdico

una rigidez y no puede rotar libremente.

Los dipolos que se forman entre C = O y N - H estn en posicin trans.

Normalmente los en-laces peptdicos son de configuracin trans, ya que la cis es poco

estable. En los C se observa que los radicales tambin estn en posicin trans,

sobre todo si stos son muy voluminosos, lo que provocara un impedimento estrico.


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Los cuatro tomos del enlace peptdico (O = C - N - H) y los dos tomos de C

contiguos estn en un mismo plano espacial; en otras palabras, el enlace peptdico es

coplanar. Esta ordenacin planar es rgida y es el resultado de la estabilidad delenlace peptdico a travs de su resonancia.

Estructura de las protenas

Las propiedades y caractersticas de las protenas, ya sean inmunolgicas,

hormonales, enzimticas o nutritivas, dependen fundamentalmente de la

conformacin en que se encuentren; es decir, para que una protena realice su

funcin biolgica es necesario que tenga una conformacin especfica y nica. La

destruccin de dicha conformacin trae consigo la prdida de su actividad biolgica.

1) Estructura primaria

La estructura primariaest determinada por la secuencia de aminocidos; es decir,

por el nmero, clase de aminocidos y por el orden como estn enlazados. Las

protenas ms frecuentes son cadenas lineales de 100 a 300 aminocidos, aunque

algunas cadenas proteicas llegan a rebasar los 800, como la miosina o la fosforilasa.

Los aminocidos de una secuencia se enumeran empezando por el extremo amnico

libre, que es el mismo orden como se ensamblan durante la sntesis biolgica de las

protenas. La naturaleza y propiedades de los aminocidos ordenados en la

estructura primaria condiciona las estructuras de orden superior. Conocer la

secuencia de aminocidos es importante porque nos permite determinar el

mecanismo de accin de dicha protena. Se sabe tambin que la estructura

tridimensional depende de las atracciones o repulsiones de los grupos radicales de

los aminocidos que la constituyen y esto permite descubrir las leyes que rigen losplegamientos de las cadenas polipeptdicas. Las alteraciones en la secuencia de

aminocidos trae como consecuencia una protena con una estructura tridimensional

diferente, lo que a su vez ocasiona una anomala en su funcin y esto se manifiesta

como una enfermedad; por ejemplo, la anemia falciforme, la hemofilia o cualquiera

otra de las enfermedades conocidas como errores innatos del metabolismo. La


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secuencia de aminocidos se deduce a partir de la secuencia de nucletidos que

constituyen al RNA mensajero, el cual, a su vez, es transcrito a partir del DNA gnico

que codifica la biosntesis de una protena.

2) Estructura secundaria

La estructura secundaria se refiere a la posicin relativa de las cadenas polipeptdicas

en el espacio, las cuales se estabilizan por medio de puentes de hidrgeno entre los

aminocidos que la constituyen. En esta estructura se incluyen la -hlice, lmina

plegada- , hlice de colgena, estructura al azary el giro .

-Hlice dextrgira. La gran mayora de las protenas tiende a formar hlices- enlas que una vuelta completa de la hlice contiene aproximadamente 3.6 aminocidos,

quedando los radicales orientados en forma perpendicular hacia el exterior del eje

central. Las hlices presentan la menor energa libre y, por tanto, son las formas

ms estables de estructura secundaria de una protena. Los carbonilos e iminos de


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los enlaces peptdicos de la -hlice tienen la capacidad de formar puentes de

hidrgeno intramoleculares participando todos ellos.

Estos puentes de hidrgeno son paralelos al eje de la hlice y a pesar de que su

energa en forma individual es muy baja, su alto nmero en cada protena contribuye

de manera importante a la estabilidad de la estructura, por ello se dice que son

cooperativos. La -hlice se favorece y estabiliza por la presencia de los

aminocidos alanina, leucina, fenilalanina, tirosina, triptfano, cistena, metionina,

histidina, asparagina, glutamina y valina, mientras que la prolina y la hidroxiprolina,

por tener su grupo amino constituyendo una estructura cclica, confiere rigidez, lo que

impide la formacin de la -hlice.

El segundo tipo de la estructura secundaria es la conformacin laminar- y se

presenta en la familia de las protenas llamadas queratinas. En esta estructura cada

cadena polipeptdica adopta una conformacin en zig-zag extendida, de tal manera

que pueden existir varias molculas de protenas alineadas, paralela o

antiparalelamente, produciendo lminas plegadas que se unen transversalmente por

puentes de hidrgeno intermoleculares. Todos los enlaces peptdicos contribuyen a la


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formacin de puentes de hidrgeno, lo que le da gran estabilidad a este tipo de

estructura. Los grupos radicales de los aminocidos se localizan por encima o por

debajo de los planos en zig-zag. Las cadenas polipeptdicas paralelas se desarrollanen direccin N terminal al Cterminal, mientras que en la antiparalela las cadenas se

extienden en direccin opuesta.

Lmina antiparalela


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Lmina paralela

Otro tipo de estructura secundaria se presenta en las hlices de la colgena, una

protena fibrosa y muy rgida que se encuentra abundantemente en el tejido conectivode los animales superiores. Debido a su alto contenido de prolina e hidroxiprolina, la

protena no adquiere la conformacin de -hlice, sino que forma una estructura que

consiste en una triple hlice de cadenas polipeptdicas; cada una de las hlices es

una cadena enrollada hacia la izquierda y se mantienen unidas por puentes de

hidrgeno intermoleculares.

Elcolgeno realiza una serie de funciones muy amplia, es la protena ms abundante

en la mayora de los vertebrados. Las fibras de colgeno forman la matriz de los

huesos sobre la que precipitan los constituyentes minerales, estas fibras constituyen

la mayor parte de los tendones. Bsicamente el colgeno mantiene unidos a la

mayora de los animales.


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La unidad bsica de la fibra de colgeno es la molcula de tropocolgeno una hlice

triple de tres cadenas polopeptdicas, cada una de ellas con aproximadamente 1000

residuos.

Las cadenas individuales son

hlices a la izquierda con

aproximadamente 3.3 residuos

por vuelta. Tres de estas cadenas

se enredan a la derecha unas

alrededor de las otras. El examen

del modelo revela que cada tercer

residuo que debe encontrarse en

el centro de la triple hlice solo

puede ser glicina, esta formacin

tambin resulta favorecida por la

presencia de prolina o

hidroxiprolina en la molcula de

tropocolgeno. Un conjunto que

se repite es Gly-X-Y donde X

suele ser prolina e Y prolina o hidroxiprolina.

Estructura al azar. Cuando no existen puentes de hidrgeno que restrinjan la

libre rotacin de la cadena, la protena puede adquirir conformaciones que estn

controladas por factores como tempe-ratura, pH, presencia de sales y la naturaleza

del disolvente en que se encuentre. A la conformacin de las protenas en este estado

de libertad se le designa al azary normalmente se alcanza cuando hay un procesode desnaturalizacin del polipptido.


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Giro . Los acodamientos en las protenas globulares ocurren por las

inversiones en la direc-cin de las cadenas polipeptdicas. Dichas inversiones se

deben a los giros .

Estructura supersecundaria. En diferentes protenas globulares se observan

asociaciones locales ti-picas, formadas por hojas plegadas (paralela o antiparalela),

conectadas entre s mediante segmentos al azar o en -hlice. Estas asociaciones

locales se denominan estructuras supersecundarias. Por ejemplo, en muchas

protenas se encuentran segmentos de hoja plegada- separados entre s por un

segmento -helicoidal; este grupo se denomina unidad . Las estructurassupersecundarias se consideran como ordenamientos intermedios entre estructuras

secundaria y terciaria, como se muestra en la figura.

x Meandro Estructura de Rossman

FIGURA 2.3

La mayora de las protenas no presentan un solo tipo de estructura secundaria, sino

que contienen diferentes porcentajes de 2 3 de ellas en forma combinada.

FIGURA 2.2


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3) Estructura terciaria

La estructura

terciaria dacuenta de la

conformacin

global de la

cadena

polipeptdica.

Esta estructura

se refiere al

modo como la

cadena

polipeptdica se

curva o se pliega

sobre s misma

para formar una estructura compacta caracterstica de las protenas globulares. En las

protenas fibrosas cada cadena peptdica tiene forma de hebra alargada. En muchas

protenas, los aminocidos que componen esta hebra tienen estructura secundaria de

-hlice dextrgira (miosina, -queratina del cabello), pero la hebra presenta una

torsin longitudinal levgira que le permite trenzarse con otras hebras paralelas. Las

fuerzas que le dan estabilidad a la estructura terciaria son los enlaces disulfuro,

fuerzas de atraccin ion-ion entre las cadenas laterales, fuerzas de atraccin ion-

dipolo, puentes de hidrgeno de los enla-ces peptdicos que ocurren en las regiones

helicoidales y laminares, interacciones entre grupos prostticos, interacciones

hidrofbicas e interacciones hidroflicas. En general, esta estructura se adoptaespontneamente porque representa un mnimo de energa libre.

4) Estructura cuaternaria

La estructura cuaternaria no existe en todos los polipptidos y se refiere a la

asociacin de 2 o ms cadenas de protenas (monmeros) para integrar la protena


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completa. Esta asociacin resulta estable debido a la forma de los monmeros, que

les permite encajar coordinadamente en un todo y a las fuer-zas que los mantiene

unidos: hidrofbicas, polares, puentes de hidrgeno y puentes disulfuro.En las protenas fibrosas la estructura cuaternaria est constituida por la

asociacin de varias hebras que integran una fibra o soga. As, la miosina o la

tropomiosina constan de dos hebras en -hlice enrolladas en una fibra levgira. La

-queratina (fibrona de la seda) presenta varias hebras plegadas en hoja

orientadas en forma antiparalela. El colgeno est formado por 3 hebras helicoidales

levgiras, que se entrelazan para formar una fibra dextrgira. En las protenas

globulares se asocian, en nmero discreto, varios monmeros que pueden ser

idnticos, semejantes o diferentes. Por ejemplo, la hexocinasa de levadura consta de

dos monmeros iguales que integran una unidad; las distintas hemoglobinas humanas

la integran cuatro monmeros iguales 2 a 2.

Ventajas de la estructura cuaternaria

Una de las funciones que presentan algunos oligmeros es la de regular

algunas rutas metablicas por interconversin de las enzimas que catalizan

dichas rutas entre estados asociados y disociados, que pueden ser activoso inactivos. Por ejemplo, la cinasa de las protenas, que regula la formacin

del complejo de iniciacin de la traduccin, est constituida por un tetrmero

inactivo R2C2 que se activa por medio del cAMP, como se muestra.

Otro aspecto importante de las estructuras oligomricas es el de

cooperatividad. La hemoglobina refleja un grado muy intenso de

cooperatividad positiva, se sabe que cada interaccin de O2-hemo facilita la

siguiente, con un factor de promocin de alrededor de 400 para la ltima

molcula de oxgeno que se fija:


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Otra ventaja de la estructura oligomrica es la generacin de formas

hbridas de una protena. Cuando las distintas cadenas polipeptdicas se

asocian para formar un oligmero, hay ocasiones en las que stas se asocian

en diferentes proporciones y forman estructuras oligomricas hbridas

llamadas isoenzimas que catalizan la misma reaccin qumica, pero lo hacen

en diferente magnitud o con diferente eficiencia; por ejemplo, la lactato

deshidrogenasa (LDH) es un tetrmero que puede existir en cinco formas

hbridas: H4, H3L, H2L2, HL3 y L4. La unidad H predomina en corazn (Heart), la

unidad L predomina en el hgado (Liver). Catalizan la reaccin,

Asociaciones supramoleculares

Existen asociaciones de molculas proteicas con carcter indefinido que no son

consideradas como partculas discretas. Por ejemplo, la fibrina; los monmeros de

esta protena se unen mediante enlaces covalentes y forman la red caracterstica del

trombo o cogulo sanguneo. Otros ejemplos ms complejos incluyen asociaciones de

protenas con otros tipos de biomolculas: con azcares en los proteoglicanos y los

pptidoglicanos; con lpidos en las membranas biolgicas; con cidos nucleicos en los

ribosomas, los virus o los nucleosomas.

En la siguiente pgina encontraras un banco de datos de protenas con 49 426estructuras de protenas http://www.rcsb.org/pdb/
http://www.rcsb.org/pdb/http://www.rcsb.org/pdb/


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Desnaturalizacin de las protenas

La conformacin original de las protenas globulares est sujeta a alteraciones por

diversos agentesqumicos, fsicos o

fisicoqumicos, sin

que esto cambie la

secuencia de

aminocidos. Esta

prdida de la

conformacin

original se llama

desnaturalizacin

y, generalmente,

va acompaada de

una prdida de la

funcin o actividad biolgica. Por esto es importante manejar adecuadamente las

protenas (enzi-mas): mantenerlas a una temperatura y pH convenientes, evitar

agitacin brusca, etc. Es preciso, por consiguiente, seguir estos pasos:

Todas las manipulaciones deben efectuarse a baja temperatura para evitar la

desnaturalizacin trmica.

Las protenas deben almacenarse en congelamiento a temperaturas de -20 a

-80 C.

Deben utilizarse amortiguadores para mantener el carcter poli-inico de las

protenas.

Deben evitarse los manejos bruscos como las sacudidas.


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Enzimas. 3.1 Enzimas. Clasificacin y nomenclaturaLas enzimas son catalizadores formados por la clula, pero capaces de funcionar in

vitro si las condiciones son

apropiadas. La mayora son de

naturaleza proteica, aunque se han

encontrado molculas de RNA que

poseen actividades enzimticas

llamadas ribozimas (intron grupo I,

intron grupo II, virus delta de

hepatitis).

Las molculas del sustrato se unen aun sitio particular en la superficie de

la enzima, denominado sitio activo,

donde tiene lugar la catlisis. La

estructura tridimensional de este sitio

activo, donde solo puede entrar un

determinado sustrato (ni siquiera sus

ismeros) es lo que determina la

especificidad de las enzimas. El acoplamiento es tal que E. Fisher (1894) enunci: "el

sustrato se adapta al centro activo o cataltico de una enzima como una llave a

una cerradura".


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Reaccin catalizada por la Trifosfato Isomerasa

Gliceraldehdo-3-Fosfato Intermediario Enediol o enediolato Dihidroxiacetona fosfato

A continuacin se muestra el sitio activo de la enzima Trifosfato Isomerasa Losestudios cristalogrficos de la enzima de levadura indican que la histidina 95 estunida por dos puentes de hidrgeno al la DIHIDROXIACETONAFOSFATO, lo cualpermite la protonacin del oxgeno carbonlico del GLICERALDEHDO-3-FOSFATO:

Por otra parte, estudios de resonancia magntica nuclear (NRM) indican queesta His 95 est en su forma neutral imidazol en vez de la forma imidazolioprotonada. Pero, cmo un grupo imidazol N3-H, el cual tiene un p Kaltamente bsicode 14.0, protona a un oxgeno carboxlico que cuando se protona tiene un pKmuy


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cido de < 0? Y del mismo modo, cmo puede el carboxilato del Glu 165 (p K6.5)sustraer el protn del C2 (pK 17) del GLICERALDEHDO-3-FOSFATO?. Una posibleexplicacin es que el intercambio del protn est facilitado por la formacin de una

intensa barrera de puentes de hidrgeno. Esta inusual asociacin tan fuerte (-40 a 80kJmol-1 vs 12 a -30kJmol-1 para puentes de hidrgeno normales) se formacuando los pKs del donador y aceptor son muy parecidos.

En el caso ms sencillo, la reaccin ocurrir si una solucin de la enzima es agrega-

da a su sustrato, mantenidos a una temperatura y un pH adecuados. Poseen tres

caractersticas:

1) Las enzimas tienen un enorme poder cataltico. Son los catalizadores ms

eficientes que se conocen; bastan cantidades muy pequeas

(micromoleculares) para acelerar una reaccin en forma impresionante.

2) Las enzimas son muy especficas. Una enzima cataliza normalmente una

sola reaccin qumica o un grupo de reacciones estrechamente relacionadas.

El grado de especificidad del sustrato es muy elevado y a veces absoluto.


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Esto significa que, prcticamente, cada enzima acta sobre un determinado

sustrato para formar un producto nico.

3) La actividad cataltica de muchas enzimas est regulada. La accin demuchas enzimas es regulada; es decir, puede cambiar alternativamente de un

estado de baja actividad a otro de gran actividad. Esta forma de regulacin

puede ser mediante enzimas alostricas, por enzimas controladas por

protenas reguladoras o enzimas modificadas covalentemente:

a) Enzimas alostricas. Son enzimas que aparte del sitio activo tienen otro,

llamado sitio alostrico al cual se une un compuesto para regular su

actividad. A este compuesto se le conoce como modulador y puede ser

positivo cuando aumenta la actividad de la enzima o negativo cuando

disminuye la actividad de la enzima.

b) Enzimas controladas por protenas. Algunas enzimas estn controladas

por protenas reguladoras que pueden estimularlas o inhibirlas. La actividad

de muchas enzimas est regulada por la calmodulina, una protena a la

cual se le une el calcio y la transforma de una forma inactiva a otra activa.

Posteriormente, esta calmodulina activada se une a otras protenas o

enzimas, modificando as su actividad.

c) Enzimas modificadas covalentemente. La modificacin covalente

constituye un mecanismo de regulacin enzimtica. Por ejemplo, laactividad de las enzimas que sintetizan y degradan el glucgeno estn

reguladas por la introduccin de un grupo fosforilo unido a un residuo de

serina. Este es un ejemplo de modificacin covalente de enzimas por

fosforilacin-desfosforilacin. En las enzimas de vas degradativas, las

formas fosforiladas son ms activas. En los procesos biosintticos

ocurre lo contrario.


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Algunas enzimas son biosintetizadas en forma de precursores

inactivos llamados zimgenos, y son activadas en un lugar fisiolgicamente apropiado. Esta activacin puede ser por la ruptura de un

enlace peptdico; por ejemplo, el tripsingeno que se transforma en tripsina

o las enzimas que intervienen en los procesos de coagulacin, muchas de

ellas son zimgenos.

Nomenclatura de las enzimas

Algunas enzimas tienen nombres triviales como pepsina, renina, quimiotripsina. Sinembargo, la mayo-ra de las enzimas se nombran con la terminacin asa, tomando en

cuenta el tipo de reaccin que catalizan; por ejemplo, la ureasa, que cataliza la

hidrlisis de la urea.

En 1965 se elabor un esquema de nomenclatura en el cual las enzimas se

dividen en seis cla-ses principales tomando en cuenta el tipo de reaccin que

catalizan. Esta clase se divide en subclases y subsubclases, de tal manera que cada

enzima tiene cuatro dgitos: el primero se refiere a la clase principal, el segundo y el

tercero se refieren a la subclase y subsubclase, respectivamente, y el ltimo

representa el nmero particular de la enzima.

Tabla 2.1 Nomenclatura de enzimas

Clase principal Tipo de reaccin catalizada

1. Oxidorreductasas Agregan o sustraen electrones, oxgeno o

hidrgeno. Ejemplo: oxidasas, deshidrogenasas.

2. Transferasas Transfieren un grupo de tomos de una molculaa otra o dentro de la misma molcula. Toda

enzima que catalice la formacin de un enlace sin

gasto de ATP se debe llamar sintasa y se clasifica

como transferasa.

3. Hidrolasas Rompen una molcula en dos por accin del


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agua.

4. Liasas Remueven grupos no hidrolticamente. Se

incluyen reacciones en las que se elimina aguapara dejar enlaces dobles o en las que se agrega

agua a dichos enlaces.

5. Isomerasas Llevan a cabo redistribucin de tomos o de

grupos de tomos dentro de una molcula

interconvirtiendo diversos isomeros, ejemplo: cis

trans, L D, aldehdo cetona.

6. Ligasas Unen dos molculas formando un enlace aexpensas del ATP como molcula de alta energa

(sintetasas).

Ejemplo:

1. Oxidorreductasa|

1.1 Provoca el rompimiento o deshidrogenacin entre H - C- OH

1.1.1 Utiliza como coenzima el NAD

1.1.1.27 Nmero particular de la lactato deshidrogenasa.

En la siguiente direccin puedes acceder para encontrar la nomenclatura de acuerdoa la Unin Internacional de Bioqumica,

http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/

Las siguientes reacciones muestran la participacin de enzimas de cada clase.1. Oxidorreductasa
http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/


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2. Transferasa

3. Hidrolasa

4. Liasa

5. Isomerasa

6. Ligasa

3.2 Coenzimas y cofactores. Enzimas que dependen de cofactores


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Muchas enzimas requieren de la cooperacin de sustancias no proteicas llamadas

cofactores. El conjunto de la enzima (protena) y su cofactor se llama holoenzima y

manifiesta su mxima actividad cataltica. La enzima despojada de su cofactor seconoce como apoenzima y tiene una actividad cataltica baja o nula. Hay cofactores

inorgnicos que a menudo son iones, como Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Cu2+, K+, Na+; y

cofactores orgnicos a los cuales se les llama coenzimas, stas son de particular

importancia en la nutricin de los mamferos, ya que la mayora son vitaminas

hidrosolubles o se forman a partir de ellas. Mencionaremos algunas y el tipo de

reaccin en que participan.

Tabla 2.2 Coenzimas

Coenzima Tipo de reaccin Grupo transferidoPrecursor de la

vitamina

Nicotinamidaadenindinucletido(NAD+)

Oxidorreduccin H+(electrones) Niacina

Nicotinamidaadenindinucletidofosfato (NADP+)

Oxidorreduccin H+(electrones) Niacina

Flavinadenindinucletido (FAD); flavinmono-nucletido (FMN)

Oxidorreduccin H+(electrones)Riboflavina (B2)

Grupo heme delcitocromo (cuandocontiene hierro)

Oxidorreduccin Electrones

Coenzima AActivacin y transferencia

de grupos acilo

O| |

R - C -Ocido pantotnico

cido lipoicoTransferencia de grupos

acilo

O| |

R - C -O

Pirofosfato de tiaminaTransferencia de grupos

acilo

O| |

R - C -OTiamina (B1)

Biotina Fijacin de CO2 CO2 Biotina (H)

Fosfato de piridoxalTransaminacin deaminocidos y otras

reacciones- NH2 Piridoxal (B6)

cido tetrahidroflicoMetabolismo de fragmentos

de un carbono- CH3; - CH2 -; o

- CHOcido flico

Coenzimas decobalamina

Especializada B12


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LAS COENZIMAS Y SUS FUNCIONES

Muchas enzimas requieren cofactores para realizar su actividad. La actividadcataltica de muchas enzimas depende de la presencia de pequeas molculasllamadas cofactores.Una enzima sin su cofactor se denomina apoenzima la enzima completa con sucofactor se denomina holoenzima.

Apoenzima + Cofactor Holoenzima

Los cofactores se subdividen en dos grupos: metales y molculas orgnicas(coenzimas)

Las coenzimas poseen estructuras orgnicas complejas que no pueden sintetizarsepor algunos organismos, en particular los mamferos. Las vitaminas hidrosolubles,aquellas que normalmente se denominan como el complejo vitamnico B, sonprecursores metablicos de diversas coenzimas razn por la que estas vitaminas sontan importantes en el metabolismo.

Principales coenzimas, caractersticas y ejemplos:


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El dinucltido de nicotinamida y adenina NAD+ derivado de la vitamina niacina. Laporcin nicotinamida es el extremo reactivo del NAD+ ya que es capaz de reducirse yde este modo servir como agente oxidante como se muestra en el esquema

En donde R corresponde al resto de la molcula. En la reaccin se aaden al anillo denicotinamida dos electrones y un protn. La reaccin puede considerarse ms exactacomo la transferencia de un in hidruro

++

+ HNADHHNAD .


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Otro ejemplo del NAD como coenzima es la que seencuentra en la reaccin de la UDP-galactosa-4-epimerasa que se muestra en la figura. El mecanismo

mediante el cual el OH de la posicin 4 cambia deorientacin estereoqumica, incluye la oxidacin delOH a carbonilo como estado intermediario.En este caso el NAD y el NADH.H+ no abandonannunca la enzima y se reducen y reoxdan en formacclica.

La principal fuente de electrones para la biosntesisreductora es el NADPH:H+ (el dinucletido de

nicotinamida y adenina fosfato reducido) elNADPH:H+ y el NADH.H+ son idnticosrespectivamente excepto que el primero tiene ungrupo fosfato esterificado en el C 2 del azcar, los dosson equivalentes en su tendencia termodinmica aaceptar electrones ya que poseen estndares dereduccin iguales, sin embargo las enzimas queactan en direccin catablica suelen usar elNADH.H+ mientras que las que actan en rutasanablicas usan el NADPH:H+ . El NADPH:H+ no esreconocido por las enzimas de cadena respiratoriapor tanto no puede ser oxidado para la produccin deATP.Coenzimas de flavina. El dinucletido de flavina yadenina o FAD es una de las dos coenzimasderivadas de la vitamina B2 o riboflavina. La otra esla ms sencilla, mononucletido de flavina FMN oriboflavina fosfato. La parte funcional de ambascoenzimas es el sistema del anillo isoaloxazina queacta como aceptor de dos electrones. Loscompuestos que tienen anillos de este tipo sedenominan flavinas en la riboflavina y sus derivados,el sistema de anillo est unido al ribitol una versinde cadena abierta de la ribosa con el C aldehido


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reducido a nivel de alcohol. El C 5 del ribitol est unido al fosfato en el FMN, y el FADes un derivado adenililado del FMN.


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Las enzimas que utilizan una coenzima de flavina se denominan flavoprotenas. ElFMN y FAD experimentan reacciones de transferencia de electrones prcticamenteidnticas. Las enzimas flavoproteicas se unen perfectamente al NAD y FAD.

Las flavinas experimentan reacciones de xido-reduccin de dos electrones, teniendouna especie estable reducida de un electrn, un radical libre de semiquinona comose muestra en la figura.

Pirofosfato de Tiamina. Dado que la tiamina fue la primera de las vitaminas B que seidentific, se le denomina tambin vitamina B1. La estructura de la vitamina escompleja, pero su conversin en la forma de coenzima, el pirofosfato de tiamina oTPP comporta simplemente una pirofosforilacin dependiente de ATP como seobserva en el siguiente esquema.


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DESCARBOXILACIONES

El pirofosfato de tiamina es la coenzima de todas lasdescarboxilaciones de los -cetocidos, contiene dos anillos en su estructura una pirimidina sustituida y untiazol.El pirofosfato de tiamina en la reaccin de la piruvato deshidrogenasa. El

TPP es la coenzima de la reaccin de la piruvato deshidrogenasa y otras

descarboxilaciones no oxidativas de cetocidos.


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La reaccin clave es el ataque por el carbanin del TPP sobre el C carbonilo delpiruvato, y va seguido de la descarboxilacin no oxidativa del piruvatounido a lacoenzima.

Acido Lipoico. (lipoamida). En la oxidacin del piruvato, el siguiente aceptor delaldehido generado por el TPP es el cido lipoico que es el disulfuro interno delcido 6,8-ditiooctanoico. La coenzima se une a su apoenzima a travs de un enlaceamida que liga el grupo carbonilo del cido lipoico a un grupo -amino de lisina, aspues la especie reactiva es una amida, denominada lipoamida.

La transferencia de la porcin aldehido activa desde el TPP al azufre del C 6 de lalipoamida, realiza la oxidacin simultanea del aldehido acoplada a la reduccin delotro azufre. Ello genera un grupo acilo que se transfiere a la la coenzima A. As puesla lipoamida es a la vez un transportador electrnico y un transportador de gruposacilo.

Fosfato de piridoxal. La vitamina B 6 se descubri en los aos 1930, se aisl enforma de piridoxina a la que se dio este nombre por su semejanza estructural con lapiridina. El piridoxal fosfato (PLP) es la forma predominante de la coenzima


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TRANSAMINACIN Y DESCARBOXILACIN

Las necesidades nutricionales de vitamina B 6 son tan bajas que rara vez se observanestados de carencia en el ser humano. El frmaco antimicrobiano contra el bacilotuberculoso isoniazida reacciona covalentemente con el piridoxal haciendo que steno pueda fosforilarse por la piridoxal quinasa.

El piridoxal fosfato es una coenzima muy verstil adems de su intervencin en lasreacciones de transaminacin participa en las descarboxilaciones de losaminocidos. Los mecanismos de accin de esta coenzima se deben a Esmond Snellen 1940.

Todas las enzimas que necesitan PLP actan a travs de la formacin de una basede Schiff entre el aminocido y la coenzima.

Todas las reacciones conocidas de las enzimas PLP pueden describirse de la mismaforma: formacin de una base de Schiff plana o intermediario aldimina, seguido por laformacin de un carbanin estabilizado por resonancia con una estructura quinonoidecomo se muestra en la figura.


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Siempre que unaldehidoreaccione con ungrupo amino seobtiene una basede Schiff o

aldimina y secaracterizaporC=N+ H


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Biotina. En los animales la reaccin anaplertica ms importante, en especial en

higado y rin, es la carboxilacin reversible del piruvato dependiente del ATPpara dar oxalacetato. Esta reaccin la cataliza la piruvato carboxilasa.

La piruvato carboxilasa es una protena tetramrica que lleva cuatro molculas de

Biotina, cada una de las cuales est unida covalentemente a travs de un enlaceamida en el que participa el grupo -amido de un residuo de lisina.


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La piruvato carboxilasa acta a travs de un mecanismo en dos pasos, empezandocon una carboxilacin de la biotina dependiente del ATP, para dar N-carboxibiotina,este derivado transfiere el grupo carboxilo directamente al piruvato como se muestraen el esquema anterior.

Coenzimas del cido flico. Las coenzimas derivadas de la vitamina cido flico

participan en la generacin y utilizacin de los grupos funcionales de un solocarbono, metilo, metileno, y formilo. La vitamina fue descubierta en los aos 1930,se observ que la vitamina es abundante en los vegetales de hojas verdes como lasespinacas.


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Qumicamente el cido flico se forma a partir de tres grupos distintos: un anillo depteridina ( 6-metilpteridina ), el cido p-aminobenzoico (PABA) y el cidoglutmico.

El tetrahidrofolato en el metabolismo de las unidades de un carbono. La funcincoenzimtica del tetrahidrofolato consiste en la movilizacin y utilizacin de gruposfuncionales de un carbono. Estas reaciones estn implicadas en el metabolismo de laserina, glicina, metionina e histidina, en la biosntesis de nucletidos de purina y delgrupo metilo de la timina.El tetrahidrofolato une unidades de un carbono con diferentes niveles de oxidacin: enforma de metileno, metilo y formilo. Los grupos de un carbono en el tetrahidrofolatopueden transportarse en el N-5 o N-10 o formar un puente entre N-5 y N-10

N5

N 10

CH2


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En la figura siguiente se muestran algunas de las reacciones en donde intervienengrupos funcionales de un solo carbono, formimino, metenil, formil, metilen, ymetil aductos de un carbono del tetrahidrofolato.

Formimino HN=CHMetenil HC=NFormil O=CHMetilen H2C-- NMetil CH3


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Coenzima A. Coenzima A y activacin de grupos acilo. La coenzima A (A por acilo)participa en la activacin de grupos acilo en general, entre ellos el grupo acetiloprocedente del piruvato. La coenzima deriva metablocamente del ATP, -mercaptoetilamina yla vitamina el cido pantotnico.


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El tiol libre en la porcin -mercaptoetilamina es la parte de la molcula de lacoenzima que tiene actividad funcional; el resto aporta lugares de unin de enzimas.En los derivados acilados, como la acetil-CoA el grupo acilo est ligado al grupo tilo

para formar un tioester de energa elevada.

El carcter de energa elevada de los tioesteres se debe a que el enlace C-Sdesestabiliza la molcula del tioester, en comparacin con el enlace C-O del ester quees ms estable, de manera que la G aumenta.

Una de las reacciones importantes en donde acta la coenzima A es en el complejomultienzimtico piruvato deshidrogenasa y en la -oxidacin de los cidos grasos.Adenosil cobalamina, Metil cobalamina. Coenzimas de la vitamina B12. Lavitamina B12 se descubri mediante los estudios de la anemia perniciosa. Lasustancia activa del hgado que se denomin vitamina B12, estaba presente en steen cantidades muy pequeas por lo que tuvieron que pasar muchos aos hasta quese aisl la cantidad suficiente para poder caracterizarla. En 1964 Hodgkin recibi elpremio novel por completar la determinacin de la estructura mediante rayos X. En elesquema se muestra la estructura de la vitamina B12.


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El cobalto est metlico est combinado con un anillo tetrapirrlicodenominado anillo de corrina. El cobalto tambin est ligado a unabase heterocclica, el 5,6 dimetilbenzimidazol (DMB).Formas coenzimticas de la vitamina B12, se conocen dos formas dela vitamina B12 con actividad coenzimtica: la 5-adenosilcobalaminafue descu8bierta en 1964 por H.A. Barker, la metilcobalamina o metil-

B12. Tanto la adenosilcobalamina como la metilcobalamina contienenun enlace covalente C-Co que hace que sean verdaderos productosorganometlicos.

Actualmente se conocen unas 15 reacciones diferentes en las que serequiere vitamina B12 la mayoria de la cuales se producen en unas pocas especiesde bacterias que llevan a cabo fermentaciones especializadas.En los mamferos tan solo 2 reacciones se producen en grado significactivo en sumetabolismo. La sntesis de metionina a partir de homocisteina como se muestra en el


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esquema anterior y la isomerizacin de la metilmalonil-CoA para dar lugar a Succinil-CoA como se muestra a continuacin.

Es de inters tambin la participacin de la metil-B12 en la sntesis de metano por lasbacterias metanognicas.

MethanogenesisThe flammable gas methane is the product of the energy-generating metabolism of themethanogenic Archaea. Most of the methanogenesis on earth occurs in anaerobichabitats where intermediates in the breakdown of organic matter are converted tomethane. You can observe the accumulation of methane in sediments in the Voltaexperiment. Some methanogenesis on earth today (and perhaps most of it on theancient earth) occurs in geothermal habitats such as hydrothermal vents. This diagram
http://faculty.washington.edu/leighj/mmarchaea.htmlhttp://faculty.washington.edu/leighj/fun.htmlhttp://faculty.washington.edu/leighj/fun.htmlhttp://faculty.washington.edu/leighj/mmarchaea.htmlhttp://faculty.washington.edu/leighj/fun.htmlhttp://faculty.washington.edu/leighj/fun.html


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shows the pathway for methanogenesis by the "hydrogenotrophic" methanogens,which use the substrates hydrogen and carbon dioxide to make methane.

Diagram of Methanogenesis


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cido ascrbico. El colgeno realiza una serie de funciones muy amplia, es laprotena ms abundante en la mayora de los vertebrados. Las fibras de colgenoforman la matriz de los huesos sobre la que precipitan los constituyentes minerales,

estas fibras constituyen la mayor parte de los tendones. Bsicamente el colgenomantiene unidos a la mayora de los animales.La unidad bsica de la fibra de colgeno es la molcula de tropocolgeno una hlicetriple de tres cadenas polopeptdicas, cada una de ellas con aproximadamente 1000residuos.

Las cadenas individuales sonhlices a la izquierda conaproximadamente 3.3 residuospor vuelta. Tres de estas cadenas

se enredan a la derecha unasalrededor de las otras. El examendel modelo revela que cada tercerresiduo que debe encontrarse enel centro de la triple hlice solo

puede ser glicina, estaformacin tambien resultafavorecida por la presencia de

prolina o hidroxiprolina en lamolcula de tropocolgeno. Unconjunto que se repite es:Glicina-prolina-hidroxiprolina.

Biosntesis de prolina,hidroxiprolina y colgeno. Unafuncin metablica importante dela prolina es su incorporacin aprecursores polipeptdicos decolgeno y otras protenas del

tejido conjuntivo en las que acta como precursor de la hidroxiprolina. Los residuos dehidroxiprolina se generan mediante una modificacin posterior a la traduccin. Elprecursor de colgeno no hidroxilado se denomina procolgeno. En este polipptido,un residuo de prolina es el sustrato de la procolgeno prolina hidroxilasa. Estaenzima poco habitual requiere Fe, cido ascrbico, oxgeno molecular y -cetoglutarato el cual se oxida a succinato. El cido ascrbico reduce al O2 con laincorporacin de un tomo al succinato y el otro termina en el grupo hidroxilo de lahidroxiprolina como se observa en la reaccin.


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Esta reaccin tiene un intersespecial ya que representa unade las pocas funciones biendefinidas del cido ascrbico, ovitamina C. La carencia devitamina C o escorbuto,comporta defectos de la funcindel tejido conjuntivo y pareceprobable que estos problemas sedeban a una sntesis omaduracin defectuosa delcolgeno en el tejido conjuntivo.

Parte de la dureza del colgenose debe al entrecruzamiento delas molculas de tropocolgenomediante una reaccin decadenas laterales de lisina.Algunas cadenas laterales delisina se oxidan para dar lugar aderivados aldehidos quereaccionan con otro residuo delisina madiante unacondensacin aldoholica ydeshidratacin para dar lugar aun entrecruzamiento como semuestra en la siguiente reaccin.


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Parte de la dureza del colgeno se debe al entrecruzamiento de las molculas detropocolgeno mediante una reaccin de cadenas laterales de lisina como se muestraen el esquema.

Cintica enzimtica

Para que una reaccin qumica se lleve a cabo es necesario:

Que las molculas se reconozcan qumicamente; es decir, que tengan una

orientacin espacial ptima.

Que posean la suficiente energa para alcanzar un estado de transicin en el

cual la probabilidad de establecer o romper un enlace sea elevada. Este

estado de transicin se encuentra en la barrera de energa que separareactivos y productos. Se puede esquematizar de la siguiente manera:

FIGURA 2.4


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Energa de activacin

Es la energa necesaria para llevar las molculas de un mol de sustancia al estado detransicin.

Energa de activacin y catlisis

Se sabe que los procesos espontneos transcurren con disminucin de la energa

libre. La energa adi-cional que hay que suministrar al sustrato para que se transforme

en producto recibe el nombre de energa de activacin, como se haba mencionado.

La energa de activacin est relacionada con la constante de velocidad de la

reaccin qumica, como se indica:

S Pk

k = -dS

dt=

dP

dt

k = constante de velocidad

V = k[S]

La energa de activacin y la constante de velocidad estn relacionadas por la

ecuacin de Arrhenius

en donde

A = nmero de molculas que tienen la suficiente energa para reaccionare = base de logaritmo naturalR = 1.99 cal/KmolT = 273 + C

Sacando logaritmo natural a los dos miembros de la ecuacin, tenemos que

RT

Ea

LneLnALnK

+=

1

+=

RT

EaLnALnK

Sustituyendo ln A = B.

RT

E

-a

Ae=k


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ln k = B -E

RT

a

Esta ecuacin permite deducir que la velocidad de cualquier reaccin qumica sermayor al aumentar la temperatura de la reaccin y disminuir la energa de activacin.

Se sabe que por cada 10 de elevacin de temperatura la velocidad de reaccin se

duplica. Precisamente, los catalizadores disminuyen la energa de activacin yen

consecuencia aumentan considerablemente la velocidad de la reaccin

catalizada.

Llamamos k a la constante de velocidad de la reaccin espontnea, y k a la

catalizada:

ln k = B -E

RTy ln k' = B -

E

RT

a a '

Restando mutuamente, tenemos

2.30RT

'E-E=

k

k'log,bieno,

RT

'E-E=

k

k'ln aaaa

Esta relacin nos indica cuantas veces es ms rpida una reaccin catalizada de unano catalizada.

Come se ha visto el papel de un catalizador consiste en reducir el valor de G alfacilitar el estado de transicin. Una enzima une a un amolcula de sustrato o enalgunos casos varios sustratos, en una regin de la enzima denominada sitio activocomo se muestra en la figura.


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El sitio activo es un espacio de la enzima rodeado por cadenas laterales deaminocidos, que facilitan la unin del sustrato, en donde intervienen las cadenalaterales de aminocidos.

Segn la hiptesis de la cerradura y la llave la enzima acomoda al sustrato de lamisma manera que lo hace la cerradura con su llave especfica.

Hay otra hiptesis del ajuste indicido, en el cual se distorsiona tanto la enzima

como el sustrato, esta distorsin se refiere a un cambio qumico tanto de la enzimacomo del sustrato.Un ejemplo real del ajuste indicido se muestra en la siguiente figura. En la cual laHexocinasa, muestra una forma en ausencia de la glucosa y otra forma en presenciade la glucosa

A continuacin se muestra el sitio activo de la la quimotripsina y la accin de losrestos de a. cidos del sitio activo que intervienen en la reaccin de hidrlisis pptica.


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Pero adems de distorsionar o acomodar simplemente los sustratos, en muchoscasos las cadenas laterales de los aminocidos cidos o bsicos, pueden adicionar oeliminar protones como se ver a continuacin al hablar del efecto del pH en la accinenzimtica.

Factores que afectan la velocidad de las reacciones enzimticas

Efecto del pH sobre la velocidad de reaccinEl pH tiene una influencia marcada sobre la velocidad de las reacciones enzimticas.

Caractersticamente, para cada enzima hay un valor de pH al cual la velocidad es

ptima y a cada lado del ptimo la velocidad es inferior. Esto se debe a que los sitios

activos de la enzima se componen a menudo de grupos ionizables que deben

encontrarse en la forma inica adecuada, con el fin de mantener la conformacin del


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sitio activo, unir los sustratos o catalizar la reaccin. Adems, uno o ms de los

sustratos pueden contener grupos ionizables y slo una forma inica del sustrato

puede unirse a la enzima y experimentar la catlisis. La relacin pH actividad de laenzima depende del comportamiento cidobsico de la enzima y del sustrato. La

disminucin de la actividad enzimtica podra deberse a la formacin de una forma

inica incorrecta del sustrato o de la enzima, o de ambos. El pH ptimo de la

enzima y el pH de su entorno celular no siempre es el mismo; de tal manera que, en

ocasiones, la regulacin intracelular de su actividad es el pH.

FIGURA 2.13

Velocidad frente al pH, un modelo monoprtico sencillo

Considerar un sistema en el que el sustrato es un cido dbil, HA, pero slo la forma

ionizada A- se une a la enzima. El verdadero sustrato es entonces A-. Para una

concentracin total fija de cido dbil, la proporcin que se encuentra en la forma

inica apropiada se calcula con la ecuacin de Henderson-Hasselbalch.

Cuando el pH es superior en una unidad al pKa 10/1 del total se encuentran como A-.

Cuando el pH = pKa + 2, 100/1 del total se encuentran como A -. Cuando el pH es una

unidad menor que el pKa 1/10

se encuentran como A-

; as podemos esperar que la velocidad aumente a medida quese incremente el pH, como se muestra en la figura 2.14 donde el pK a del sustrato se

supone que es 4. Se supone tambin que el sitio activo de la enzima contiene un

grupo bsico B que deber estar protonado, BH+, para unirse al sustrato A-. La

proporcin de concentracin total de enzima en la forma inica adecuada BH+

disminuye al aumentar el pH, como se ilustra en la figura 2.14 donde el pK a del sitio


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ac-tivo se supone es 7. La actividad mxima terica se dar a un pH en el que toda la

enzima se encuen-tra como BH+ y todo el sustrato como A-. Sin embargo, los dos

valores de pKa se diferencian slo en tres unidades y, por lo tanto, la combinacinmxima de BH+ y A- se dar a un pH de 5.5 en el que el 97% del sustrato total y

enzima total estarn en la forma inica adecuada.

FIGURA 2.14

Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reaccin

Muchas reacciones qumicas transcurren a una velocidad mayor si la temperatura

aumenta. Un aumento en la T comunica ms energa cintica a las molculas del

reactivo, dando ms colisiones eficaces por unidad de tiempo. Las reacciones

catalizadas enzimticamente se comportan anlogamente hasta cierto punto. Las

enzimas son molculas proteicas complejas; su actividad cataltica se debe a una

estructura terciaria altamente ordenada y exacta que da lugar a la formacin de sitios

estereoespecficos de unin del sustrato con el centro cataltico. La estructura terciaria

de una enzima se conserva por un gran nmero de enlaces dbiles no covalentes; por

lo tanto, una enzima es una estructura frgil y muy delicada. Si la enzima absorbe

demasiada energa, la estructura terciaria se rompe y la enzima se des-naturaliza y

pierde su actividad cataltica. As, al elevarse la temperatura, el aumento esperado en

velocidad debido al incremento de colisiones E+S es anulado por el aumento de la

velocidad de desnaturalizacin; por lo tanto, una representacin de actividad cataltica


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frente a T generalmente muestra un pico que se conoce como temperatura ptima.

Las enzimas de peso molecular bajo compuestas de cadenas polipeptdicas sencillas

y que poseen puentes disulfuro son, generalmente, ms estables al calor que las depeso molecular alto como las enzimas oligomricas.

FIGURA 2.15

La curva que presentan las reacciones catalizadas por enzimas se debe:

Al incremento habitual de la reaccin por aumento de la temperatura.

Desnaturalizacin de la enzima que se lleva a cabo entre 45 - 60 C.

Como se mencion anteriormente, la relacin entre la constante de velocidad k, y la

energa de activacin Ea viene dada por la ecuacin de Arrhenius

RT

Ea

AeK

=

RT

Ea

LneLnALnK

+=

bxmY

ATR

Ea

LogK

ALnRT

EaLnK

RT

EaLnALnK

+=+=

+=

+=

log

1

303.2

1

La forma integrada de la ecuacin de Arrhenius es:

12

12a

1

2

TT

TT

R303.2

E

k

klog

=


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O bien

Donde k1 y k2 son las constantes especficas de velocidad de reaccin a dos

temperaturas diferentes, t1 y t2, respectivamente.

El efecto de temperatura sobre la velocidad de reaccin se expresa

frecuentemente en trminos de un coeficiente de temperatura, Q10, que es el factor

en que aumenta la velocidad al incrementar la temperatura 10 C.

Efecto de la concentracin del sustrato sobre la velocidad de reaccin

La velocidad de una reaccin catalizada por una enzima se incrementa al aumentar la

concentracin de sustrato hasta un punto en el cual ya no hay incremento, aun con la

adicin de ms sustrato. En esta fase, el sustrato ha saturado los sitios activos de la

enzima y se ha logrado la velocidad mxima de la reaccin, la cual depende de la

afinidad de la enzima y el sustrato correspondiente.

FIGURA 2.16La ecuacin de esta hiprbola corresponde a una cintica clsica de Michaelis-Menten

[ ][ ]SKmSV

Vo+

=max

1

2

12

12

ak

klog

TT

TRT303.2E

=

QlogTRT.E

a =


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Enzimas reguladas y no reguladas

Enzimas reguladoras

Todas las enzimas presentan caractersticas que influyen en la regulacin de su

actividad dentro de la clula, por ejemplo:

pH. El pH ptimo de una enzima es de 5 y su entorno tiene un pH de 7, por lotanto, la actividad de esa enzima no es la ptima.

Temperatura. La catalasa tiene una actividad ptima a 0 C. La temperaturacorporal es de 36.5 C, la actividad de la enzima no es total.

Presencia de cofactores. Algunas enzimas necesitan cofactores como Mg++,

Fe++, etc.; la concentracin de estos metales regula la actividad enzimtica.Concentracin de sustrato. La actividad enzimtica dentro de la clula

tambin se ve regulada por la concentracin de sustratos.

Adems de estas propiedades comunes a todas las enzimas, hay otras que tienen

funciones especiales para regular el metabolismo, stas se denominan enzimas

reguladoras. Hay dos tipos de regulacin:

1) Enzimas alostricas

2) Enzimas moduladas covalentemente

Enzimas alostricas

El trmino alostrico significa otro sitio. Las enzimas alostricas poseen, adems

del sitio activo, otro sitio al que se enlaza de modo reversible, no covalente, el cofactor

o modulador. El centro alostrico es tan especfico para el modulador como lo es el

sitio activo para el sustrato. Un modulador puede ser (+) cuando estimula la actividad

de la enzima; (-) cuando inhibe la actividad enzimtica; puede ser homotrpico,cuando su modulador es el propio sustrato; y heterotrpico, cuando su modulador

es diferente al sustrato. Algunas enzimas poseen ms de un sitio alostrico y se

denominan polivalentes.


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a) Rutas lineales

Inhibicin o retroinhibicin

Estimulacin o retroalimentacin

b) Rutas ramificadas

Enzimas moduladas covalentemente

Existen dos tipos de modificaciones covalentes de las enzimas

a) Modificaciones irreversibles por hidrlisis. Los zimgenos o proenzimasinactivos pueden activarse al eliminar uno o ms pptidos de la molcula

proteica. Por este procedimiento el pepsingeno se transforma en pepsina; el

tripsingeno en tripsina, etc. En general, las enzimas digestivas de naturaleza

proteoltica requieren esta activacin que evita la autodestruccin de las

clulas que los secretaron (una activacin precoz del tripsingeno a tripsina

en las clulas del pncreas da lugar a la pancreatitis aguda, a menudo,


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mortal). Una vez utilizadas las enzimas, se inactivan destruyndose por medio

de hidrlisis.

FIGURA 2.22

Las hormonas proteicas, como la insulina, sufren modificaciones de prohormona a

hormona activa; ejemplo:

Preproinsulina proinsulina insulina- pptido - pptido


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b) Modificacin reversible por interconversin. Las conformaciones R (relajada) y

T (tensa) pueden verse estabilizadas por modificacin covalente de las

molculas enzimticas. Para ello se requiere la activacin de enzimasconvertidoras que, a su vez, tambin suelen ser reguladas.

FIGURA 2.23

Las formas desfosforiladas son ms activas en las vas sintticasLas formas fosforiladas son ms activas en las vas degradativas

Este es un ejemplo de modificacin covalente de enzimas por fosforilacin

desfosforilacin.

Cintica de las enzimas alostricas

La cintica que se ha estudiado (de tipo hiperblico) no resulta aplicable a la totalidad

de las enzimas. Existen muchas enzimas de estructura oligomrica cuyas

subunidades se influyen mutuamente; es decir, la actuacin de una de ellas repercute

en el comportamiento de las dems. Como consecuencia de este fenmeno, la

cintica de estas enzimas suele ser ms compleja: en general, de tipo sigmoideo.

Cooperatividad: Ecuacin de Hill

La concentracin de sustrato puede influir en la velocidad de reaccin de las enzimas

reguladoras, dan-do lugar a la mencionada cintica sigmoidea.


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FIGURA 2.24

El efecto cooperativo se atribuye a que la enzima presenta varios centros activos (uno

por cada mon-mero), ya que puede adoptar dos conformaciones espaciales distintas:

la forma R (relajada) ms activa, y la forma T (tensa) menos activa, en equilibrio

dinmico. La presencia del sustrato puede desplazar el equilibrio, favoreciendo la

adopcin de una de ellas, de acuerdo con el esquema siguiente:

FIGURA 2.25

La ecuacin simplificada de Hillexplica matemticamente la cintica sigmoidea al

suponer la capacidad preferente de la enzima para unirse simultneamente a n

molculas de sustrato, segn la ecuacin

Por un razonamiento anlogo al seguido con la deduccin de la ecuacin de Michaelis

se llega a lo siguiente:

PE++ nESSnE


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[ ][ ]SKmSV

Vo+

=max

El sentido qumico de K 0.5 (anlogo al descrito para Km) es el de aquella concentracin

de sustrato que permite a la enzima trabajar a la mitad de la mxima velocidad. Al

operar matemticamente la ecuacin tenemos

Al aplicar logaritmos se obtiene

bmxY =

Al reordenar, se obtiene la ecuacin de una recta en la que n es su pendiente

A n se le denomina coeficiente de Hill. Si su valor es 1, no existe cooperatividad; si es

mayor que 1, hay cooperatividad positiva; y si es menor que 1, la cooperatividad es

negativa. Sus valores habituales en las enzimas reguladoras oscilan entre 2 y 3.

nn

.5

n

max

[S]K

[S]VV

+

=

'0.5

max

Klog-[S]lognVV

Vlog =

( ) [ ] SV[S]KV nmaxn

0.5n

=+

[ ] SVV[S]VK nmaxn

0.5n

=+

[ ] V[S]-SVVK nnmax0.5n

=

[S]V)-(VVK nmax0.5n

=

V

[S]V)-(VK

n

max0.

n=

V

V)-(V

S

K maxn

0.5n

=n

K

S

V

=

5.0max

V

V

.0

max

loglogV

Vlog knSn

V=


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Efectores alostricos

Las enzimas alostricas modifican su actividad cataltica al fijar determinados ligandos

sobre el centro activo: sustrato natural, sustrato anlogo, inhibidores competitivos,entre otros. Estos ligandos se podran denominarligandos homotrpicos, pero con

frecuencia estos u otros compuestos pueden fijarse a centros diferentes del centro

cataltico, llamados centros alostricos. Estos ligandos sern heterotrpicos y

tambin son capaces de modificar la actividad cataltica de las enzimas reguladoras.

Los inhibidores alostricos disminuyen o anulan la actividad cataltica de la enzima

y los activadores alostricos la aumentan.

La activacin o inhibicin puede afectar a diversos parmetros de la cintica

enzimtica. Entre los modelos clsicos se consideran los sistemas Ken los que se ve

afectada la K0.5 y los sistemas V, en los que resulta alterada la velocidad mxima.

En el esquema A es activador o modulador positivo e I es modulador negativo o

inhibidor.

FIGURA 2.26

En la figura 2.26 se representan las modificaciones cinticas producidas por un

activador (A) o un inhi-bidor (I) en los dos sistemas considerados.


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ii. iu.iiproteinasenzimascoenzimas

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