termodinámica, cinética y enzimas maría de la luz...

maov/mlvm/febrero de 2014

Termodinámica, Cinética y EnzimasMaría de la Luz Velázquez Monroy y Miguel Ángel Ordorica Vargas

Introducción

Las enzimas son las moléculas encargadas de acelerar las reacciones químicas que constituyen el metabolismo de los seres vivos. La Bioquímica moderna, se inició con el estudio de las carac-terísticas de las enzimas. El impulso inicial tuvo lugar en 1897 cuando Eduard Buchner demostró que la fermentación alcohólica se podía efectuar en extractos de levadura, libres de células.

A partir de este momento, se hizo posible estudiar las enzimas indi-viduales en forma sistemática, y definir su importancia para las re-acciones químicas de los seres vivos.

Reacciones Químicas

Las reacciones químicas del metabolismo, lo mismo que cualquier otra reacción química, son procesos en los cuales una o más subs-tancias llamadas reactivos, se transforman en otras llamadas pro-ductos, con estructura y propiedades diferentes. En general las re-acciones químicas se representan como:

ProductosReactivos

Los cambios de estructura durante las reacciones químicas sólo son posibles si se rompen y/o forman enlaces químicos. El rompimiento y formación de enlaces químicos implica que los átomos comparten

sus electrones en forma diferente en los reactivos y en los productos. Podemos entonces concluir que una reacción química es un:

“Proceso durante el cual se producen reacomodos de los electrones de enlace de los átomos”.

Para que se lleven a cabo dichos reacomodos, es necesario que tenga lugar un intercambio de energía. Los intercambios de energía durante las reacciones químicas los estudia la Termodiná-mica Química.

Por otro lado, los reacomodos electrónicos se efectúan a velocidades, y a través de caminos es-pecíficos que son estudiados por la Cinética Química.

Nuestra capacidad para modificar las reacciones químicas depende del conocimiento de la cinéti-ca y termodinámica de estas.

Termodinámica Química

La Termodinámica se encarga del estudio de los intercambios de energía que acompañan a todos los procesos. A partir de un modelo básico del mundo real y un conjunto de leyes que rigen su comportamiento, la Termodinámica deduce relaciones que describen los cambios de energía y la dirección de los procesos físicos y químicos a escala macroscópica. Como no hace ninguna con-sideración respecto de las propiedades microscópicas de la materia, no puede decir nada sobre el

Figura 1. Eduard Buch-ner

Termodinámica, Cinética y Enzimas

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universo atómico. Es básicamente estática pues se ocupa sólo del inicio y el final de los cambios y jamás de su velocidad, aunque si puede predecir su dirección y punto de equilibrio.

Energía. La energía es el objeto de estudio de la Termodinámica. La energía se define como la capacidad de producir trabajo, modificando o desplazando objetos. La energía puede ser Poten-cial (determinada por la posición en el espacio) o Cinética (determinada por el movimiento). La Termodinámica estudia los intercambios y transformaciones de Energía, empleando un Modelo, y aplicando las Leyes de la Termodinámica.

Modelo Termodinámico. El modelo del mundo real que se usa en Termodinámica para estudiar los cambios de energía está formado por:

1. Sistema. Parte del universo que es objeto de estudio del observador.

2. Alrededores. Todo lo que rodea al sistema, pero que no interesa al observador.

3. Universo. Sistema + Alrededores

4. Límite. Frontera real o imaginaria, que separa al sistema de sus alrededores.

Tipos de Sistemas. Según el tipo de intercambios que permite su límite, los sistemas pueden ser:

1. Abiertos. Cuando el límite permite el intercambio de Materia y Energía (Calor y Trabajo)

2. Cerrados. Sí el límite permite el paso de Energía (Calor y Trabajo), pero NO de Materia.

3. Adiabáticos. El límite es impermeable a Materia y Calor, pero permite el paso de otras formas de Energía (Trabajo)

4. Aislados. Cuando el límite es impermeable tanto a la Materia como a la Energía (Calor y Tra-bajo)

Estado Termodinámico. Es el conjunto de valores de las propiedades de un sistema, que lo ca-racterizan en un momento dado. Para cualquier sistema, existe un número infinito de estados. Al-gunos estados termodinámicos importantes que pueden alcanzar los sistemas son:

1. Definido. Se llama así el estado, cuando conocemos los valores de todas sus propiedades, o to-das las relaciones que nos permitan calcularlos.

2. Equilibrio. Estado de un sistema cuyas propiedades tienen valores constantes, que no realiza intercambio de materia o energía y del cual el sistema no puede salir por sí solo.

3. Estacionario. Estado en que el sistema mantiene valores constantes de sus propiedades, me-diante intercambio continuo de materia y energía con los alrededores. Los valores de las pro-piedades son diferentes a los del estado de equilibrio y cambia cuando cambia la velocidad del intercambio. También se le conoce como Estado de Equilibrio de Flujos.

4. Estándar. Punto de referencia de los cambios termodinámicos. Se define basándose en la composición, como el estado en que la actividad termodinámica de todos los componentes del sistema vale uno. En la realidad, se aproxima a concentración molar igual a uno y presión de


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una atmósfera para los componentes gaseosos del sistema. En Biología y Bioquímica se añade la condición de pH = 7.

5. Metaestable. Estado que se presenta cuando el sistema está detenido por una barrera de energ-ía que le impide alcanzar el equilibrio. En estas condiciones el sistema no realiza intercambios con los alrededores y los valores de sus propiedades son constantes, pero cambios provocados desde el exterior, que permitan rebasar la barrera, hacen que el sistema inicie un proceso, que puede mantener por si mismo, y lo lleva al estado de equilibrio.

Proceso Termodinámico. Es cualquier cambio en el valor de una o más de las propiedades de un sistema. Según la forma de los cambios, las propiedades se pueden dividir en:

1. Propiedad de Estado. Es aquella para la que podemos calcular el valor de sus cambios to-mando en cuenta sólo los estados inicial y final y no la ruta del proceso. Las propiedades cuyos cambios dependen de la ruta del proceso se dice que no son propiedades de estado.

2. Propiedad Intensiva. Es aquella cuyo valor no cambia cuando cambia el tamaño del sistema, debido a que no depende de él.

3. Propiedad Extensiva. Es aquella cuyo valor cambia, al cambiar el tamaño del sistema, o sea que si depende de este.

Ecuación de Estado. Expresión matemática que describe una relación entre propiedades de esta-do. El ejemplo más conocido es la Ley de los Gases Ideales, que relaciona composición, Presión, Volumen y Temperatura de un sistema en estado gaseoso.

Energía Interna (E). Suma de todas las formas de energía que posee un sistema, en virtud de su tamaño, composición, temperatura, etc.; sin tomar en cuenta su posición ni desplazamiento en el espacio.

Calor (q) y Trabajo (w). Son las formas fundamentales de transferencia de energía. La principal diferencia entre ellas radica en que el trabajo se considera como transferencia a escala macroscó-pica mientras que el calor lo es en el ámbito microscópico. Calor y trabajo NO son propiedades de estado pues ambas dependen de la ruta a través de la cual se efectúa el proceso.

Leyes de la Termodinámica

El estudio de las transformaciones de energía que se producen durante cualquier cambio en el Universo, está basado en las Leyes de la termodinámica.

Primera Ley o Ley de la Conservación de la Energía. La primera ley, describe el balance de la energía intercambiada en un proceso. Su forma más conocida es la Ley de la Conservación de la Energía, que dice que: “La energía no se crea ni se destruye, pero puede cambiar de una forma a otra”. En Termodinámica también se enuncia como: “La energía total del universo es constan-te” o “En un sistema aislado la energía interna es constante”. Cuando un sistema intercambia energía con sus alrededores, se producen cambios en la energía interna del sistema.

Simplificando, los cambios de Energía Interna (E) en cualquier sistema, resultan del intercam-bio de energía como calor (q) y trabajo (w), y deben cumplir la ecuación de la primera ley:


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wq E

Entalpía. Cuando el cambio de energía se efectúa a presión constante, el trabajo que se realiza es principalmente de expansión ó cambio de volumen, (V):

)( VP w

Al sustituir el trabajo de expansión en la ecuación de la primera ley, esta se transforma en:

)(- VPE q

Transponiendo términos se llega a:

)( VPE q

Los cambios de energía y volumen se definen como:

12 EEE y 12 VVV

Entonces:

)()()()( 11221212 PVEPVEVVPEE q

De aquí, definimos la Entalpía (H) del sistema como:

PVEH

y:

111 PVEH y 222 PVEH

Finalmente obtenemos que: El cambio de entalpía de un proceso es igual al calor intercambiado en condiciones de presión constante.

HHH 12q

La entalpía representa el contenido de energía térmica del sistema y es una propiedad de estado porque está definida en función de propiedades de estado. Aunque es calor, el cambio de Entalpía de un sistema depende sólo de los estados inicial y final y no de la ruta que sigue el proceso, por-que esta limitada a procesos efectuados a presión constante.

Dos clases de cambios de Entalpía, de importancia en Química son:

Cambio de Entalpía de Formación (Hf). Calor intercambiado en la reacción de síntesis de un compuesto, a partir de los elementos químicos que lo constituyen, en su forma más estable.

Cambio de Entalpía de Combustión (Hc). Calor intercambiado en la reacción de oxidación to-tal de un compuesto orgánico, hasta CO2 y H2O.


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Termoquímica. Es la aplicación de la Primera Ley de la Termodinámica a las reacciones quími-cas. Su principio fundamental es la Ley de Hess, nombrada así en honor a Germain Henri Hess, quien la formuló en 1840.

Ley de Hess. El cambio de entalpía de una reacción química es independiente del número de etapas en que se efectúa y sólo depende del estado inicial (reactivos) y final (productos):

REACTIVOSPRODUCTOS HHH )()( ff

Aunque la ley de Hess está formulada en función de la Entalpía, también se puede aplicar a las otras propiedades termodinámicas de estado.

Segunda Ley. La segunda ley pone un límite a la eficiencia de un sistema. En su forma más sim-ple, establece que: “Para realizar trabajo, la energía debe fluir de un lugar caliente a uno frío”. En otras palabras: “En el Universo, los procesos siempre proceden en una dirección, desde esta-dos de mayor energía hacia estados de menor energía”.

La pérdida de energía durante el cambio de estado, va acompañada de una pérdida de organiza-ción, o aumento de la libertad de variación del sistema, que se mide como un cambio de Entrop-ía (S, con unidades de Energía/Temperatura).

Entropía. Es el parámetro termodinámico que nos permite conocer la dirección de un proceso. Se derivó originalmente para la expansión de los gases ideales como:

TS REVq

En donde qREV es el calor absorbido en un proceso reversible a tem-peratura constante (T). La Entropía de un sistema aislado siempre tiende al máximo y lo alcanza en el equilibrio, por lo tanto, otra forma de formular la Segunda Ley es: “En un sistema aislado, los procesos posibles, permitidos o espontáneos tienen cambio de en-tropía positivo”.

0 AISLADOSISTEMAS

En 1871 Ludwig Boltzmann propuso una interpretación estadística de la entropía según la cual, la entropía de un sistema es proporcio-nal al número total de arreglos posibles de las partículas del sistema, (representado por , la letra griega Omega mayúscula) cuando este se encuentra en un estado particular.

lnkS

Donde:

k = constante de Boltzmann

Figura 2 Ludwig Boltz-mann


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Para cualquier sistema, el estado con mayor entropía es aquel que tiene mayor número de arre-glos posibles y por lo tanto la mayor probabilidad de existir.

Cuando el sistema no está aislado, para determinar si un proceso es permitido, hay que medir el cambio de entropía del Universo.

Usando la Entropía del Universo, la Segunda Ley también se puede enunciar diciendo que: “En los procesos espontáneos la entropía del Universo siempre aumenta”.

0 UNIVERSOS

Un sistema puede aumentar (+S) o disminuir (-S) su nivel de entropía, siempre que se cumpla la segunda ley y la entropía del Universo aumente:

0>SΔ+SΔ=SΔ SALREDEDORESISTEMAUNIVERSO

Para mantener un nivel bajo de Entropía los sistemas requieren de un gasto de energía constante, el cual se logra únicamente en los sistemas abiertos, como los seres vivos.

Energía Libre

En 1878 Josiah Willard Gibbs combinó la primera y segunda leyes de la termodinámica y creó la función de energía libre (G) que permite:

A. Calcular la máxima cantidad de energía útil (1a ley) que se puede intercambiar en un proceso:

STHG

Donde:

G = Cambio de energía libre (energía útil intercambiada)H = Cambio de entalpía (calor intercambiado) T = Temperatura absoluta (en grados Kelvin)S = Cambio de entropía del sistema

B. Determinar la dirección del proceso (2a ley), tomando en cuenta únicamente el cambio de energía libre del sistema:

0 SISTEMAG , Proceso Espontáneo ó Permitido (Exergónico)

0 SISTEMAG , Proceso No Espontáneo ó No Permitido (En-

dergónico)

El G de un proceso está definido en función de propiedades de es-tado y por tanto, es una propiedad de estado, independiente de la ru-ta que sigue el proceso y solo depende de los estados inicial y final; por tanto, los cambios de Energía Libre en reacciones químicas se pueden calcular usando la ley de Hess.

Figura 3 Josiah Willard Gibbs


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La ecuación que relaciona la concentración de reactivos y productos, con el cambio de energía li-bre de una reacción química es:

Reactivos

ProductoslnRTGG

Donde:

G = Cambio de energía libre de la reacciónG° = Cambio de energía libre en condiciones estándarR = Constante de la ecuación de los gases idealesT = temperatura absoluta (en grados Kelvin)[Productos] = Concentración molar de los productos[Reactivos] = Concentración molar de los reactivos

El cambio de energía libre de una reacción química es un criterio para determinar si la reacción es permitida:

1. Una reacción es espontánea, esto es permitida, si tiene G negativo.

2. Si el G vale cero, entonces la reacción está en equilibrio. En estas condiciones:

EQKlnRTG

3. Las reacciones con G positivo no son espontáneas, no son permitidas, es necesario suminis-trarles energía libre para que se lleven a cabo.

El G no proporciona información sobre el mecanismo o velocidad de una reacción química; esta información se puede obtener de la energía de activación.

Cambios de Energía Libre en Reacciones Metabólicas. Muchas de las reacciones que se efect-úan en las células, tienen cambio de energía libre estándar positivo, o sea no son permitidas en condiciones estándar. Para llevar a cabo estas reacciones, las células utilizan varias estrategias.

1. Relación Productos/Reactivos menor que la unidad. Cuando en la ecuación:

Reactivos

ProductoslnRTGG

el cociente [Productos]/[Reactivos] es menor que 1, su logaritmo es negativo, lo cual favorece que él cambio de energía libre se vuelva negativo y la reacción se lleve a cabo. Para mantener el valor pequeño, las substancias que se producen en una reacción no deben acumularse. Para evitar la acumulación la sustancia debe ser metabolizada rápidamente, o transportada a otro compartimiento, o de otro modo la reacción se detiene y con ella toda la vía metabólica.

2. Acoplamiento de reacciones. Una reacción endergónica se puede llevar a cabo, sí acoplada a ella se efectúa otra exegónica, que libere suficiente energía. Dos reacciones se pueden acoplar si existe un intermediario común (i.e., el producto de una es reactivo de la otra), o mediante un


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agente para acoplarlas. En el metabolismo, las enzimas son los agentes que acoplan las reac-ciones. Muchas reacciones celulares se acoplan con la hidrólisis de ATP.

Con estos principios, podemos concluir que la aplicación de la Termodinámica a los sistemas bio-lógicos permite:

1. Definir la dirección de los procesos; en los procesos espontáneos:

0 UNIVERSOS y 0 SISTEMAG

2. Conocer la cantidad de energía útil que se puede obtener:

STHG

3. Determinar cuando una reacción ha llegado al equilibrio:

0 SISTEMAG , MínimaSISTEMA G , 0 UNIVERSOS y MáximaUNIVERSO S

4. Saber que condiciones deben variar para lograr que reacciones no permitidas se lleven a cabo: cambios en la relación [Productos]/[Reactivos] y acoplamiento de reacciones con +G, y reac-ciones con -G.

Tercera Ley. Esta ley, marca un punto de referencia absoluto para la medición de la entropía y, al menos en teoría, para todas las propiedades de estado. El enunciado más simple de esta ley di-ce que: “Cuando la temperatura de un sistema se aproxima al cero absoluto, todos los procesos cesan y la Entropía llega a un valor mínimo”.

Un corolario de esta ley es que cuando un sistema está cerca del cero absoluto, la Entropía de-pende únicamente de la Temperatura. Además, cuando un sistema se encuentra en el cero absolu-to, la Entropía tiene un valor constante que depende de la degeneración del estado basal. Si un sistema no tiene degeneración, como un cristal perfecto, a la temperatura de cero absoluto tendrá cero Entropía.

Ley Cero o Cuarta Ley. Esta ley constituye la base de la definición del concepto de Temperatu-ra estableciendo que: “Dos sistemas en equilibrio tienen la misma Temperatura si al ponerlos en contacto térmico permanecen en equilibrio, o sea, sus propiedades permanecen constantes”. O que: “Cuando no hay intercambio de calor entre dos sistemas en contacto térmico, es porque ambos sistemas tienen la misma Temperatura”. Se dice que dos sistemas están en “contacto térmico”, cuando existe la posibilidad de que intercambien calor, sin intercambiar trabajo o mate-ria.

Limitaciones de la Termodinámica

Los principios de la termodinámica se desarrollaron en sistemas aislados y en equilibrio mientras que las células son sistemas abiertos y alejados del equilibrio en los cuales se realizan procesos irreversibles.

Durante parte de su vida las células se encuentran en estado estacionario. La termodinámica de los seres vivos es disipativa porque para mantener su estado estacionario las células deben con-sumir energía en todo momento.


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La termodinámica no brinda ninguna información respecto de la velocidad a la cual se realiza un proceso, porque es independiente del tiempo, esta información es el objeto de estudio de la Ciné-tica Química.

Cinética Química

La Cinética Química estudia los cambios en la concentración de reactivos y productos, que se dan durante el desarrollo de las reacciones químicas y su relación con el tiempo. También se ocupa de estudiar la ruta o mecanismo a través del cual se lleva a cabo la reacción, y el efecto de los facto-res que la pueden modificar.

Velocidad de las Reacciones Químicas

La velocidad (v) de una reacción química se define como el cambio en la concentración de pro-ductos o reactivos en el tiempo:

dt

Reactivosd

dt

Productosdv

El signo negativo indica que la concentración de los reactivos disminuye con el tiempo.

Para explicar los factores que afectan la velocidad, se usa un modelo de las reacciones químicas que considera las moléculas como partículas en movimiento aleatorio, con niveles de energía que siguen la Ley General de Distribución de Energía de Maxwell-Boltzmann (Figura 4).

Figura 4. Ley de Distribución de Energía de Maxwell-Boltzmann

En estas condiciones, la velocidad de reacción depende de que:

1. Las moléculas que van a reaccionar, se encuentren.2. Que el encuentro, choque o colisión, se efectué con suficiente energía.3. Al momento de la colisión, las moléculas tengan la orientación adecuada.

Estas condiciones se pueden expresar como la probabilidad (p) de que se cumpla cada una de ellas, de esta manera, es posible definir la velocidad como una función de probabilidades:

),,(NORIENTACIÓENERGÍACOLISIÓN

pppfv


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Cualquier factor que modifique una o más de estas probabilidades, afectará la velocidad de la re-acción. Estudiaremos tres de los factores más importantes que modifican la velocidad de una re-acción química: (1) la concentración de reactivos, (2) la temperatura y (3) la presencia de un cata-lizador o una enzima.

Concentración de Reactivos

El efecto de la concentración de reactivos se resume en la Ley de Acción de Masas, que fue enunciada en 1867 por los Noruegos Cato Maximilian Gouldberg y Peter Waage, y dice:

“La velocidad de una reacción química es proporcional a la concentración de los reactivos”.

Esta relación se expresa como una Ecuación de Velocidad:

Reactivosv ó Reactivoskv

Donde:

= Símbolo de proporcionalidadv = Velocidad de la reacciónk = Constante de proporcionalidad, denominada constante de velocidad específica o simplemente velocidad específi-ca[Reactivos] = Concentración molar de los reactivos

En muchas reacciones, esta relación no se cumple porque está influenciada por el Orden de reacción (N), que es un exponente al cual se debe elevar la concentración de reacti-vos para que se cumpla la ecuación de velocidad:

NReactivoskv

El orden de reacción es un parámetro propio de cada reacción química; puede tener cualquier va-lor igual o mayor que cero, y se determina en forma empírica. En la cinética de las enzimas, hay tres valores del orden de reacción que son importantes:

Orden Cero. En la cinética de orden cero, la velocidad de la reacción es independiente de la con-centración de reactivo y se mantiene constante, aunque esta cambie:

kk 0Reactivov

En este tipo de reacciones, la concentración de reactivos y productos depende en forma lineal del tiempo de reacción transcurrido (t):

kt INICIALReactivoReactivo

En forma práctica se observa un seudo-orden cero cuando en una reacción en la que participan dos reactivos, uno de ellos se encuentra en exceso, entonces aunque se aumente su concentración, no hay cambio importante en la velocidad. Esta situación corresponde a los casos de saturación que se presentan en fenómenos biológicos como, unión a receptores, transporte a través de mem-brana y por supuesto, la catálisis enzimática.

Figura 5. Cato M. Gouldberg(izq.) y Peter Waage.


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Orden Uno. En este caso, cuando aumenta la concentración de reactivo, la velocidad de la reac-ción aumenta en la misma proporción:

ReactivoReactivo kk 1v

En las reacciones de orden uno la concentración de reactivos y productos varía con el tiempo en forma exponencial.

kte- INICIALReactivoReactivo

A concentraciones bajas de reactivo, casi todas las reacciones enzimáticas tienen cinética de or-den uno respecto de la concentración de sustrato. Una característica importante de las reacciones de orden uno es que su Tiempo de Vida Media, esto es el tiempo que tarda en reducirse a la mi-tad la concentración de reactivo, es constante. También siguen cinéticas de orden uno procesos como la absorción y eliminación de fármacos

Orden Dos. Una reacción es de orden dos si su velocidad depende de la concentración de dos re-activos o del cuadrado de la concentración de un solo reactivo:

21 ReactivoReactivokv ó 2Reactivokv

En reacciones de este orden la concentración de un reactivo cambia en forma hiperbólica con el tiempo:

ktINICIAL

INICIAL

Reactivo

ReactivoReactivo

1

Las enzimas que usan dos substratos, pueden presentar cinéticas de orden dos.

Un resumen de las características de cada orden de reacción se presenta en las ecuaciones de la Tabla 1 y se muestra en forma gráfica en la Figura 6.

Tabla 1. Resumen de Ecuaciones de Orden de ReacciónReacción R P R S P

Orden 0 1 2a (R=S) 2b (RS)Ecuación deVelocidad v k R= 0 Rv=k 2Rv=k SRkv =

EcuaciónDiferencial

kdtRd kdtR

Rd

kdtR

Rd

2

dtSkR

Rd

Forma Integrada ktRR 0 kteRR 0

ktR

RR

0

0

1

)SRkt(eS

R

S

R00

0

0

Forma Lineal ktRR 0 ktRR 0lnln ktRR

0

11

)SRkt(S

R

S

R00

0

0lnln

Vida Media

k

Rt / 2

021

kt /

2ln21 021

1

Rkt /

)SRk(

S

S

t /00

0

21

2lnln

El efecto de la concentración sobre la velocidad de las reacciones químicas, se puede explicar porque al aumentar el número de partículas por unidad de volumen, aumenta la probabilidad de colisiones entre moléculas.


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(A) (B)Figura 6. Orden de Reacción. (A) Velocidad en función de la Concentración. (B) Concentración

en función del Tiempo de reacción

Temperatura

La temperatura es una medida de la energía cinética molecular promedio de un sistema. En la mayoría de las reacciones químicas la velocidad aumenta con la temperatura porque las molécu-las se mueven con más velocidad. A mayor velocidad, aumenta la distancia recorrida por unidad de tiempo y con ella, aumenta la probabilidad de encuentros. Además, mayor velocidad significa que la energía de los choques también es mayor, y es más probable que sea suficiente para provo-car la reacción. La relación entre la velocidad y la temperatura de las reacciones químicas está re-sumida en la ecuación de Arrhenius:

RTAE

A

ek

Donde:

k = Constante de velocidad específicaA = Constante de Arrheniuse = Base de los logaritmos naturales (2.71828)EA = Energía de ActivaciónR = Constante de los gases idealesT = Temperatura absoluta

Energía de Activación. Es la energía necesaria para que los reactivos alcancen el estado activado intermedio. Representa una barrera que los reactivos deben rebasar para convertirse en productos (Figura 7.A).

La energía de activación se relaciona en forma inversa con la velocidad (Figura 7.B). Las reac-ciones termodinámicamente espontáneas, pero que no se llevan a cabo debido que tienen energía de activación elevada, se dice que están en un estado metaestable.

Constante de Arrhenius. El valor de esta constante está relacionado con el cambio de entropía de la reacción porque depende de la forma y tamaño de las moléculas, mientras más complejas son las moléculas de reactivo, menor es el valor de la constante.


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(A) (B)Figura 7. Energía de Activación. (A) Interpretación. (B) Relación con la velocidad

Catalizadores

Los catalizadores son substancias que acele-ran las reacciones químicas, participando en ellas pero sin consumirse. Los catalizadores tienen algunas propiedades generales:

1. Actúan a concentraciones bajas.

2. Participan, pero no se modifican ni con-sumen durante la reacción.

3. No cambian el equilibrio de las reaccio-nes.

4. No modifican las propiedades termo-dinámicas de las reacciones, solamente la velocidad con que se alcanza el equili-brio.

5. Cambian el mecanismo de las reacciones, estabilizando los estados intermedios de alta energía.

6. Disminuye la energía de activación.

Estas propiedades se ilustran en la Figura 8.

Clasificación

Existen dos tipos de catalizadores, los inorgánicos, sintetizados en laboratorios, y los orgánicoso enzimas que sintetizan los seres vivos. Aunque ambos tipos tienen las mismas propiedades ge-nerales, existen diferencias importantes entre enzimas y catalizadores inorgánicos.

1. Tamaño. Las enzimas son proteínas o ácidos nucleicos, más grandes que los substratos, grupos funcionales y catalizadores inorgánicos. Las enzimas tienen pesos moleculares mayores (desde 12,000 a 1 millón de Daltons) que los catalizadores inorgánicos.

Figura 8. Mecanismo de acción de los Cataliza-dores


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2. Especificidad. La mayoría de las enzimas son específicas de los substratos que usan y/o las re-acciones que catalizan, mientras que la especificidad de los catalizadores inorgánicos aún es menor.

3. Capacidad Catalítica. Las enzimas aceleran las reacciones mucho más que los catalizadores inorgánicos, en el orden de 106 a 1017 veces, comparadas con los 102 a 104 de los catalizadores inorgánicos (Tabla 2).

4. Condiciones de Trabajo. Las enzimas son activas en condiciones de pH y Temperatura en las que la mayoría de los catalizadores inorgánicos no funcionan.

Tabla 2. Capacidad catalítica de las enzimas

EnzimaConstante de Velocidad

SIN EnzimaConstante de Velocidad

CON EnzimaAceleración

Anhidrasa Carbónica 1 x 10-4 1 x 102 8 x 106

Quimotripsina 4 x 10-9 4 x 10-2 1 x 107

Lisozima 3 x 10-9 5 x 10-1 2 x 108

Triosafosfato Isomerasa 4 x 10-6 4 x 103 1 x 109

Fumarasa 2 x 10-8 2 x 103 1 x 1011

Amilasa 3 x 10-9 1 x 103 3 x 1011

Adenosina Desaminasa 2 x 10-10 4 x 102 2 x 1012

Ureasa 3 x 10-10 3 x 104 1 x 1014

Fosfatasa Alcalina 1 x 10-15 1 x 102 1 x 1017

Orotidin-5'-fosfato Descarboxi-lasa

3 x 10-16 4 x 10 1 x 1017

ENZIMAS

Funciones de las Enzimas. Además de la catálisis, las enzimas también cumplen otras funcio-nes.

1. Catálisis. La mayoría de las reacciones químicas del metabolismo son lentas, las enzimas ace-leran las reacciones permitiendo que el metabolismo se efectúe a la velocidad que las células requieren.

2. Dirección. Las enzimas no permiten la formación de productos secundarios, de esta manera evitan que se pierdan precursores y energía que la célula necesita; esta característica también se conoce como catálisis negativa.

3. Control. La actividad de las enzimas se puede regular para ajustarla a las necesidades del me-tabolismo. La velocidad del metabolismo es determinada por las enzimas.

4. Acoplamiento. Las enzimas son los agentes encargados de acoplar reacciones no permitidas con reacciones espontáneas, permitiendo que se realicen.

Composición y Estructura

En 1905 Arthur Harden descubrió que la actividad de las enzimas requería de dos fracciones, una no ultrafiltrable y sensible a la temperatura, a la que llamó zimasa, y otra filtrable y resistente al calentamiento, la cozimasa. La zimasa de Harden, está formada por las proteínas, mientras que la cozimasa contenía los sustratos y cofactores necesarios para que la actividad de las enzimas.


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La mayoría de las enzimas son proteínas, como lo descubrió James B. Sumner en 1926, al crista-lizar la enzima Ureasa (EC 3.5.1.5) de la soya. Como tales, tiene todas las propiedades de las proteínas. El descubrimiento de las propiedades catalíticas de moléculas de RNA bautizadas co-mo Ribozimas, realizado en 1981 por Thomas Cech, no modifica en forma importante los temas a revisar ya que en esencia la actividad enzimática de los RNA tiene las mismas característicascinéticas que la de las proteínas.

Figura 9. De izquierda a derecha Arthur Harden, James B. Sumner y Tomas Cech

La actividad enzimática depende de la integridad de la estructura. Todos los niveles estructurales son importantes, 1º, 2º, 3º y 4º de proteínas, y 1°, 2° y 3° de ácidos ribonucleicos. Los agentes que desnaturalizan proteínas, destruyen la actividad enzimática y lo mismo sucede con las ribo-zimas.

Su estructura puede estar constituida sólo por aminoácidos (como la Ribonucleasa pancreática(EC 3.1.27.5) y la Pepsina de la digestión), o pueden ser proteínas conjugadas con otros grupos químicos para realizar acciones que los aminoácidos no pueden. Las ribozimas conocidas sólo necesitan nucleótidos para ser activas, aunque algunas se asocian con iones y proteínas.

Los grupos químicos no proteínicos de las enzimas conjugadas se dividen en tres categorías.

1. Cofactores. De naturaleza inorgánica, frecuentemente iones metálicos, entre los más comunes están Fe2+, Cu1+, Mg2+, Mo2+, Mn2+ y Zn2+.

2. Coenzimas. Compuestos orgánicos, muchos de ellos derivados de vitaminas, también conoci-dos como Cosubstratos. Algunos ejemplos son ácido lipóico, pirofosfato de tiamina, biotina y vitamina B12. Tradicionalmente, se llaman coenzimas a los cosubstratos libres, que se separan de la enzima por diálisis.

3. Grupos prostéticos. Se denomina así a los Cofactores o Coenzimas que se unen con fuerza a su enzima, a veces mediante enlaces covalentes, y no se separan por diálisis.

Las enzimas conjugadas pueden requerir tanto cofactores como coenzimas.

1. Holoenzimas. Son las enzimas conjugadas que tiene actividad catalítica alta porque están uni-das a su coenzima o cofactor.


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2. Apoenzima. Es la parte proteínica de una enzima conjugada, cuando no se encuentra presente el cofactor o coenzima necesarios. En estas condiciones la proteína pierde parte o toda su acti-vidad catalítica.

Basándose en lo anterior, se dice que la proteína es la parte responsable de la especificidad de la enzima mientras que la coenzima o cofactor son responsables de la catálisis. Esta es una simplifi-cación y debe interpretarse con cautela.

Muchas enzimas son proteínas oligoméricas y algunas de sus subunidades tiene funciones de re-gulación.

Varias enzimas tienen más de una forma molecular capaz de catalizar la misma reacción dentro de un organismo, un tejido, e incluso una sola célula. A estas moléculas se les llama Isoenzimas. Las isoenzimas catalizan la misma reacción pero tiene propiedades cinéticas diferentes, composi-ción de aminoácidos distinta y se pueden separar por métodos de purificación. Un ejemplo cono-cido es la Lactato Deshidrogenasa (LDH EC 1.1.1.27) que tiene cinco formas isoenzimáticas, todas con características cinéticas diferentes. La distribución de las isoenzimas en un organismo es el reflejo de las diferencias que hay entre los distintos sitios en que se localiza, por ejemplo:

1. Patrones metabólicos diferentes. Las diferencias entre las isoenzimas de LDH de músculo cardiaco y estriado reflejan las diferencia metabólicas entre ambos tejidos, el primero es esen-cialmente aeróbico mientras que el segundo es facultativo.

2. Localización y función diferente dentro de una misma célula. La enzima Malato Des-hidrogenasa (EC 1.1.1.37) se encuentra en formas diferentes, en la mitocondria y en el cito-plasma de las células, catalizando la misma reacción pero en vías metabólicas distintas.

3. Diferencias en desarrollo de los tejidos. La LDH del hígado muestra un patrón isoenzimático en el feto distinto al del adulto

4. Ajustes en la velocidad del metabolismo. Varias enzimas reguladoras existen en distintas formas isoenzimáticas que difieren en su respuesta a los moduladores, como la Glucocinasa(EC 2.7.1.2) y la Hexocinasa (2.7.1.1).

El primer paso en la catálisis enzimática es la unión del substrato a la enzima para formar el lla-mado complejo Enzima-Substrato (ES). El substrato se une a la enzima en un lugar específico de esta llamado Sitio Activo. En la Figura 9 se muestra el sitio activo de enzima Fosfofructoci-nasa (EC 2.7.1.11) ocupado por sus substratos, ATP y Fructosa – 6 - fosfato.

El complejo ES, se ha estudiado en varias enzimas usando técnicas como la microscopia electró-nica, difracción de rayos X, Resonancia Magnética Nuclear y varios métodos espectroscópicos, determinándose que las propiedades más importantes del sitio activo son:

1. Constituye sólo una pequeña parte de toda la estructura de la enzima.

2. Es el sitio de reconocimiento y unión del substrato.

3. Contiene los restos de aminoácidos que participan en las reacciones químicas.


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4. Tiene una forma tridimensional característica, determinada por el arreglo de restos de aminoá-cidos provenientes de diferentes secciones de la cadena de aminoácidos, que se aproximan en-tre sí, debido a las estructuras 2ª, 3ª y 4ª.

Figura 10. Modelo del Sitio Activo de Fosfofructocinasa

Los substratos se unen al sito activo mediante interacciones no covalentes como:

1. Enlaces electrostáticos.

2. Puentes de hidrógeno.

3. Fuerzas de van der Waals.

4. Interacciones hidrófobas.

Ocasionalmente también se pueden formar enlaces covalentes de corta duración.

Mecanismos de la Catálisis Enzimática

La complementariedad de forma tridimensional entre la enzima y el substrato permite disminuir la energía de activación de la reacción, mediante factores como:

1. La orientación de los substratos en el sitio activo es la más apropiada para la reacción.

2. La participación de las cadenas laterales de los aminoácidos en el complejo ES, permite estabi-lizar los estados de transición.

3. La unión del substrato al sitio activo, aumenta la concentración efectiva de los grupos reactivos y facilita la reacción.

4. Los cambios de conformación de la enzima, provocados por la unión del substrato al sitio acti-vo, inducen tensión en la molécula y facilitan el rompimiento de enlaces.

Existen dos modelos para explicar la unión de la enzima y el substrato y la catálisis enzimática:

1. Modelo de la llave y la cerradura. Fue propuesto por Emil Fischer a finales del siglo XIX. Considera que la enzima es una estructura rígida a la cual se debe ajustar el substrato.


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Figura 11. Modelo de la llave y la cerradura

2. Modelo de ajuste inducido. Desarrollado por Daniel Koshland en la década de 1960. Supone que la enzima es flexible, capaz de cambiar de forma cuando es inducida por la unión del subs-trato apropiado, moviendo los grupos R hacia posiciones que facilitan la reacción.

Figura 12. Modelo de ajuste inducido

Especificidad

La especificidad de las enzimas por sus substratos es variable, y se pueden describir tres tipos ge-nerales:

Especificidad absoluta. Una enzima une sólo un substrato, cataliza una sola transformación y forma un solo producto.

1. Aspartasa (EC 4.3.1.1). Esta enzima de plantas y bacterias cataliza la adición del amoniaco al ácido fumárico para formar el aminoácido l-Aspartato. La enzima es absolutamente específica para la geometría trans del ácido fumárico y la isomería óptica del l-Aspartato.

C

C

CH

C H

O

O

O

O

C

C

CH2

C

OO

O O

NH3

+H+NH4 +

Amonio Fumarato l-AspartatoEsquema 1. Reacción de la Aspartasa

2. Aconitasa (EC 4.2.1.3). Enzima del ciclo de Krebs que interconvierte en forma reversible el Citrato y el Isocitrato. La especificidad es absoluta para los dos ácidos y de los cuatro isómeros posibles del Isocitrato sólo forma y utiliza el isómero 2R, 3S.


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CH2

C

CH2

C

C

C

OH

O

O

O

O

O

O CH2

C

C

C

C

C

H

O

O

O

O

O

O

HOH

Citrato 2R,3S-Isocitrato

Esquema 2. Reacción de la Aconitasa

Especificidad de grupo. Una enzima puede catalizar la misma reacción en un grupo de substra-tos con estructura semejantes.

1. Las enzimas digestivas Tripsina y Quimotripsina (EC 3.4.21.1) miembros de la familia de las proteasas con serina, catalizan el rompimiento de cualquier enlace peptídico e incluso éster, siempre que el grupo carboxilo provenga de aminoácidos específicos, aromáticos en el caso de la Quimotripsina y catiónicos en el de Tripsina.

Esquema 3. Especificidad de Tripsina y Quimotripsina

2. Enzimas de la Oxidación de Ácidos Grasos. Este grupo de enzimas mitocondriales, es capaz de oxidar ácidos grasos, sin importar la longitud de la cadena de carbonos

Esquema 4. Beta-oxidación de ácidos grasos


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Especificidad de reacción. Estas enzimas catalizan una reacción en substratos que pueden tenerestructuras muy diferentes.

1. Las enzimas de destoxificación de fármacos son específicas para reacciones de oxidorreduc-ción, hidrólisis, conjugación, etc., pero los substratos tienen estructuras muy variadas.

2. La Mono Amino Oxidasa (MAO EC 1.4.3.4), cataliza la desaminación oxidativa de varios neu-rotransmisores con estructura diferente.

+NH4+

OH

OH

CH

CH2 NH3

+

OH

OH

OH

CH

CH O

OH

Norepinefrina 3,4-BihidroxifenilglicolaldehidoEsquema 5. Ejemplo de reacción catalizada por la MAO

Algunos autores interpretan la especificidad enzimática de otra forma, diciendo que:

“Todas las enzimas son específicas porque la ausencia de una no puede ser substituida por nin-guna otra”.

Medición de la Actividad Enzimática

La unidad de actividad enzimática se define como la cantidad de enzima que causa la transforma-ción de 1 micromol (1 mol = 10-6mol) de substrato por minuto, a 25 °C, en condiciones óptimas de actividad.

Actividad específica. Es el número de las unidades de actividad de enzima por miligramo de proteína. La actividad específica es una medida de pureza de la enzima, aumenta durante la puri-ficación y alcanza el valor máximo y constante cuando la enzima está pura.

Clasificación y Nomenclatura

En 1878. Friedrich Wilhelm Kühne usó por primera vez el término Enzima, que significa “en la levadura”, para referirse al agente causante de la fermentación del azúcar, y distinguió dicho agente del organismo que lo produce.

En 1883. Pierre Émile Duclaux introdujo la convención de nombrar las enzimas añadiendo el su-fijo “asa”, al nombre del sustrato para el que se reporta por primera vez su acción.

1. Ureasa, cataliza la hidrólisis de Urea.

+ 2H2ONH2

C

O

NH2

Urea

NH4

+

C O

O

ONH4

+

Esquema 6. Reacción de la Ureasa


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2. Arginasa (EC 3.5.3.1) hidroliza el aminoácido Arginina.COO-

CH

CH2

CH2

CH2

NH3

+

NH

CNH NH2

+ H2O

COO-

CH

CH2

CH2

CH2

NH3

+

NH3

+

NH2

C

O

NH2

+

Arginina Ornitina Urea

Esquema 7. Reacción de la Arginasa

Este esquema se modificó empleando el nombre del substrato o producto, seguido del tipo de re-acción con terminación “asa”.

1. Glutamina Sintetasa (EC 6.3.1.2), cataliza la síntesis del aminoácido Glutamina a partir del ácido Glutámico y amoniaco.

COO-

CH

CH2

CH2

CH2

NH3

+

COO-

+

COO-

CH

CH2

CH2

CH2

NH3

+

C NH2O

+NH4

++ ATP ADP + Pi

Glutamato Glutamina

Esquema 8. Reacción de la Glutamina Sintetasa

2. La ya mencionada Lactato Deshidrogenasa, es la enzima que cataliza la oxido-reducción rever-sible del ácido láctico en ácido pirúvico.

COO-

CH

CH3

OH +

COO-

C

CH3

O +NAD+ NADH

l-Lactato Piruvato

+ H+

Esquema 9. Reacción de la LDH

Otros nombres no se relacionaron con el substrato o reacción, sino con la fuente de donde se ob-tenía la enzima.

1. Pepsina (EC 3.4.23.1) es una enzima digestiva que hidroliza proteínas y se obtiene del jugo péptico.

2. Papaína (3.4.22.2) es otra proteasa que se obtiene de la cáscara de papaya.

Estas prácticas dieron como resultado posibles confusiones porque:

1. Una misma enzima puede tener varios nombres; por ejemplo, Citrato Sintetasa, EnzimaCondensante y Citrogenasa, son nombres que se han aplicado a la enzima que cataliza la


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formación de Ácido Cítrico a partir de Ácido Oxalacético y Acetil-CoA en el ciclo de Krebs, que hoy se conoce como Citrato Sintasa (EC 4.1.3.21).

2. Un mismo nombre se puede dar a enzimas diferentes; por ejemplo, las proteasas son enzimas que catalizan hidrólisis de proteínas pero existen varios tipos extra e intracelulares.

Clasificación y Nomenclatura Digital

En 1972. La Comisión de Nomenclatura Enzimática, órgano creado por la Unión Internacional de Bioquímica, hoy Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular, propuso un esquema de nomenclatura y clasificación de las enzimas, basado en los mecanismos de reacción que se ilustran en la Tabla 3, acompañados de ejemplos de nombres recomendados para algunas enzi-mas representativas de cada categoría.

Tabla 3. Mecanismos de Reacción de la Clasificación DigitalNo

CLASE MECANISMO GENERAL EJEMPLOS

1 Oxidorreductasas Rred + Sox Rox + Sred- Malato Deshidrogenasa- Fenilalanina Hidroxilasa- Citocromo Oxidasa

2 Transferasas R + S-GR-G + S - Ornitina Transcarbamilasa- Glucocinasa, Hexocinasa

3 Hidrolasas R-S + HOH R-OH + H-S - Glucosa-6-fosfatasa- Arginasa

4 Liasas C X X +C

R S

R-S

X = C, N, O

- Citrato Sintasa- Enolasa- Fructosa-1,6-bifosfato al-

dolasa- Fumarasa

5 Isomerasas R1 R2- Glucosafosfato Isomerasa- Fosfoglicerato Mutasa

6 LigasasR + S +NTP R S + NDP o NMP

N=A,G,C o U

- Carbamilfofato Sintetasa- Piruvato Carboxilasa- Acetil-CoA Carboxilasa

Este sistema se conoce como la Clasificación Digital, porque cada enzima se identifica con un conjunto de cuatro números, separados con puntos. Antes de los números se escriben las iniciales EC, correspondientes a “Comisión de Enzimas”, que es el organismo encargado de elaborar y mantener dicha clasificación. La clasificación se hace con base en el mecanismo de la reacción que cataliza cada enzima, en especial el del primer paso de la reacción que es determinante de cualquier reacción posterior. Se reconocen seis tipos de mecanismos de reacción, que se designan con números, los cuales se escribe como el primer número de la clasificación de las enzimas; los tipos de mecanismos son:

1. Oxidorreductasas. Catalizan reacciones de transferencia de electrones en las que un substrato se oxida (pierde electrones) y otro se reduce (gana electrones) con frecuencia, uno de los subs-tratos es una coenzima.


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2. Transferasas. Mueven radicales químicos entre dos moléculas distintas al agua.

3. Hidrolasas. Catalizan la transferencia de radicales químicos al agua, lo cual equivale al rom-pimiento de enlaces con adición de los elementos de una molécula de agua.

4. Liasas. Catalizan reacciones de eliminación, formando dobles enlaces, o reacciones de adición a dobles enlaces.

5. Isomerasas. Forman isómeros, moviendo radicales químicos dentro de una misma molécula, provocando cambios estructurales o geométricos.

6. Síntetasas o Ligasas. Forman enlaces C-C, C-S, C-O, ó C-N, acoplando la formación, al rom-pimiento de moléculas de Adenosín Trifosfato (ATP), u otro nucleótido de alta energía de hidrólisis (XTP).

En cada clase principal existen subclases y sub-subclases, que se representan con el segundo y tercer números, y proporcionan información sobre los substratos, productos, coenzimas, tipos de enlace que se modifican, y datos característicos de cada tipo de reacción, como se muestra en la Tabla 4.

Tabla 4. Información en las subclases de la clasificación digitalNo Clase Subclase Sub-subclase1 Oxidorreductasas Grupo donador de electrones Grupo aceptor de electrones2 Transferasas Grupo transferido Grupo donador y/o aceptor3 Hidrolasas Tipo de enlace hidrolizado Tipo de substrato4 Liasas Átomos unidos por el enlace Tipo de substrato5 Isomerasas Tipo de isomerización Tipo de substrato6 Ligasas Tipo de enlace formado Tipo de compuesto formado

Por último, se agrega un cuarto número secuencial que indica el orden en que se incluyen las en-zimas en la clasificación.

Junto con la clasificación digital, la comisión de nomenclatura asigna a cada enzima un nombre sistemático, que describe la reacción, separando con dos puntos los nombres de los participantesy el tipo de reacción (ver Tabla 5). Estos nombres resultan engorrosos por ello, también se asigna un nombre común permitido, frecuentemente el más usado antes de la clasificación.

Como ejemplo de la nomenclatura digital, en el Esquema 10 se presenta la reacción de transfe-rencia de un grupo fosfato entre el ATP y la D-Glucosa.

O

OH

OH

OH

OH

CH211

OH

O

OH

OH

OH

OH

CH2

27

O P O

O

O

+ ATP + ADP

Glucosa Glucosa-6-fosfato

Esquema 10. Reacción de fosforilación de Glucosa


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A una de las enzimas que catalizan esta reacción, le corresponde el número de clasificación EC 2.7.1.1, que significa:

2 = Clase principal = Transferasa7 = Subclase = Grupo transferido = Fosfato proveniente de ATP1 = Sub-subclase = Aceptor = el aceptor es un radical hidroxilo1 = Numero secuencial de la enzima particular dentro de esta categoría.

El nombre oficial asignado a la enzima es ATP : Glucosa : Fosfato Transferasa, y su nombre común recomendado es Hexocinasa.

Tabla 5. Estructura de los Nombres Sistemáticos y RecomendadosNo Clase Sistemático Recomendado1 Oxidorreductasas Donador : Aceptor Oxidorreduc-

tasa Donador DeshidrogenasaAceptor ReductasaDonador Oxidasa (si O2 es el Acep-tor)

2 Transferasas Donador : Aceptor Grupo Trans-ferasa

Aceptor Grupo TransferasaDonador Grupo Transferasa

3 Hidrolasas Sustrato : Molécula Liberada Hidrolasa

Sustrato HidrolasaSustratoasa

4 Liasas Sustrato : Grupo Liberado Liasa Sustrato Grupo LiberadoasaProducto Sintasa (reacción de con-densación)

5 Isomerasas Sustrato : Tipo de isomerizaciónIsomerasa

Sustrato IsomerasaSustrato Tipo de Isomerizaciónasa

6 Ligasas Sustrato 1 : Sustrato 2 Ligasa (Nucleótido)

Molécula Formada Sintetasa

Cinética Enzimática

La cinética enzimática estudia el mecanismo, velocidad y los factores que modifican las reaccio-nes catalizadas por enzimas. Los factores que estudiaremos son la concentración de substrato, temperatura, pH, concentración de enzima, e inhibidores enzimáticos.

Concentración de Substrato

La concentración del substrato tiene un efecto importante en la velocidad de las reacciones en-zimáticas. El análisis del efecto del cambio de concentración de substrato, proporciona informa-ción respecto del mecanismo de reacción, especificidad y propiedades cinéticas de las enzimas.

En 1902, al estudiar la cinética de la hidrólisis de Sacarosa, Adrian Brown descubre la saturación de la enzima Invertasa (EC 3.2.1.26) y propone que la reacción se efectúa en dos etapas, primero la enzima (E) y el sustrato (S), se unen para formar un complejo (ES):

ESSE

Que se disocia liberando el producto (P):

PEES


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Después, en 1903, Víctor Henri estudia el equilibrio de la formación del complejo enzima-substrato y propone una expresión cuantitativa entre la concentración de sustrato y actividad en-zimática. En 1913, Leonor Michaelis y Maude L. Menten corrigieron el trabajo de Brown y Hen-ri. Aplican condiciones estrictas para la medición de la actividad enzimática, y suponen que la formación del complejo ES, es rápida y reversible, mientras que la liberación del producto es len-ta.

Rápida LentaE + S ES E + P

Con base en este supuesto, proponen el modelo del Equilibrio Instantáneo para determinar la relación entre la concentración de substrato y la velocidad de las reacciones enzimáticas y obtie-nen una relación matemática que describe dicho efecto, la cual se conoce como la ecuación de Michaelis y Menten:

S

S

M

MAX

K

Vv

donde:

v = velocidad de la reacción[S] = Concentración de substratoVMAX = Máxima actividad enzimáticaKM = Constante de Michaelis

Figura 13. Leonor Michaelis (izquierda) y Maud Leonora Menten (derecha)

Como se muestra en la Figura 14, la ecuación de Mi-chaelis y Menten es una hipérbola; para valores peque-ños de [S] la cantidad del substrato limita la velocidad; mientras que con valores grandes el límite es la canti-dad de enzima.

Las condiciones de equilibrio instantáneo, propuestas por Michaelis y Menten consisten en suponer que E y Sreaccionan muy rápidamente para formar ES mientras que la disociación del complejo hacia producto es rela-tivamente lenta porque k2 es muy pequeña. Por lo tanto, el complejo ES se encuentra en equilibrio con E y S. Enestas condiciones, KM es igual a la constante de equili-brio de la disociación del complejo ES:

Figura 14. Cinética de Michaelis


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1

1MK

k

k

Ya que k2 es pequeña, a menudo es el factor que limita la velocidad y por ello se conoce como la constante catalítica (kcat) de la enzima.

Figura 15. Geroge Edward Briggs (izquierda) y John Burdon Sanderson Haldane (derecha)

Años después, en 1925 George E. Briggs y John B. S. Haldane corrigieron el trabajo de Micha-leis al establecer que la suposición de que k1 y k-1 son mucho mayores que k2 no siempre se cum-ple, por lo tanto no se alcanza el equilibrio de la disociación de ES. En su lugar proponen que la concentración de ES se encuentra en un Estado Estacionario (Figura 15) en el que la velocidad de formación de ES, es igual a la de descomposición por disociación y por formación de produc-to. Con esta suposición la ecuación no cambia de forma pero KM ya no es igual a la constante de disociación de ES, ahora es:

1

21MK

k

kk

Figura 16. Variación de la concentración de E, S y ES, durante una reacción enzimática

Significado de VMAX

Es la máxima actividad que puede alcanzar una enzima, teóricamente se logra en condiciones de [S] grande, porque entonces la enzima se satura y trabaja tan rápido como es posible. En la práctica es imposible que la enzima alcance el valor de VMAX, debido a limitaciones de difusión de productos y sustratos, desde y hacia el sitio activo.


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Significado y Propiedades de KM

Si la suposición de Michaelis y Menten es valida, KM es la constante de disociación de ES a E + S, igual a k-1/k1. Por lo tanto, es una medida de la afinidad de la enzima por su substrato. Si KM es grande significa que k-1 es grande o que k1 es pequeña por lo que la reacción inversa es mas favo-recida que la reacción directa y con ello la afinidad de la enzima por su substrato es baja. Por el contrario, si KM es pequeña, la afinidad de la enzima por el substrato es grande.

Por otro lado, según Briggs y Haldane, KM representa el cociente (k-1 +k2)/k1, este cociente sigue siendo la constante de disociación de ES, pero ahora tanto hacia S como hacia P, porque se supo-ne que k2 contribuye en forma significativa a la desaparición de ES. De cualquier manera, valores de KM grandes representan baja afinidad por el substrato y valores pequeños afinidad alta.

El valor de KM también corresponde a la concentración de S en la cual v = VMAX/2, que se inter-preta como la concentración a la cual la enzima está saturada sólo a la mitad.

Cuando más de una enzima catalizan una reacción, o si no estamos seguros de cual es el substrato verdadero de una enzima, los valores de KM indican la relación más apropiada.

1. Típicamente, si la enzima trabaja con varios substratos podría suponerse que el substrato con el KM más bajo es el substrato verdadero.

2. Para decidir qué enzima es la importante necesitamos saber la concentración del substrato y el valor de KM.

Según las condiciones de [S], el orden de la reacción enzimática es diferente.

1. Cuando [S] es pequeña, esto es:

SMK

entonces:

MM KK S

y substituyendo en la ecuación de Michaelis y Menten:

M

MAX

K

V Sv

Como VMAX y KM son constantes, su cociente también lo es (k’) y se puede considerar que:

S'v k

Que corresponde a la ecuación de una reacción de primer orden.

2. Cuando [S] es grande:

MKS

se obtiene;

SS MK

y al sustituir en la ecuación de Michaelis y Menten:


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S

SMAXVv

que se simplifica a:

MAXVv

La reacción es orden cero; la velocidad es constante e independiente de [S]

3. Por ultimo, cuando la concentración es intermedia:

SMK

entonces:

MM KK 22 óSS

que en la substitución queda:

S

S

2MAXV

v

y finalmente:

2MAXV

v

Por lo general, los valores de KM y VMAX se determinan usando la transformación propuesta por Hans Lineweaver y Dean Burk, que consiste en obtener la inversa de la ecuación de Michaelis y Menten, con lo cual la ecuación de la hipérbola se convierte en la ecuación de una línea recta.

S

1

V

K

V

11

MAX

M

MAXv

Figura 17. Hans Lineweaver (izquierda) y Dean Burk (derecha)

En una gráfica de 1/v en función de 1/[S], se pueden calcular los parámetros cinéticos extrapo-lando hasta la intercepción en el eje de x = -1/KM y el eje de y = 1/VMAX.


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Figura 18. Gráfica de Lineweaver-Burk

Otro parámetro importante es el número de recambio o constante catalítica de la enzima (kcat), que se define como el número de moles de substrato transformados por mol de enzima por se-gundo. La kcat se puede determinar midiendo la velocidad a diferentes concentraciones de enzima, en condiciones de saturación.

Eficiencia de la catálisis enzimática.

En condiciones fisiológicas, la mayoría de las enzimas no están saturadas con sustrato, el cocien-te [S]/KM está entre 0.01 y 1.0. Cuando [S] < KM, la actividad enzimática es menor que k2 porque la mayoría de los sitios activos están vacíos; la concentración de la enzima libre [E] es casi igual a la concentración total de la enzima [E]T y la velocidad de la enzima depende del valor de kcat/KM y de [S].

Como ya vimos antes, sí [S] << KM entonces:

M

MAX

K

V Sv

y como VMAX = kcat[E]T:

M

Tcat

K

SEkv

que se convierte en:

SE TM

cat

K

kv

El cociente kcat / KM se utiliza a menudo para comparar la eficacia de las enzimas porque:

1. Mientras más bajo es el valor de KM, la afinidad de la enzima por el sustrato es mayor y más alto es el valor de kcat / KM.

2. Un valor grande de kcat indica que la velocidad de reacción es alta y que el valor del cociente es grande.


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Por lo tanto, el valor de kcat /KM proporciona una estimación tanto de la eficacia como de la selec-tividad de una enzima.

El límite del valor de kcat/KM está determinado por k1, la constante de velocidad de la formación del complejo ES. Esta velocidad no puede ser mayor que la velocidad con que se encuentran por difusión una enzima y su substrato y por lo tanto, la velocidad de la catálisis está restringida so-lamente por la velocidad a la cual la enzima encuentra el substrato en la solución. El valor de co-ciente kcat/KM está entre 108 y 109 M-1 s-1.

Tabla 6. Velocidad y KM de algunas EnzimasENZIMA kcat(s

-1) KM(M) kcat / KM

Quimotripsina 0.14 1.5 x 10-2 9.3Anhidrasa Carbónica 4 x 105 2.6 x 10-2 1.5 x 107

Fumarasa 8 x 102 5 x 10-6 1.6 x 108

El límite impuesto por el índice de la difusión en la solución puede ser superado en parte, confi-nando los substratos y los productos en el volumen limitado de un Complejo Multienzimático.

El Tiempo de Recambio es la inversa de kcat, y corresponde al tiempo que tarda la enzima en transformar una molécula de substrato.

Temperatura

Igual que ocurre en las reacciones químicas, al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Esto se debe a que un mayor número de moléculas alcan-zan la energía cinética necesaria para superar la energía de activación de la reacción. Sin embar-go, el aumento de temperatura también disminuye la estabilidad de la estructura de las proteínas y las enzimas comienzan a desnaturalizarse, de modo que a medida que aumente la temperatura la actividad enzimática tiende a bajar. Como consecuencia de estos efectos opuestos del aumento de temperatura, existe una Temperatura Óptima en la cual la actividad enzimática tiene un máxi-mo. Es de suponer que a la temperatura normal de los organismos las enzimas sean estables, y por lo tanto estén por debajo de su temperatura óptima.

Figura 19. Efecto de la temperatura sobre la actividad enzimática

La mayoría de enzimas se desnaturalizan rápidamente a 100 °C y pierden mucha de su actividad al ser expuestas a temperaturas superiores a 60 °C, aún por períodos de tiempo cortos. La particu-


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laridad de algunas enzimas, por ejemplo, la Adenilato Cinasa (EC 2.7.4.3) y la Ribonucleasa de resistir la ebullición, facilita enormemente su purificación ya que el resto de enzimas pueden ser destruidas por un tratamiento preliminar con calor.

Una resistencia excepcional al calor se observa en las enzimas de bacterias que viven en aguas termales, a temperaturas de 60 a 80 °C, como Thermophilus aquaticus, bacteria de la cual se ex-trajo la enzima Polimerasa de DNA (EC 2.7.7.7) que se usó para desarrollar la Reacción en Ca-dena de la Polimerasa (PCR) de gran importancia en la biología molecular actual. Quizá más sorprendente sea el caso de algunas enzimas que pueden ser desnaturalizadas in vitro por una caí-da de la temperatura. Esto se explica suponiendo que a la energía libre de formación de los enla-ces que determinan la conformación de estas enzimas, proviene al menos en parte, de la entropía del medio, la cual disminuye al disminuir la temperatura.

La importancia para los animales homeotermos de mantener su temperatura corporal constante alrededor de 310 K (37 °C) radica en que sí la temperatura del organismo varia con la del am-biente y esta disminuye a 10 °C (283 K) la velocidad del metabolismo disminuye en un factor de 6, respecto de la de 37 °C y esto es una desventaja para la supervivencia.

Para fines prácticos, una expresión conveniente de la relación entre la velocidad de reacción y la temperatura es el llamado Q10, que corresponde al valor del cociente entre la velocidad de la re-acción a dos temperaturas separada por 10 °C

C

C10)(10Q

T

T

v

v

Los Q10 de las reacciones catalizadas por enzimas están comprendidos dentro de un margen es-trecho, entre 1.5 y 2.5, mientras que los de las reacciones no enzimáticas están entre 2.0 y 4.0. El valor de Q10 de una reacción enzimática es importante cuando la actividad de la enzima se mide a temperaturas diferentes de la fisiológica.

pH

El pH del medio afecta la actividad de las enzimas, porque muchos de los aminoácidos tiene res-tos ionizables. Los cambios de pH modifican el grado de ionización de todos o alguno de estos grupos, lo que repercute en la ionización total de la molécula de enzima modificando su actividad al menos por tres mecanismos.

1. Los pH extremos, por debajo de 4.0, o por arriba de 10.0, cambian el grado de ionización de casi todos los restos de aminoácidos de la enzima, de forma que puede alterarse su estructura tridimensional. Si este cambio es suficientemente grande, se desnaturaliza la enzima y se pier-de su actividad de forma irreversible. Incluso, la disminución del pH, que se presenta en las muestras de fluidos corporales o de tejidos por daño o muerte celular, puede ocasionar la des-naturalización de las enzimas.

2. Las variaciones de pH más pequeñas, entre 4 y 10, afectan a un número menor de grupos ioni-zables, pero si éstos están presentes en el sitio activo, la actividad enzimática cambia en forma importante. Sin embargo, este cambio normalmente es reversible.

3. La variación del pH también puede alterar la ionización del substrato, y modificar la unión en-zima substrato.


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Para muchas enzimas, el efecto del pH tiene forma de campana con un valor de pH óptimo bien definido, pero para otras, la forma de la curva es muy diferente; por ejemplo, cuando en la inter-acción enzima substrato participan muchos grupos ionizables. Los puntos de inflexión de la curva pH/actividad corresponderían a los pK de los grupos responsables de la dependencia frente al pH. Este tipo de información se ha utilizado para identificar de los aminoácidos del sitio activo.

Figura 20. Efecto del pH sobre la actividad enzimática

Algunas enzimas están adaptadas para funcionar al pH propio de su ambiente. Por ejemplo, la Pepsina tiene un pH óptimo de 2.0, que corresponde aproximadamente al pH del jugo gástrico. Por otro lado, el pH óptimo de ciertas enzimas intracelulares está muy alejado del pH intracelu-lar; por ejemplo, la Glicerato cinasa (EC 2.7.1.31) tiene un pH óptimo de 9.8, y la Fosfoglicera-to mutasa (EC 5.4.2.1) de 5.9. Esto puede deberse a que las enzimas manifiestan propiedades di-ferentes in vitro e in vivo, donde la interacción con los componentes celulares pueda modificar su dependencia del pH.

Concentración de Enzima

Como se explico antes, la velocidad de la actividad enzimática, depende de la constante catalítica y la concentración del complejo enzima substrato.

SEcatkv

Sí la enzima se encuentra en condiciones de [S] constante, o de saturación, su actividad depende solamente de la concentración de enzima con una cinética de orden 1 esto es, al aumentar la con-centración de enzima la actividad enzimática aumenta en la misma proporción. Este efecto tiene relevancia biológica en los procesos de inducción enzimática, cuando la actividad de una enzima que no existía o estaba a un nivel muy bajo, aumenta por la síntesis de la misma, provocada por la acumulación de su sustrato

Inhibición Enzimática

Los inhibidores enzimáticos son moléculas que se unen a las enzimas y disminuyen su actividad. Las células emplean como inhibidores moléculas de intermediarios metabólicos o iones, para controlar la actividad enzimática como parte de la regulación del metabolismo. En investigación se usan inhibidores para estudiar las propiedades de las enzimas. Muchos inhibidores enzimáticos son usados como medicamentos, venenos, pesticidas, etc. Existen dos tipos generales de inhibi-dores enzimáticos: Reversibles e Irreversibles.


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Los inhibidores irreversibles se combinan o destruyen un grupo funcional de la enzima, necesa-rio para la actividad catalítica. Los inhibidores irreversibles se disocian muy lentamente de la en-zima porque se unen con fuerza, ya sea en forma covalente, la mayoría, o no covalente, por tal motivo se dice que no se pueden eliminar mediante diálisis. Ejemplos de inhibidores irreversibles son:

1. Diisopropilfluorofosfato (DIFP). Inhibidor de la enzima Acetilcolina esterasa (EC 3.1.1.7)que cataliza la hidrólisis del neurotransmisor acetilcolina. Esta reacción es necesaria para la co-rrecta transmisión nerviosa. Se usó como pesticida ha disminuido debido a su toxicidad eleva-da. El DIFP se une específicamente a un residuo de Serina en el sitio activo de la enzima.

CH O P

CH3

CH3

O CH

CH3

CH3F

O

Ser

CH2

OHSer

CH2

OCH O P

CH3

CH3

O CH

CH3

CH3F

O

H+

F

Ser

CH2

O

CH O P

CH3

CH3

O CH

CH3

CH3

O

Esquema 11. Reacción del DIFP

2. La yodo-acetamida es un inhibidor irreversible que reacciona específicamente con los grupos sulfhidrilo de la Cisteina.

I CH2 C NH2

O

Esquema 12. Yodacetamida

3. El Cianuro(1-) interfiere con el transporte de electrones en el grupo Hemo de los citocromos.

4. Los iones Mercurio(II) y Plomo(II) inhiben las enzimas que tienen grupos tiol (-SH), en su si-tio activo, uniéndose a ellos.

Por su parte, los inhibidores reversibles se unen a las enzimas con menos fuerza, casi siempre en forma no covalente, de modo que se disocian rápidamente y se pueden eliminar por diálisis. No modifican la estructura de los grupos funcionales de las enzimas y cuando se disocian, la enzima recupera su actividad. Los inhibidores reversibles se clasifican según su efecto cinético en tres clases: Competitivos, No Competitivos e Incompetitivos.

1. Inhibidores Competitivos

a. Por lo general son análogos del substrato. Su estructura tridimensional es semejante a la del substrato natural.

b. Compiten con el substrato por el sitio activo. La enzima puede unir al substrato o al inhibi-dor pero no ambos simultáneamente, la unión de uno inhibe la unión del otro.


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Figura 21. Unión de Inhibidores competitivos

c. El inhibidor unido a la enzima no es transformado, sólo ocupa el sitio activo y evita la for-mación del complejo ES, disminuyendo la proporción de moléculas de enzima que pueden formar producto.

Esquema 13. Mecanismo de acción de los Inhibidores competitivos

d. La velocidad máxima de la enzima no cambia porque el efecto del inhibidor se puede rever-tir, aumentando la concentración de substrato; por eso se dice que la inhibición competitiva es remontable.

(A) (B)Figura 22. Gráficas de Michaelis-Mente (A) y Lineweaver-Burk (B) del efecto cinético de los In-

hibidores competitivos

e. La KM aumenta por un factor igual a (1+[I]/Ki) siendo [I] la concentración del inhibidor y Ki la constante de afinidad del inhibidor por la enzima.

2. Inhibidores No Competitivos

a. Su estructura tridimensional no necesita estar relacionada con la del substrato.


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b. No compiten con el substrato, se une a la enzima en un sitio distinto del sitio activo. La en-zima puede unir al substrato y al inhibidor simultáneamente. Pueden formar complejos tanto con la enzima libre como el complejo ES.

Figura 23. Unión de Inhibidores No competitivos

c. Al unirse a la enzima cambian la conformación de esta, evitando que transforme el substrato en producto.

d. Disminuyen el número de recambio de la enzima y la inhibición no puede ser remontada con concentraciones altas de substrato por lo que la VMAX disminuye en un factor igual a (1+[I]/Ki).

Esquema 14. Mecanismo de acción los Inhibidores No Competitivos

e. La enzima que no está unida al inhibidor no cambia y por ello KM permanece constante.

(A) (B)Figura 24. Gráficas de Michaelis-Menten (A) y Lineweaver-Burk (B) del efecto cinético de los inhibidores No competitivos


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3. Inhibidores Incompetitivos o Acompetitivos

a. No tienen relación estructural con el substrato.

b. Son incapaces de unirse a la enzima libre, primero se debe formar el complejo ES para que la enzima adquiera una conformación a la cual se une el inhibidor.

Figura 25. Unión de Inhibidores incompetitivos

c. La unión del inhibidor impide que la enzima adquiera la conformación necesaria para trans-formar el substrato en producto.

d. No se puede remontar la inhibición porque la presencia de mayor cantidad de substrato favo-rece la unión del inhibidor, y por ello VMAX disminuye en un factor igual a (1+[I]/Ki).

Esquema 15. Mecanismo de acción de los Inhibidores Incompetitivos

e. La interacción del inhibidor con el complejo ES desplaza el equilibrio hacia la formación del complejo ES, por lo que KM también diminuye en un factor igual a (1+[I]/Ki).

(A) (B)Figura 26. Gráficas de Michaelis-Menten (A) y Lineweaver-Burk (B) del efecto cinético de los

Inhibidores incompetitivos


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Las características de los inhibidores enzimáticos reversibles se resumen en la Tabla 7.

Tabla 7. Propiedades de los Inhibidores ReversiblesTipo de Inhibidor Mecanismo de acción KM VMAX Ecuación

Competitivo Se unen sólo a la enzima libre Aumenta No cambia

SK

IK

SVv

iM

MAX

1

No CompetitivoSe unen a al enzima libre y al complejo enzima-sustrato

No cambia Disminuye

iM

MAX

K

ISK

SVv

1

IncompetitivoSe unen sólo al complejo enzima – sustrato

Disminuye Disminuye

iM

MAX

K

ISK

SVv

1

Regulación de la Actividad Enzimática

Existen varios niveles de control de la actividad de las enzimas, los tres más importantes para no-sotros son:

1. Regulando la concentración de enzima. La actividad de cualquier enzima es proporcional a la cantidad que existe de ella.

2. Modificando la estructura covalente de la enzima. Diferentes formas de regulación de la ac-tividad enzimática implican la formación y el rompimiento de enlaces covalentes.

3. Alterando la forma de las enzimas. Como cualquier otra macromolécula, la función de las enzimas depende de su forma tridimensional, modificaciones de esta alteran la actividad.

Regulación de la Concentración de Enzimas. La actividad de algunas enzimas se encuentra presente durante toda la vida de la célula, aún en momentos en los que no se usan. Este tipo de enzimas se llama constitutivas. En contraste, existe otro grupo de enzimas que sólo se sintetiza cuando se van a usar, son las llamadas enzimas inducibles. Ejemplos de enzimas constitutivas son las de Glicólisis, síntesis de proteínas, metabolismo de ácidos grasos, etc. Todas estas enzi-mas son de gran importancia en el metabolismo energético y de síntesis en las células. Entre las enzimas inducibles se encuentran las que se encargan de la destoxificación de fármacos, las en-zimas de síntesis de colesterol y algunas encargadas de otras vías especiales y específicas de al-gunos tipos celulares.

La regulación de la concentración de enzimas se lleva a cabo a través del control de la síntesis de proteína, mediante el mecanismo conocido como Operón. El operón es la unidad de regulación de la expresión de la información genética, y su funcionamiento detallado se discutirá al estudiarlas funciones de los ácidos nucleicos. En este momento, basta decir que cuando hace falta el pro-ducto de una vía metabólica o se acumula el substrato de una enzima, se induce la síntesis de las enzimas de la vía respectiva. Por otro lado, cuando se acumula el producto de una vía metabólica, o se adquiere del exterior, se reprime la síntesis de una o más de las enzimas de la vía. Esta for-ma de regular la actividad de las enzimas tiene la característica principal de ser económica pues las enzimas sólo se sintetizan cuando se necesita su actividad. Por otro lado, tiene la desventaja


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de ser lenta en respuesta porque es necesario que se sintetice la enzima, y además irreversible, una vez sintetizada la enzima su actividad no se detiene hasta que se degrada.

Modificaciones covalentes. Esta forma de regulación se lleva a cabo mediante el rompimiento y/o formación de enlaces covalentes. Existen dos tipos básicos.

1. Activación de zimógenos o proenzimas. Los zimógenos o proenzimas son moléculas de pro-teína sin actividad catalítica que se sintetizan, se guardan y se convierten en enzimas activas por hidrólisis de una parte de su estructura, cuando se necesita su actividad.

Por ejemplo, la Tripsina una proteasa de la digestión, se sintetiza en el Páncreas en forma de Tripsinógeno el cual se libera al intestino delgado donde es convertido en Tripsina por acción de la enzima Enteropeptidasa (EC 3.4.21.9), que elimina seis aminoácidos del extremo carboxilo de la cadena peptídica. Todas las enzimas digestivas del Páncreas (Tripsina, Quimotripsina,Elastasa (EC 3.4.21.36), Carboxipeptidasa (EC 3.4.16.5)), se regulan de esta forma.

Este mecanismo de regulación tiene la ventaja de que la respuesta es más rápida que en la regu-lación de la síntesis, pero es menos económica porque se debe sintetizar la enzima, aunque no se use, además, sigue siendo irreversible.

2. Regulación por Fosforilación - Desfosforilación. La adición de fosfatos a la estructura de al-gunas enzimas puede aumentar o disminuir su actividad. Sí la enzima desfosforilada es activa, la fosforilación la inhibe. Por el contrario, sí la enzima sin fosfato no tiene actividad, la fosforila-ción la activa. La eliminación del fosfato devuelve la enzima a su estado de actividad inicial.

La fosforilación de las proteínas está a cargo de las enzimas llamadas Proteín Cinasas (EC 2.7.1.n) y la desfosforilación depende de las Proteín Fosfata-sas (EC 3.1.3.n). Ambos tipos de enzimas también se pueden regular. Las proteín cinasas se agrupan en familias, según el resto de aminoácido al que unen el fosfato, como proteín cinasas de Tirosina, Treonina o Serina.

Un buen ejemplo de este tipo de regulación se en-cuentra en las enzimas del metabolismo del Glucógeno. La síntesis de Glucógeno depende de la enzima Glucógeno Sintasa (EC 2.4.1.11), que sin fosfato es activa y cuando es fosforilada dis-minuye su actividad. Por su parte, la Glucógeno Fosforilasa (EC 2.4.1.1) que degrada el Glucó-geno, es inactiva cuando no tiene fosfato y se activa por fosforilación, de esta forma las dos vías no pueden funcionar simultáneamente; los estímulos que favorecen la fosforilación de las enzi-mas, estimulan la degradación y detienen la síntesis, mientras que la desfosforilación activa la síntesis y detiene la degradación.

Con frecuencia los estímulos externos, como neurotransmisores y hormonas, provocan cambios dentro de la célula activando las proteín cinasas.

La regulación por Fosforilación - Desforforilación, es costosa en cuanto a energía porque los fos-fatos que se usan para fosforilar las proteínas provienen de ATP y la energía se pierde al desfos-forilarlas, pero es de respuesta muy rápida, por la intervención de enzimas, además, es reversible.

Figura 27 Regulación por fosforilación y desfosforilación


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Por último, la misma intervención de enzimas en este tipo de regulación, le da la capacidad de amplificar señales, pues una sola proteín cinasa activa es capaz de transformar muchas proteínas.

Modificación de la Conformación. La actividad de las enzimas depende de su forma tridimensional,por lo tanto, la modificación de dicha forma provo-cará cambios en la actividad de la enzima; esta es la base de la regulación alostérica. Todas las proteí-nas se encuentran en constante cambio de forma tridimensional. En una enzima, una de esas con-formaciones, llamada forma tensa, puede tener po-ca afinidad por el substrato y por lo tanto poca acti-vidad mientras que otra conformación, la llamada

forma relajada, tiene gran afinidad por el substrato y gran actividad.

Alguna molécula, puede unirse a la enzima y estabilizar la forma relajada, activando la enzima; en cambio, otra molécula puede unirse y estabilizar la forma tensa, inhibiendo la enzima. Las moléculas que se unen a la enzima y modifican su actividad se llaman moduladores alostéricos. Los activadores se denominan moduladores positivo y los inhibidores, moduladores negati-vos. Con frecuencia los moduladores negativos son los productos finales de una vía sintética, mientras que los positivos son intermediarios o el propio substrato de la enzima. También es fre-cuente que intermediarios metabólicos importantes sirvan como moduladores alostéricos, como el ATP que activa las vías que usan energía e inhibe las que la producen. Cuando el modulador es el mismo que el sustrato, se habla de una modulación homotrópica y cuando es diferente la modu-lación es heterotrópica. Los moduladores se unen a la enzima en sitios reguladores, diferentes del sitio activo, de ahí el nombre de alostéricos, y su unión por lo general no es covalente. Las enzimas alostéricas son oligoméricas, tienen estructura cuaternaria.

Las enzimas alostéricas tienen cinética sigmoidal, diferente a la cinética hiperbólica clásica (Fi-gura 28.A). La unión de activadores alostéricos, desplaza la curva hacia una forma más hiperbó-lica, mientras que los inhibidores la hacen más sigmoidal (Figura 28.B). En las enzimas alostéri-cas la afinidad por el substrato se mide como la K0.5, que es la concentración a la cual se satura el 50% de la enzima. Al igual que KM, la K0.5, es inversamente proporcional a la afinidad de la en-zima por su substrato. Los activadores aumentan la afinidad y disminuyen la K0.5, los inhibidores disminuyen la afinidad y aumentan la constante.

(A) (B)Figura 29. (A) Cinética sigmoidal de enzimas alostéricas. (B) Efecto de moduladores alostéricos

Figura 28 Regulación por cambio de con-formación


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La actividad de algunas enzimas alostéricas también es controlada por proteínas reguladoras co-mo la Calmodulina. Esta familia proteínas cambian su conformación en respuesta a la variación del nivel intracelular de Calcio y se unen a muchas proteínas, entre ellas varias enzimas, modifi-cando su actividad a través de interacciones alostéricas. Muchas enzimas pueden ser reguladas mediante más de un mecanismo, por ejemplo, algunas enzimas alostéricas al ser fosforiladas pierden la capacidad de responder a los moduladores de actividad, inhibidores, activadores o am-bos.

Aspectos de Interés Médico

El estudio de las propiedades de las enzimas es de importancia en Medicina por múltiples razo-nes. Primero, son la clave para entender los estados de salud y enfermedad porque determinan el balance y control metabólico. Muchas enfermedades son provocadas por defectos en la actividad de las enzimas, ya sea por su ausencia o por deficiencias en su actividad o regulación. Algunos ejemplos de estos desordenes incluyen los que se muestran en la Tabla 8.

Para remediar estas enfermedades se han intentado varias estrategias para reemplazar la enzima defectuosa. Una de las más exitosas es el uso de enzimas encapsuladas. La terapia génica es una promesa para el tratamiento de este tipo de desordenes pero aún se encuentra en etapa experimen-tal y no es posible aplicarla en forma rutinaria.

Un aspecto interesante de la terapia génica relacionado con las enzimas, es el uso de ribozimas con el fin de corregir las moléculas de RNA mensajero defectuosas. En experimentos realizados recientemente, se empleó una ribozima para corregir el RNA mensajero de la Hemoglobina S, y permitir la síntesis de Hemoglobina A, normal. Esta estrategia podría convertirse en una nueva arma en la terapia enzimática de los desordenes genéticos.

Tabla 8. Enfermedades provocadas por defectos en la actividad de enzimasEnzima Desorden

Hidoximetilglutaril-CoA Reductasa Hipercolesterlemia congenita, cuando no responde a la regulación normal

Galactosa Cinasa Cataratas en la Infancia por falta de la enzimaGalactosa-1-fosfato Uridil Transferasa Su ausencia es la causa de la Galactosemia.UDP-Galactosa-4-Epimerasa Galactosemia, cuando falta en el hígadoFructocinasa Su ausencia produce Fructosura esencial (asintomática)Fructosabifosfato Adolasa (Aldolasa B) Cuando no está, se presenta la Intolerancia Hereditaria a

la Fructosa (variable)Tirosina-3-Oxigenasa Albinismo, cuando falta en las células de la pielHomogentisato Oxidasa Cuando falta se presenta AlcaptonuriaTitorina Hidroxilasa Su ausencia se asocia al mal de ParkinsonFenilalanian Hidroxilasa Su ausencia provoca FenilcetonuriaHipoxantina-Guanina Fosforribosil-Transferasa

La falta de la enzima provoca el Síndrome del Lesch-Nyhan

Adenosina Desaminasa La falta de la enzima produce Inmunodeficiencia congénita


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Otro uso importante de las enzimas en Medicina es el apoyo en el diagnóstico y seguimiento de enfermedades. Varias enzimas se utilizan con fines de diagnósticos y seguimiento de desordenes. Algunos ejemplos representativos se muestran en la Tabla 9.

Tabla 9. Algunas enzimas de empleadas en diagnósticoEnzima Uso Diagnóstico Principal

Aspartato Amino Transferasa Infarto del MiocardioAlanina Amino Transferasa Hepatitis viralAmilasa Pancreatitis agudaCeruloplamina Enfermedad de Wilson (Degeneración hepatolenticular)Creatincinasa Trastornos musculares e infarto del miocardioFosfatasa ácida Carcinoma metastático de próstataFosfatasa alcalina Enfermedades óseas y trastornos hepáticos obstructivos-Glutamil transpeptidasa Enfermedades hepáticasLactato deshidrogenasa Infarto del miocardioLipasa Pancreatitis aguda

Por último, las enzimas son el blanco de casi la mitad de todos los fármacos conocidos, el uso y desarrollo racional de estos, requiere del conocimiento sólido de las propiedades de las enzimas y de las vías metabólicas en que participan.

termodinámica, cinética y enzimas maría de la luz...

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