Revisión actual del 01:12 24 oct 2018

Aprendizaje

El alumno describirá las características de las enzimas como punto de partida para identificar sus principales tipos y funciones.

Introducción

Las enzimas son biocatalizadores de naturaleza proteica. Todas las reacciones químicas del metabolismo celular se realizan gracias a la acción de catalizadores o enzimas. La sustancia sobre la que actúa una enzima se denomina substrato. Pasteur descubrió que la fermentación del azúcar mediante levaduras, con su conversión en alcohol etílico y anhídrido carbónico es catalizada por fermentos o enzimas. En 1897 Buchner logró extraer de las células de levadura las enzimas que catalizan la fermentación alcohólica. Sumner en 1926, aisló en forma cristalina la enzima ureasa, a partir de extractos obtenidos de Cannavalia enzyformis (Fabaceae) la que hidroliza la urea según la siguiente reacción:

(NH₂)₂ CO + H₂O ^UREASA-------> CO₂ + 2 NH₃

En 1930, Northrop aisló en forma cristalina las enzimas digestivas: pepsina, tripsina y quimotripsina. En la actualidad se conocen más de 2000 enzimas que han sido aisladas en forma cristalina.

En términos generales los catalizadores se caracterizan por las siguientes propiedades:

1º Son eficaces en pequeñas cantidades. Tienen un número de recambio, que varia entre 100 y 36 millones (anhidrasa carbónica). El número de recambio o actividad molar, se define como la cantidad de substrato transformado en la unidad de tiempo por una cantidad dada de enzima, por ej. la catalasa hidroliza 5,6 x 106 moléculas de H₂O₂ por molécula de enzima por minuto, por lo que su número de recambio es 5,6 x 106 .

2º No se alteran durante las reacciones en que participan.

3º Aceleran el proceso para la obtención del equilibrio de una reacción reversible.

4º Muestran especificidad. La acción de la enzima es extremadamente selectiva sobre un substrato específico.

Las enzimas tienen pesos moleculares que oscilan entre 12.000 y un millón. Algunas enzimas son proteínas conjugadas; ya que poseen un grupo no proteico o prostético, por ejemplo: un azúcar –glucoproteínas; un lípido –lipoproteínas; un ácido nucleico -nucleoproteínas.

Una enzima completa se denomina holoenzima, y está formada por una parte proteica (apoenzima o zimógeno) y un cofactor no proteico (coenzima).

La actividad catalítica de una enzima está determinada sobre todo por su secuencia de aminoácidos y por la estructura terciaria, es decir, la estructura de plegamiento tridimensional de la macromolécula.

Muchas enzimas precisan para su función la presencia de un ion o una molécula que recibe el nombre de cofactor.

Entre los cofactores que requieren las enzimas para su funcionamiento están las coenzimas: NADPH+H (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido), NAD (nicotinamida adenina dinucleótido), FAD (flavina adenina dinucleótido), piridoxal, biotina, tiamina, ácido tetra hidrofólico, cobalamina, etc. Así mismo, muchas enzimas requieren activadores metálicos, por ejemplo el Fe++ el cual puede entrar y salir de la enzima, o sea, no es parte estructural de la misma, solo se da una unión fuerte entre la enzima y el ion. Cabe señalar que los iones no solo puede ser Fe++, sino también Mn++, Mg++, Zn++, etc.

Clasificación de las enzimas

Debido al gran número de enzimas conocidas en la actualidad, se ha adoptado una clasificación y nomenclatura más sistemática, en la que cada enzima tiene un número de clasificación que la identifica.

1. Oxidorreductasas. Reacciones de transferencia de electrones. 


2. Transferasas. Transferencia de grupos funcionales. Ejemplo: UDP-glucosa-fructosa-glucotransferasa. 


3. Hidrolasas. Reacciones de hidrólisis. Ejemplo: lipasa, proteasa, celulasa. 


4. Liasas. Adición a dobles enlaces. Ejemplo: carboxilasa, fenilalanina amonioliasa. 


5. Isomerasas. Reacciones de isomerización. Ejemplo: fosfoglucosa isomerasa.


6. Ligasas. Se conocían como sintetasas. Participan en la formación de enlaces con hidrólisis de ATP.

Catálisis molecular

Un catalizador modifica la velocidad de una reacción química sin ser utilizado o aparecer como uno de los productos de la reacción. Una reacción química en la que un substrato(S) se transforma en un producto (P): S ----------> P, ocurre por que cierta fracción de moléculas de S, posee mucho más energía que el resto de ellas, lo que es suficiente para que alcancen un estado activado, en el que pueda formarse o romperse un enlace químico y se forme el producto (P).

La energía de activación es la cantidad de energía expresada en calorías, necesaria para que todas las moléculas de un mol, a una temperatura dada alcancen el estado reactivo. Mientras que, el estado de transición es el estado rico en energía de las moléculas que interactúan en la cima de la barrera de activación. La velocidad de una reacción química es proporcional a la concentración del complejo en el estado de transición.

Una reacción química se puede acelerar de la siguiente forma:

1.Al aumentar la temperatura se incrementa la energía cinética, por lo que es mayor el número de moléculas que alcanzan el estado de transición. Generalmente el Q₁₀= 2, lo que indica que la velocidad de una reacción química se duplica al aumentar la temperatura en 10^oC.

2.Añadiendo un catalizador, que disminuye la energía de activación y aumenta la velocidad de reacción.

La enzima (E), se combina con el substrato (S) formando el complejo de transición, enzima-substrato (E-S), mediante una reacción reversible, cuya energía de activación es menor que la de la reacción no catalizada. Cuando se forma el producto de la reacción (P), se regenera de nuevo la enzima (E) de forma libre, la que puede combinarse de nuevo con otra molécula de substrato (S).

La enzima (E), se combina con el substrato (S) formando el complejo de transición, enzima-substrato (E-S), mediante una reacción reversible, cuya energía de activación es menor que la de la reacción no catalizada

Una enzima reduce más eficientemente la energía de activación (E_a) de una reaccción que un catalizador inorgánico, lo que permite que una reacción se realice a menortemperatura.

Efecto de la concentración del substrato sobre la catálisis enzimática

La actividad de una enzima se puede estudiar in vitro, bajo condiciones controladas añadiéndole una enzima a un substrato. Sí se trabaja con la condición de que la concentración del substrato sea saturante, variando entonces la concentración de enzima, se observa que aumenta el producto de la reacción, a pH y temperatura constante.

Si se mantiene la concentración de la enzima constante y variando la concentración de substrato se obtiene una curva hiperbólica como la de la figura 8. Al principio un aumento de la concentración de substrato produce un aumento rápido de la velocidad de reacción, pero si se sigue aumentando la concentración de substrato, la velocidad de reacción comienza a disminuir y a muy altas concentraciones de substrato se observa que no cambia la velocidad de reacción, se dice que los centros activos de la enzima se encuentran saturados. La velocidad de reacción que se obtiene a esa alta concentración de substrato se define como la velocidad máxima (V) de la reacción enzimática bajo las condiciones especificadas.

Efecto del pH sobre la actividad enzimática

Sabiendo que las enzimas son proteínas, cualquier cambio brusco de pH puede alterar el carácter iónico de los grupos amino y carboxilo en la superficie proteica, afectando así las propiedades catalíticas de una enzima. A pH alto o bajo se puede producir la desnaturalización de la enzima y en consecuencia su inactivación. La fosfatasa ácida es más activa a pH = 5.0, mientras que la fosfatasa alcalina lo es a pH = 9.0. Muchas enzimas tienen máxima actividad cerca de la neutralidad en un rango de pH de 6 a 8. El pH per se no afecta la actividad enzimática, sino la concentración de protones. Los protones además de alterar la estructura de la enzima y el substrato, pueden participar también en la reacción como substrato o producto. En esos casos, la concentración de protones afecta directamente la velocidad de la reacción.

Efecto de la temperatura

Un aumento en la temperatura provoca un aumento de la velocidad de reacción hasta cierta temperatura óptima, ya que después de aproximadamente 45^oC se comienza a producir la desnaturalización térmica. Las enzimas de muchos mamíferos tienen una temperatura óptima de 37^o C, por encima de esa temperatura comienzan a inactivarse y se destruyen Sin embargo existen especies de bacterias y algas que habitan en fuentes de aguas termales y en el otro extremo ciertas bacterias árticas tienen temperaturas óptimas cercanas a 0^o C.

Efecto de activadores

El tripsinógeno es convertido en tripsina por la misma acción de la tripsina, que remueve un hexapéptido. 


Tripsinógeno ------^tripsina------------------> Tripsina + Val (Asp)₄lisina

Otra forma de activación consiste en mantener los grupos SH reducidos. Estos grupos pueden formar parte de centros activos de ciertas enzimas. Si se oxidan estos grupos a -S-S- la enzima se inactiva. Así tenemos que la enzima papaina, se inactiva después de exponerla al oxígeno; pero cuando se le añade un reductor apropiado la enzima se reactiva. Los grupos -S-S- se convierten en -SH, activándose la enzima.

Especificidad absoluta

L-aminoácido ------^Oxígeno------> a -cetoácido + NH₃ + H₂O₂ >⁺

L-aminoácido oxidasa

D-aminoácido ------^Oxígeno------> a -cetoácido + NH₃ + H₂O₂

D-aminoácido oxidasa.

En este ejemplo se muestra la estereo-especificidad. Una enzima puede tener una especificidad óptica para isómeros dextro (D), desviando la luz polarizada hacia la derecha, o levo (L), desviando la luz polarizada hacia la izquierda.

Hay enzimas que muestran especificidad absoluta como la aspartasa, que cataliza la adición reversible de amoníaco al doble enlace del ácido fumárico, pero no al de otros ácidos insaturados.

HOOC – CH = CH – COO- +NH₄⁺<-------------> HOOC – CH₂ - CHNH₂ - COO- + H⁺

Especificidad relativa

Ciertas enzimas muestran especificidad relativa, ya que actúan sobre muchos compuestos que poseen un rasgo estructural común. Por ejemplo, la fosfatasa del riñón cataliza la hidrólisis de ésteres fosfato del ácido fosfórico a diferentes velocidades, la amilasa hidroliza el almidón independientemente de su origen. Las proteasas y lipasas hidrolizan proteínas y lípidos.

Del estudio de la especificidad del substrato que exhiben las enzimas, surge la idea de una complementariedad, o relación semejante a la de una llave y una cerradura, entre la molécula del substrato y una zona determinada de la superficie de la molécula de la enzima, la cual recibe el nombre de centro activo o centro catalítico.

Inhibición enzimática

a) Inhibición irreversible

Este tipo de inhibidores forman un enlace covalente con las enzimas cerca del centro activo. Un ejemplo son los gases nerviosos, como el fluorofosfato de diisopropilo (DFP) que forma un complejo con la enzima acetilcolinesterasa. Los animales envenenados con este gas quedan paralizados, debido a la imposibilidad de transmitir adecuadamente los impulsos nerviosos.

Ester di-isopropil fosfórico de la enzima (inactivo)

b) Inhibición competitiva

Es cuando el inhibidor compite con el substrato por la unión con el centro activo de la enzima. Este tipo de inhibición puede reducirse si se aumenta la concentración de substrato.

En la inhibición competitiva la enzima se combina con el inhibidor para formar un complejo enzima-inhibidor:

E + I --------------> E I en competencia con la reacción normal E + S --------> E S

La sulfanilamida (bactericida) interfiere con la síntesis del ácido fólico compitiendo con el ácido p-aminobenzoico, de una forma competitiva.

c) Inhibición no competitiva Esta inhibición se caracteriza por que no se puede revertir el efecto del inhibidor ni al aumentar la concentración del substrato.

Por ejemplo la inhibición de la deshidrogenasa del gliceraldehido-3-fosfato por la yodo-acetamida:

Enzima-SH + I-CH₂ CONH₂

Enzima-SCH₂ CONH₂ + IH

A) El sustrato se une a la enzima en el sitio activo. B) Un inhibidor competitivo se une a la enzima en el sitio activo. C) Un inhibidor no competitivo modifica la afinidad de la enzima por el sustrato, al unirse en un sitio distinto al sitio activo

d) Inhibición por metales.

Ciertos metales como el plomo, mercurio y arsénico inhiben enzimas que tienen en su centro activo grupos -SH libres.

Comprensión de conceptos

Para ser contestadas grupalmente

1.¿Qué tipo de compuesto químico son las enzimas?

2.¿Qué función tienen las enzimas en las reacciones del metabolismo celular?

3.¿Qué propiedades tienen los catalizadores?

4.¿Qué es una holoenzima?

5.¿Cómo están clasificadas las enzimas?

6.¿Qué se entiende por energía de activación?

7.¿Qué factores modifican la velocidad de una reacción?

8.¿A qué se le llama substrato?

9.¿Cuál es el efecto causado por la acción de una enzima, sobre la energía de una reacción?

10.¿Qué le sucede a la constante de equilibrio de una reacción, cuando a ésta se le adiciona una enzima?

11.¿Cómo se comporta una reacción al incrementarse la concentración de un substrato?

12.¿Qué le sucede a la actividad enzimática al modificarse el pH?

13. ¿Qué hace un inhibidor en una reacción?

14.¿Qué efecto tienen los activadores sobre la velocidad de una reacción?

15. Al pensar en especificidad del substrato que exhiben las enzimas, surge la idea de una complementariedad. ¿Qué significa este término?

Bibliografía

1.Cox, M. and Nelson, D. L., Lehninger Principles of Biochemistry. (Palgrave Macmillan, 2004).

2.Price, N. and Stevens, L., Fundamentals of Enzymology: Cell and Molecular Biology of Catalytic Proteins Oxford University Press, (1999),

3.Walsh, C., Enzymatic Reaction Mechanisms. W. H. Freeman and Company. 1979.

4.Wimmer M, Rose I. "Mechanisms of enzyme-catalyzed group transfer reactions". Annu Rev Biochem 47: 1031-78. 1978

5.Enzyme Nomenclature, Recommendations for enzyme names from the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology.

6.http://www.forest.ula.ve/~rubenhg/enzimas/index.html

7.http://images.google.com.mx/imgres