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Departamento de Biología y Geología
IES Francisco Pacheco
José Mª Molina García
6. ENZIMAS.
6.1. Concepto y estructura.
6.2. Mecanismo de acción enzimática.
6.3. Cinética enzimática.
6.4. Regulación de la actividad enzimática: temperatura, pH, inhibidores.
6.5. Nomenclatura y clasificación de las enzimas.
6.1. Concepto y estructura.
Son las moléculas proteícas más abundantes. Se encuentran en todo tipo de células y catalizan las
reacciones químicas de los seres vivos (biocatalizadores).Un catalizador es una sustancia que
aumenta la rapidez o velocidad de una reacción química, sin verse alterada ella misma en el
proceso global. Son por tanto, las responsables del metabolismo celular. Son específicas de las
reacciones que catalizan y de los sustratos que intervienen.
Los enzimas son catalizadores muy potentes y eficaces (aumentan la velocidad de las reacciones
entre 103 y 109 veces). No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente desfavorables,
no modifican el sentido de los equilibrios químicos, sino que aceleran su consecución.
Simplemente se alcanza más rápido el estado de equilibrio.
Podemos apreciar el poder de la catálisis enzimática con un ejemplo: la descomposición del peróxido
de hidrógeno en agua y oxígeno (2H2O2 → 2H2O + O2). Esta reacción aunque fuertemente
favorecida termodinámicamente, es muy lenta, a menos que sea catalizada. Se puede comprar una
botella de una solución de H2O2 y guardarla en un armario durante meses antes de que se degrade.
Si añadiéramos un trocito de ión férrico (como FeCl3) la velocidad de la reacción aumentaría unas
1000 veces. La hemoglobina, que contiene hierro, es aún más eficaz para incrementar la velocidad
de la reacción. Si uno aplica la solución a un corte de un dedo, observa un burbujeo inmediato de O2
liberado: la reacción se está produciendo ahora un millón de veces más rápidamente que el proceso
sin catalizar. Pero pueden alcanzarse velocidades aún más altas. La catalasa, una enzima que
tienen muchas células, aumenta la velocidad de descomposición del H2O2 aproximadamente mil
millones de veces. El H2O2 se produce en algunas reacciones celulares y es un peligroso oxidante,
por lo que la catalasa ha evolucionado para defenderse de él.
Químicamente son proteínas simples de estructura terciaria o cuaternaria (globulares) o
proteínas conjugadas; en éste último caso, la parte proteíca se denomina apoenzima (inactiva,
carece de los componentes químicos apropiados para la actividad que debe realizar) y necesitan de
un cofactor, que puede ser un ión metálico o una molécula orgánica. La molécula orgánica si se une
fuertemente a la apoenzima recibe el nombre de grupo prostético, si se une débilmente se llama
coenzima. Al conjunto de apoenzima y cofactor se le denomina holoenzima.
Los coenzimas actúan como un sustrato más y participan en la reacción modificándose
químicamente con ella; sin embargo, al considerar la secuencia de reacciones globales, el coenzima
se recupera en los pasos siguientes. La mayor parte de los coenzimas son vitaminas, o las
vitaminas forman parte de ellas, particularmente las del grupo B. No son específicas de un solo tipo
de apoenzimas, dándose casos de algunas que pueden unirse a más de 100 apoenzimas diferentes.
El apoenzima presenta una región llamada centro activo en la que se acopla el sustrato y suele
tener forma de hendidura o bolsillo, rodeada por cadenas laterales de aminoácidos que facilitan la
unión del sustrato y por otras cadenas laterales que intervienen en la catálisis. La compleja estructura
terciaria de las enzimas hace posible que en este bolsillo se ajuste el sustrato de manera muy
estrecha lo que explica la extraordinaria especificidad de la catálisis enzimática. Los aminoácidos
que constituyen el centro activo pertenecen a zonas muy distantes de la cadena y representan una
pequeña fracción del número total de aminoácidos de la proteína. El resto de la molécula es
necesaria para mantener la molécula en posición correcta y para suministrar lugares de unión
adicionales con función reguladora (centros reguladores).
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6.2. Mecanismo
de
acción enzimática.
La característica peculiar que
diferencia las enzimas del resto
de las proteínas es que inducen
modificaciones químicas en los
sustratos a los que se unen, ya
sea por rotura, formación o
redistribución de sus enlaces
covalentes, ya por introducción
o pérdida de algún grupo
funcional.
En toda reacción química se da
que las sustancias iniciales (S)
se transforman en las
sustancias finales (P),
S
→
P
para ello tiene que ocurrir:
•
•
•
los reactivos, llamados sustratos en enzimología, deben colisionar
la colisión molecular debe ocurrir en una orientación adecuada
que las moléculas de sustrato adquieran un estado intermedio llamado activado o de
transición, donde se debiliten enlaces y se formen otros, lo que requiere un aporte
energético; esta energía se conoce como energía de activación.
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La energía de activación puede ser el calor. Aumenta el movimiento de las moléculas y la energía, con lo
que el número de moléculas activadas se eleva y la reacción se acelera (en muchas reacciones la
velocidad se duplica por cada 10º C). En las células, la temperatura produciría la muerte de la materia
viva y además se acelerarían indiscriminadamente millares de reacciones.
Las enzimas reducen la energía de activación de las reacciones que pueden sufrir los sustratos y las
células verifican sus reacciones a gran velocidad y temperatura relativamente bajas.
Una enzima es incapaz de hacer posible una reacción que por sí sola no lo es, modifica la velocidad, pero
sin alterar el equilibrio.
Las enzimas consiguen velocidades extremadamente altas con gran especificidad y rendimiento.
Esta eficacia puede ser atribuida a varios factores:
•
el enzima sirve para aumentar la concentración total de las moléculas de sustrato en el
centro activo y mantiene los átomos en la orientación correcta para que se produzca la
reacción
•
una vez unidas las moléculas de sustrato al enzima pasan por una serie de formas
intermedias de geometría y distribución electrónica muy inestables que origina su
transformación en los productos de la reacción. Las enzimas ayudan a sus sustratos a
alcanzar un estado de transición particular acelerando marcadamente la velocidad (al
unirse el sustrato al enzima se debilitan los enlaces del sustrato y no hace falta tanta
energía para romperlos).
•
se liberan los productos quedando la enzima inalterada
E + S ◄▬► ES ▬► E + P
Así pues, las enzimas disminuyen la energía de activación al formar un complejo con el
sustrato para producir un estado de transición o activado de menor energía que en el caso de
que no estuvieran presentes.
La especificidad enzimática se debe al centro activo. El acoplamiento entre el centro activo y el
sustrato se ha comparado con el que existe entre una llave y su cerradura (propuesto por Fischer en
1890, teoría de la llave-cerradura). En la actualidad (una cerradura no hace nada a la llave) se ha
probado que en algunas enzimas el
centro activo es capaz de modificar
su forma para adaptarse al sustrato,
sería semejante a la introducción de
la mano en el guante; la enzima no
acepta simplemente al sustrato,
sino que también exige que el
sustrato se distorsione a algo
cercano al estado de transición
(ajuste inducido, propuesto por
Koshland en 1958). Esta hipótesis
implica la distorsión del enzima, así
como la del sustrato.
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6.3. Cinética enzimática.
Si se representa la velocidad con que aparece el producto de una determinada reacción enzimática,
en función de la concentración de sustrato inicial, para una cantidad constante de enzima, se
obtiene la siguiente gráfica.
Se aprecia que al aumentar la
concentración
de
sustrato,
aumenta también la velocidad de
la reacción. Es lógico, ya que
mientras exista enzima libre, a
mayor número de moléculas de
sustrato, más moléculas de
producto aparecerán. Pero, como
se observa, llega un momento en
el que a pesar de que la
concentración de sustrato sigue
aumentando, la velocidad no
varía. Se alcanza la velocidad
máxima. Esta situación se debe a
que no existen moléculas de
enzimas libres, todas están
unidas a moléculas de sustrato
formando complejos ES. La
enzima está saturada. A medida que se forman moléculas de producto, las enzimas se liberan y
pueden aceptar nuevas moléculas de sustrato que están a la espera.
En la reacción enzimática, la etapa limitante, la más lenta, corresponde a la unión del sustrato al
centro activo para formar el complejo ES, ya que es un proceso reversible. Existe, por tanto, una
constante de equilibrio (Ke) para esta etapa.
Ke = (E)(S)/(ES)
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Para calcular esta constante, deberíamos conocer la (E) y (ES), valores que no se pueden establecer
directamente. No obstante, cuando la velocidad de la reacción sea la mitad de la máxima, se cumple
que (E) = (ES), o sea, el número de moléculas de enzimas libres es igual al de moléculas de enzimas
ocupadas. En estas circunstancias, la Ke = (S).
La constante así obtenida se llama constante de Michaelis-Menten o KM, en honor a los pioneros
en formular una teoría global de la acción enzimática y su cinética, y se define como la
concentración de sustrato para la cual la reacción alcanza la mitad de la velocidad máxima.
La KM es característica de cada enzima y cuanto menor sea
su valor, mayor afinidad tendrá la enzima por el sustrato,
ya que se alcanza antes la mitad de la velocidad máxima.
6.4. Regulación de la actividad
temperatura, pH, inhibidores.
enzimática:
Las enzimas, como sustancias proteicas que son, van a ver
condicionada su actuación por determinados factores físicos y
químicos. Algunos de estos factores son:
La temperatura. Como toda reacción química,
las reacciones catalizadas enzimáticamente
siguen la regla de Vant Hoff. Según la cual,
por cada 10ºC de aumento de temperatura, la
velocidad de la reacción se duplica. No
obstante, las enzimas tienen una temperatura
óptima en la que su actividad es máxima. En
los animales homeotermos como el hombre,
esta temperatura óptima coincide con la
temperatura normal del organismo. Las
temperaturas inferiores al valor óptimo dan
lugar a una disminución de la vibración
molecular que hace más lento el proceso,
mientras que temperaturas superiores a la
óptima pueden provocar la desnaturalización
y pérdida de su funcionalidad
El pH, que al influir sobre las
cargas eléctricas, podrá
alterar la estructura del
centro activo y, por lo tanto,
también influirá sobre la
actividad enzimática. Cada
enzima tiene un pH óptimo
de actuación. Los valores
por encima o por debajo de
este valor óptimo provocarán
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un descenso de la velocidad enzimática, debido a cambios eléctricos en los radicales de los aminoácidos
que configuran el centro activo. Por debajo y por arriba del pH óptimo se produce la desnaturalización de
la enzima anulándose su actividad. Algunos enzimas presentan variaciones peculiares. La pepsina del
estómago, presenta un óptimo a pH = 2, y la fosfatasa alcalina del intestino un pH = 12.
Los inhibidores. Determinadas sustancias van a poder actuar sobre las enzimas disminuyendo o
impidiendo su actuación. Estas sustancias son los inhibidores. Se trata de moléculas que se unen a la
enzima impidiendo que ésta actúe sobre el substrato.
La inhibición puede ser irreversible, cuando el inhibidor, llamado en este caso veneno metabólico, se une
covalentemente al enzima, alterando su estructura e inutilizándola de forma permanente (los insecticidas
organofosforados inhiben la acetilcolinesterasa, o el cianuro a la citocromo oxidasa).
La inhibición reversible, más común, tiene lugar cuando la enzima vuelve a tener actividad una vez
eliminada la sustancia inhibidora. En este caso, la unión del inhibidor con el enzima se realiza por enlaces
no covalentes, más fáciles de romper. Existen dos tipos de inhibición reversible:
•
•
Competitiva. El inhibidor se une al centro
activo impidiendo la unión del sustrato. Existe
una competencia entre ambos para ocupar el
centro activo. El grado de inhibición dependerá
de la proporción relativa entre sustrato e
inhibidor. El inhibidor debe ser análogo
(parecido) al sustrato para poder unirse al
centro activo. Su acción se anula al aumentar la
concentración de sustrato.
No competitiva. Cuando el inhibidor se une
reversiblemente a un punto diferente del centro activo pero con su actuación modifica la estructura
del enzima al tiempo que dificulta el acoplamiento del sustrato. En otras ocasiones, el inhibidor se
une al complejo enzima-sustrato, una vez creado éste, e impide la posterior formación del
producto. Este tipo de inhibición no depende de la concentración de sustrato.
Es frecuente que el inhibidor sea el propio
producto de la reacción enzimática o el producto
final de una cadena de reacciones. Cuando se
trata del producto final, recibe el nombre de
retrorregulación o feed-back.
6.5. Nomenclatura y clasificación de las
enzimas.
Las enzimas se nombran formulando el sustrato
sobre el que actúan, el coenzima si interviene
alguno, el tipo de reacción catalizada y añadiendo la terminación –asa. Ej, Acetil-CoA-carboxilasa.
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1. Óxido-reductasas
( Reacciones de oxido-reducción).
Si una molécula se reduce, tiene que haber otra que se oxide
2. Transferasas
(Transferencia de grupos funcionales)
3. Hidrolasas
(Reacciones de hidrólisis)
grupos aldehidos
gupos acilos
grupos glucosilos
grupos fosfatos (kinasas)
Transforman polímeros en monómeros.
Actúan sobre:
enlace éster
enlace glucosídico
enlace peptídico
enlace C-N
4. Liasas
(Adición a los dobles enlaces)
Entre C y C
Entre C y O
Entre C y N
5. Isomerasas
(Reacciones de isomerización)
6. Ligasas
(Formación de enlaces, con aporte de
ATP)
Entre C y O
Entre C y S
Entre C y N
Entre C y C
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