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Dr. Luis Rebolledo
Enzimas
Introducción
Las sustancias que aceleran la
velocidad de reacción de las
reacciones químicas se denominan
catalizadores. En el mundo vivo, los
catalizadores se denominan enzimas
las cuales son proteínas de aspecto
globular. El mundo mineral (no vivo)
carece de enzimas, pero posee
catalizadores inorgánicos, los cuales
también actuan en el mundo vivo.
Las
reacciones
químicas
orgánicas en una célula son lentas
en condiciones de temperatura y
presión normales, por ende, las
enzimas ayudan acelerando
las
velocidades de dichas reacciones
químicas.
Las características propias de la
química de diferentes células o de
diferentes compartimentos de una
célula, pueden derivar del contenido
y actividad enzimática diferentes.
Estas características enzimáticas
propias son el producto de la
actividad genética, tanto para su
síntesis como para su regulación.
Como decíamos en el capítulo
anterior de ácidos nucleicos, una
mutación
puede
provocar
la
aparición de una enzima (proteína)
que no actúe correctamente.
Prof. Iván Rebolledo
Las enzimas se caracterizan por 3
propiedades fundamentales :
(a) están presentes en pequeñas
cantidades,
(b) aumentan la velocidad de las
reacciones químicas sin que se
consuman o alteren por la reacción,
(c) aumentan la velocidad de las
reacciones químicas sin alterar el
equilibrio
químico
entre
los
reactantes y los productos.
Nomenclatura y clasificación de
las enzimas
El sufijo asa identifica a la mayoría
de las enzimas con excepción de
algunas,
como
la
tripsina,
amilopsina, quimiotripsina, etc; que
por tradición siguen manteniendo su
nomenclatura. Se han asignado, por
la
Comisión
Internacional
de
Enzimas, 6 clases :
1. Oxido-reductasas : participan en
reacciones de óxido-reducción. En
estas reacciones se transfiere un
electrón (ó un H+) de un donante a
un receptor. Caso del NADH+ que
entrega electrones a complejo I en
la membrana interna de la
mitocondria.
Enzimas
2. Transferasas : transfieren grupos
de un donante a un aceptor. Los
grupos
transferidos
con
más
frecuencia son el metilo, glucosídico
y fosfato. Caso de la glucosiltransferasa
(transfiere
un
monosacárido) y proteín quinasa
(transfiere un fosfato).
Actividad enzimática
La primera enzima aislada en forma
cristalina fue la ureasa (J.B.
Summer, 1926) que cataliza la
hidrólisis de la urea.
ureasa
(NH2)2–CO + H2O ⇒ CO2 + 2NH3
3. Hidrolasas : participan en
reacciones de hidrólisis, es decir,
rompimiento de enlaces como C-O,
C-N y C-C por adición de agua.
Caso de los enlaces glucosídicos
(entre monosacáridos) y peptídicos
(entre aminoácidos).
4. Liasas : producen dobles enlaces
al romper uniones C-O, C-C y C-N.
También pueden romper dobles
enlaces agregando grupos. Caso de
la piruvato descarboxilasa que
elimina un CO2 al piruvato.
La hidrólisis de la urea puede
ocurrir
espontáneamente
en
presencia o ausencia de un
catalizador, originando los mismos
productos y la misma energía.
La
velocidad
de
reacción
espontánea puede ser acelerada si
se
añaden
iones
H+
como
catalizador y puede ser acelerada
aún más cuando se añade la ureasa
en lugar de los iones H+.
5. Isomerasas : catalizan una
redistribución de átomos de los
grupos químicos dentro de la misma
molécula. Caso de la alanina
racemasa que convierte L-alanina en
D-alanina. Ambos son isómeros.
6. Ligasas : catalizan la unión de 2
moléculas por hidrólisis de ATP u
otro trifosfato (GTP, por ejemplo).
El gráfico muestra las relaciones energéticas
de la reacción entre urea y agua (reactantes),
el logro del estado de transición [ES] y la
obtención de los productos (CO2 y NH3). Note
la magnitud de la energía de activación.
Enzimas
El complejo activado enzima–
sustrato [ES] tiene menor necesidad
de energía de activación; así, habrá
más cantidad de moléculas de
sustrato que puedan pasar la barrera
por unidad de tiempo. Un número
pequeño de moléculas de enzima
pueden
manejar
millones
de
moléculas de sustrato por segundo.
Para que la urea pueda reaccionar
con el agua debe haber suficiente
energía, para que la molécula de
urea y el agua lleguen a formar un
complejo activado y entren a un
estado de transición (estado de
alta energía). La energía necesaria
para llegar a dicho estado se llama
energía de activación, la cual
constituye una barrera para que la
reacción prosiga. Por tanto, la
disminución de la barrera de la
energía de activación es mayor en
un sistema de reacción catalizada
por una enzima; de esta manera, la
reacción procede más rápidamente
en presencia de ureasa que en
presencia de H+ o sin catalizador.
En conclusión, la función principal de
una enzima es disminuir la barrera
de la energía de activación.
Las
enzimas
aumentan
la
probabilidad de que las moléculas
reaccionantes crucen la barrera y
prosigan a la consumación de la
reacción. Una enzima (E) hace esto
al unirse con el sustrato (S), en una
asociación temporal (estado de
transición [ES] ).
Sustrato
Enzima
+
Complejo enzima
Sustrato
Estado de
transición
Producto
Enzimas
La mayor parte de las enzimas
opera dentro de un margen estrecho
de pH : es el pH óptimo. La gran
mayoría de las enzimas tiene su pH
óptimo dentro del rango fisiológico
de la célula (pH 6.5 a 7.2). Algunas
enzimas, como la pepsina del
estómago, posee un pH óptimo en el
rango ácido (pH 1.0 a 2.0). Enzimas
intestinales como la tripsina y
lipasas, poseen un pH óptimo en
rangos alcalinos, cercano a 10.
Como cosa curiosa, hay bacterias
termófilas que viven en aguas
termales calientes, alrededor de los
80 ºC. Sus sistemas enzimáticos
resisten la desnaturalización a altas
temperaturas.
Velocidad
de reacción
pepsina
Considerando que las enzimas
son proteínas, están expuestas a
una desnaturalización (cambio en la
estructura terciaria) por acción de
altas temperaturas. Así, puede
producirse una inactivación a causa
del rompimiento de varios enlaces
débiles.
Muchas
enzimas
se
inactivan a 45 ºC y la mayoría se
desnaturalizan rápidamente desde
los 55 ºC.
amilasa
tripsina
Velocidad
de reacción
pH
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Como en cualquier reacción
química, el aumento de temperatura
de los reaccionantes produce un
aumento en la velocidad de
reacción, pero en el caso de los
sistemas catalizados por enzimas,
esto es válido hasta cierto grado de
temperatura.
T ºC
34
35
36
37
38
39
40
Enzimas
Especificidad del sustrato
La especificidad está determinada
por el sitio activo de la enzima, es
decir, un sector de la molécula que
contiene los grupos funcionales
particulares que le permiten unirse
específicamente con el sustrato. Por
ejemplo, la quimiotripsina posee una
cadena polipeptídica conformada por
245 aminoácidos de los cuales los
números 57 (histidina), 102 (ácido
aspártico) y 195 (serina) constituyen
el sitio activo. El plegamiento
(estructura terciaria) de la cadena
provoca el acercamiento de estos 3
aminoácidos en una estrecha región:
este es el sitio activo de la enzima.
Esquema molecular de la quimiotripsina,
mostrando el sitio activo de esta enzima.
Generalmente el sitio activo se
encuentra en una grieta, en una leve
depresión en la superficie de la
molécula proteica. La geometría del
sitio activo está estrechamente
relacionada con la conformación
tridimensional de la molécula del
sustrato.
Las
enzimas
aceleran
las
reacciones
alterando
la
conformación de sus sustratos para
que logren llegar al estado de
transición. El modelo más simple
para entender esta interacción
enzima–sustrato es el modelo de la
llave y la cerradura, en el cual el
sustrato encaja perfectamente en el
sitio activo de la enzima (ver dibujo)
Sustrato
Enzima
Del ejemplo expuesto, el sitio activo
ocupa
un
área
relativamente
pequeña de la superficie de la
molécula de enzima. Esto significa
que una pequeña porción de la
molécula de enzima participa
realmente en la catálisis. Las otras
regiones de la superficie de la
enzima pueden permitir la unión con
otras moléculas involucradas en la
regulación de la actividad enzimática
En
muchos
casos,
las
conformaciones tanto de la enzima
como del sustrato son modificadas
cuando logran unirse : es el llamado
modelo de encaje inducido. Esta
alteración de las conformaciones
hace que logren llegar más rápido al
estado de transición (ver dibujo).
Enzimas
Cinética enzimática
Sustrato
Enzima
La desnaturalización de una
proteína enzimática provoca un
desplazamiento de los aminoácidos,
alejándolos, con lo cual desaparece
el sitio activo. La inactivación
enzimática puede explicarse por el
desplazamiento
de
solo
un
aminoácido.
El ó los sitios activos de la
molécula de enzima permite,
primeramente, orientar a la molécula
de sustrato; luego, establecer los
enlaces químicos necesarios para la
formación del complejo enzimasustrato y, finalmente, romper (o
formar)
los
enlaces químicos
necesarios para formar el o los
productos. Una vez ocurrida la
reacción química, los productos de
la reacción catalizada se separan y
la enzima queda nuevamente
disponible para una nueva catálisis.
Así, la ecuación mostrada ejemplifica la generalidad de la reacción :
E + S ⇔ [ES] ⇔ P + E
El análisis cuantitativo de la
actividad enzimática se denomina
cinética enzimática. Este análisis
puede aportar información útil
acerca del modo de acción de una
enzima y establecer comparaciones
con otras enzimas o de la misma
enzima bajo condiciones diferentes.
En muchas enzimas la velocidad
de catálisis o velocidad de
reacción (V) varía de acuerdo a la
concentración molar del sustrato.
Cuando
la
concentración
del
sustrato [S] es baja, la velocidad es
linealmente
proporcional
a la
concentración. Pero cuando [S] es
alta, V es independiente de [S].
Enzimas
En donde Vmax es la velocidad
máxima de la reacción y Km es la
concentración del sustrato a la que
la velocidad de reacción es igual a la
mitad de su valor máximo. Es decir,
cuando la [S] sea igual a
Km
entonces la velocidad de la reacción
será igual a la mitad de Vmax.
Observando el gráfico de la página
anterior, a concentraciones bajas del
sustrato, cuando [S] es menor que
Km , la velocidad de reacción es
directamente proporcional a [S].
Leonor Michaelis y Maud Menten
(en 1913) propusieron un modelo
sencillo para describir la cinética
enzimática : es la ecuación de
Michaelis-Menten.
V = Vmax
[S]
[S] + Km
A concentraciones más altas del
sustrato, cuando [S] es mayor que
Km, la velocidad viene a ser
independiente de [S].
Ahora bien, Km indica la afinidad
de la enzima por el sustrato : menor
Km mayor afinidad, lo que significa
que hay una unión muy fuerte entre
la enzima y el sustrato en la
formación del intermediario [ES] en
la catálisis.
La velocidad máxima (Vmax) puede
revelar el número de recambio de
una enzima, es decir, el número de
moléculas de sustrato convertidas a
producto por unidad de tiempo,
cuando la enzima se encuentre
completamente
saturada
con
sustrato.
Normalmente, se expresa como el
número de moléculas de sustrato
que pueden ser convertidas a
producto por una molécula de
enzima por segundo. Algunos
valores ilustrativos :
Enzimas
Anhidrasa carbónica
Catalasa
Acetilcolinesterasa
Quimiotripsina
ADN polimerasa I
Nºrecamb/seg
600.000
93.000
25.000
100
15
Enzimas
Inhibición de la actividad
enzimática
La inhibición de la actividad
enzimática es el medio importante
en el control de los sistemas
biológicos. La inhibición puede ser
reversible o irreversible. En el
primer caso, el inhibidor no modifica
las regiones funcionales de la
enzima; en el segundo caso, el
inhibidor modifica la molécula de
enzima y se une tan fuertemente a
ella que la disociación de ambas es
muy lenta o nula. Varios venenos
que actúan sobre el sistema
nervioso, incluyendo insecticidas, lo
hacen como inhibidores irreversibles
de la actividad enzimática.
La inhibición reversible puede
lograrse mediante 2 mecanismos :
competitivo y no-competitivo. Un
inhibidor competitivo es el que
compite con el sustrato por el mismo
sitio activo de la enzima, ya que el
inhibidor y el sustrato poseen una
estructura química similar. La
velocidad de catálisis del sustrato se
reduce dado que la cantidad de
sustrato que se une a la enzima es
menor.
sustrato
Un inhibidor no-competitivo es
el que puede unirse a la enzima en
un sitio diferente al sitio activo . Así,
tanto el sustrato como el inhibidor
pueden unirse simultáneamente a la
molécula de enzima. La acción del
inhibidor no-competitivo es disminuir
el número de recambio de una
enzima.
Coenzimas
Además de unir a sus sustratos, los
sitios activos de muchas enzimas,
pueden unir otras moléculas que
participan en la catálisis. Los
llamados grupos prostéticos son
pequeñas moléculas que se unen a
las proteínas en las cuales juegan
un papel muy importante. Por
ejemplo, el oxígeno transportado por
la hemoglobina se encuentra unido
al grupo hem, que viene a ser el
grupo prostético.
Inhibidor
competitivo
sustrato
Inhibidor
no-competitivo
Enzimas
Además,
varias
moléculas
orgánicas de bajo peso molecular en
tipos específicos de reacciones
enzimáticas. Estas moléculas se
llaman coenzimas debido a que
trabajan junto con las enzimas para
favorecer a las reacciones catalíticas
También, ellas pueden participar en
múltiples reacciones enzimáticas.
Aplicación médica
Todas las enzimas son proteínas y
están distribuídas ampliamente en el
organismo cumpliendo funciones
múltiples. Se darán de ejemplo sólo
algunos casos :
(1) el páncreas es una glándula que
cumple la función de secretar
múltiples enzimas que intervienen en
la digestión normal : tripsina,
quimiotripsina, elastasas, lipasas,
amilasas,etc. Cuando el páncreas no
secreta estas enzimas conduce a
una mala digestión de los alimentos,
transtorno llamado dispepsia. En
estos casos el paciente presenta
náuseas,
llenura,
distensión
abdominal, diarreas, entre otras.
(2) si un individuo es “mordido” por
una serpiente venenosa, ésta le
inocula
al
paciente
múltiples
enzimas que tienen la capacidad de
destruir glóbulos rojos, factores de
coagulación, nervios, músculos, etc.;
por lo que el paciente presenta
dolor, edema, hemorragias, necrosis
y hasta neuropatías. El tratamiento
se basa en tratar de destruir estas
enzimas
nocivas
con
sueros
antiofídicos.
(3) la coloración de la piel y el pelo
depende de un pigmento llamado
melanina.
Este
pigmento,
se
produce en una célula de la piel
llamada melanocito. Para que este
melanocito
produzca
melanina,
requiere de la presencia de una
enzima llamada tirosinasa, la cual
degrada la tirosina en precursores
del pigmento. La falta de actividad
de esta enzima tirosinasa, por un
defecto genético, causa hipopigmentación de la piel, como en el
caso del albinismo.
Enzimas
1. ¿Cuáles son las principales funciones de una enzima?
2. ¿Siempre se necesita una molécula de enzima por cada molécula de sustrato?
3. Mencione y explique dos factores que influyen directamente sobre las moléculas
de enzimas.
4. ¿Qué explicación molecular tiene la desnaturalización?
5. Molecularmente hablando, ¿qué es el sitio activo de una enzima?
6. ¿Cuáles son las 3 acciones de los aminoácidos que constituyen el sitio activo
de la quimiotripsina?
7. ¿Qué indica el Km de una enzima
8. ¿A qué se refiere el número de recambio en las enzimas?
9. ¿Cuándo una inhibición enzimática es competitiva? ¿y no-competitiva?