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SEMANA DEL 20 de Octubre, 2016. Tema: Enzimas Propósito: Diferenciar el campo de acción de las enzimas. Logro de Aprendizaje: Diferencia el campo de acción de las enzimas según el sustrato y funcionalidad específica. Todas las enzimas son proteínas globulares que se combinan con otras sustancias, llamadas sustratos, para catalizar las numerosas reacciones químicas del organismo. Estas moléculas, principales responsables del metabolismo y de su regulación, tienen puntos catalíticos a los cuales se acopla el sustrato igual que una mano a un guante para iniciar y controlar el metabolismo en todo el cuerpo. Poseen tres características como: a- son los catalizadores más eficientes hasta la actualidad. B- son específicas en su acción, actúan sobre su propio sustrato para obtener un solo producto. C- su actividad está sujeta a regulación inter o extracelular. Todas las enzimas son proteínas y se producen bajo el control del ADN. Aunque el estudio de las enzimas y su acción enzimática le corresponde a la enzimología es de por si una especialización de la bioquímica, no es un dominio aislado. Enzima, cualquiera de las numerosas sustancias orgánicas especializadas compuestas por polímeros de aminoácidos, que actúan como catalizadores en el metabolismo de los seres vivos. Con su acción, regulan la velocidad de muchas reacciones químicas implicadas en este proceso. El nombre de enzima, que fue propuesto en 1867 por el fisiólogo alemán Wilhelm Kühne (1837-1900), deriva de la frase griega en zymē, que significa 'en fermento'. En la actualidad los tipos de enzimas identificados son más de 2.000. Cada tipo de enzima cataliza un tipo específico de reacción química. Por ello, se necesitan centenares de tipos de enzimas diferentes en el metabolismo de cualquier clase de células. La mayor parte de las enzimas catalizan la transferencia de electrones, átomos o grupos funcionales. La clasificación de las enzimas se realiza de acuerdo con el tipo de reacción de transferencia, el grupo dador y el grupo aceptor, y se reconocen 6 grupos principales: oxidorreductasas (transferencia de electrones), transferasas (transferencia de grupos), hidrolasas (reacciones de hidrólisis o transferencia de grupos funcionales al agua), liasas (adición de grupos a dobles enlaces), isomerasas (transferencia de grupos en el interior de la molécula para originar formar isoméricas) y ligasas (forman diversos enlaces acoplados a la ruptura de ATP). Algunas enzimas necesitan para su actividad un componente químico adicional llamado cofactor, que puede ser inorgánico (diversos cationes metálicos) o moléculas orgánicas complejas llamadas coenzimas. El conjunto de la proteína activa junto con su coenzima se denomina holoenzima. Las enzimas se denominan añadiendo asa al nombre del sustrato con el cual reaccionan. La enzima que controla la descomposición de la urea recibe el nombre de ureasa; aquéllas que controlan la hidrólisis de proteínas se denominan proteasas. Algunas enzimas como las proteasas tripsina y pepsina, conservan los nombres utilizados antes de que se adoptara esta nomenclatura. PROPIEDADES ENZIMÁTICAS Como propuso el químico sueco Jöns Jakob Berzelius en 1823, las enzimas son catalizadores típicos: son capaces de acelerar la velocidad de reacción sin ser consumidas en el proceso. Algunas enzimas, como la pepsina y la tripsina, que intervienen en la hidrólisis de muchos tipos de proteínas, controlan muchas reacciones diferentes, mientras que otras como la ureasa, son muy específicas y sólo pueden acelerar una reacción. Otras liberan energía para la contracción cardiaca y la expansión y contracción de los pulmones. Muchas facilitan la conversión de azúcar y alimentos en distintas sustancias que el organismo precisa para la construcción de tejidos, la reposición de células sanguíneas y la liberación de energía química para mover los músculos. La especificidad entre el sustrato y la enzima se ha concebido como la relación de una ―llave‖ y su ―cerradura‖. La molécula del sustrato constituye la llave y la proteína constituye la cerradura; en la superficie de la proteína existe una zona específica, denominada sitio activo o catalítico, a la cual se une la molécula del sustrato para experimentar la transformación catalítica. Las enzimas son muy eficaces. Por ejemplo, unos 30 g de pepsina cristalina pura son capaces de digerir casi dos toneladas métricas de clara de huevo en pocas horas. La cinética de las reacciones enzimáticas difiere de las reacciones inorgánicas simples. Cada enzima es específica de forma selectiva para la sustancia sobre la que causa la reacción, y es más eficaz a una temperatura determinada. Aunque un aumento de la temperatura puede acelerar una reacción, las enzimas son inestables cuando se calientan. 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. USOS PRÁCTICOS DE LAS ENZIMAS Enzimas e ingeniería genética En ingeniería genética, los científicos usan enzimas de restricción para aislar un gen de interés, por ejemplo, el gen que regula la producción de insulina. 2. Se extrae de una bacteria su plásmido que, tratado con la misma enzima de restricción, puede hibridarse con este fragmento de extremo pegajoso de ADN complementario. 3. El plásmido híbrido se reincorpora a la célula bacteriana, donde se replica formando parte del ADN de la célula. 4. Así, se puede cultivar una gran cantidad de células hijas, cuyos genes producen sustancias utilizadas por los seres humanos. La fermentación alcohólica y otros procesos industriales importantes dependen de la acción de enzimas, sintetizadas por las levaduras y bacterias empleadas en el proceso de producción. Algunas enzimas se utilizan con fines médicos. En ocasiones son útiles en el tratamiento de zonas de inflamación local; la tripsina se emplea para eliminar sustancias extrañas y tejido muerto de las heridas y quemaduras. REVISIÓN HISTÓRICA Sin duda la fermentación alcohólica es la reacción enzimática más antigua conocida. Se creía que este fenómeno y otros similares eran reacciones espontáneas hasta que en 1857 el químico francés Louis Pasteur comprobó que la fermentación sólo ocurre en presencia de células vivas (véase Generación espontánea). Sin embargo, el químico alemán Eduard Buchner descubrió en 1897 que un extracto de levadura libre de células puede producir fermentación alcohólica. La antigua incógnita fue entonces resuelta; la levadura produce la enzima y ésta lleva a cabo la fermentación. Ya en 1783 el biólogo italiano Lazzaro Spallanzani había observado que la carne podía ser digerida por jugos gástricos extraídos de halcones. Éste fue el primer experimento en el que se llevó a cabo una reacción vital fuera de los organismos vivos. Tras el descubrimiento de Buchner, los científicos asumieron que, en general, las fermentaciones y las reacciones vitales eran producidas por enzimas. Sin embargo, todos los intentos de aislar e identificar su naturaleza química fracasaron. Más tarde, en 1926, el bioquímico estadounidense James B. Sumner consiguió aislar y cristalizar la ureasa. Cuatro años después su colega John Howard Northrop aisló y cristalizó la pepsina y la tripsina. Northrop demostró también la naturaleza proteica de las enzimas. En los últimos años, la investigación sobre la química enzimática ha permitido aclarar algunas de las funciones vitales más básicas. La ribonucleasa, una enzima descubierta en 1938 por el bacteriólogo estadounidense René Jules Dubos y aislada en 1946 por el químico estadounidense Moses Kunitz, fue sintetizada por científicos estadounidenses en 1969. La síntesis consiste en unir 124 moléculas de aminoácidos en una secuencia muy específica para formar la macromolécula. Dicha síntesis permitió identificar aquellas áreas de la molécula que son responsables de sus funciones químicas, e hizo posible crear enzimas especializadas con propiedades de las que carecen las sustancias naturales. Este potencial se ha visto ampliado durante los últimos años por las técnicas de ingeniería genética que han hecho posible la producción de algunas enzimas en grandes cantidades. El uso médico de las enzimas está ilustrado por la investigación sobre la L-asparaginasa, que se piensa es una herramienta importante para el tratamiento de la leucemia; se ha descubierto que las dextrinasas pueden prevenir la caída de los dientes, y que las alteraciones enzimáticas están ligadas a enfermedades como la fenilcetonuria, el albinismo, la diabetes, la anemia y otros trastornos sanguíneos. CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS La táctica más directa es agregar el sufijo –asa al nombre del sustrato. Ejemplo, la maltosa en dos glucosa se le denomina maltasa., también agregando en la pérdida de hidrógeno en el ácido lactico a ácido pirúvico se le denomina deshidrogenasa del ácido láctico. Otras enzimas son la quimotripsina, tripsina y pepsina. Según el Sistema Internacional, la comisión de enzimas presentó 6 clases de categorías Clase de enzimas Subclase Tipo de reacción catalizada Hidrolasas Lipasas Hidrólisis de un grupo éster. proteasas Hidrólisis de un grupo amida Isomerasas epimerasas Isomerización de un centro estereogénico Ligasas Carboxilasas Adición de CO2 sintetasas Formación de un nuevo enlace Liasas Descarboxilasas Pérdida de CO2 deshidrasas Pérdida de agua Oxidorreductasas Deshidrogenasas Introducción de un doble enlace por eliminación de H2 Oxidasas Oxidación reductasas Reducción Transferasas Cinasas Transferencia de un grupo fosfato transaminasas Transferencia de un grupo amino. Cuadro 1: Presenta algunas enzimas, el tipo de reacción que catalizan y el nombre que reciben. Fuente. QUÍMICA ORGÁNICA, SANTILLANA A- OXIDORREDUCTASA, reacción de óxido reducción de todos los tipos. actúan sobre el grupo R-OH como sustrato y requiere de NAD+ o NADP como el aceptor de hidrógeno. Ejemplo: CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH + H+ NOMBRE SISTEMÁTICO: alcohol: NAD oxidorreductasa NOMBRE COMÚN: Alcohol deshidrogenasa DESHIDROGENASA: pérdida del hidrógeno del sustrato(S), siendo el aceptor (A) una molécula diferente del oxígeno molecular. SH2 + A → S + AH2 OXIDASAS: pérdida de hidrógeno, siendo el aceptor oxígeno molecular. SH2 + ½ O2 → S + H2O CITOCROMO: El hierro del GRUPO Hem en los citocromos actúa como un dador de entrones Fe+2 o aceptor de electrones hierro + tres en una reacción con otro aceptor de electrones o dador de electrones, Fe+3 +2 + sustancia reducida → Fe + sustancia oxidada. Dador de electrones y aceptor de electrones. B- TRANSFERASAS, reacciones que implican la transferencia de un grupo intacto de átomos de una molécula dadora a una aceptor. Así tenemos las transferencia de grupos metilos, glucosídicos y de grupos que contienen fósforo. Veamos. Reacción …… CREATINA + ATP ---------- FOSFOCREATINA + ADP el nombre sistemático es ATP . creatín fosfotransferasa y el nombre común es creatín quinasa. Quinasas involucra la transferencia del grupo fosfato del nucleósido trifosfato a la molécula de sustrato, generalmente para formar ésteres fosfóricos. A través de la siguiente reacción comprenderemos su modo de acción. S + ATP ----------- S---OPO32 + ADP MUTASAS: involucra la transferencia de un grupo funcional entre dos posiciones en la misma molécula veamos : C----C C----------C HO OPO32 OPO32 OH TRANSALDOLASAS: transferencia de fragmentos de tres carbonos entre carbohidratos reaccionantes. TRANSCETOLASAS: Transferencia de fragmentos de dos carbonos entre carbohidratos reaccionantes. TRANSAMINASAS: Transferencia de un grupo amino (-NH2 ) desde una sustancia dadora hasta un aceptor que tiene un enlace C = O. VEAMOS LA REACCIÓN: R ---C---NH2 + R1-----C = O R -----C = O + R1------C---- NH2 FOSFORILASA: Formación de ésteres fosfóricos a partir de fosfato inorgánico y un sustrato que contenga enlaces R—C—OH. R—C—OH + HO—PO32 R—C—O—PO32 + H2 O C- HIDROLASAS, reacciones que implican la ruptura hidrolítica de enlaces químicos, tales como C—O, C—N, C—C. Así tenemos la hidrólisis de enlaces esteáricos, glucosídicos, y peptídico. Reacción: glucosa-6-fosfato + H2O Glucosa + fosfato Nombre sistemático: glucosa-6fosfato fosforilasa Nombre común: glucosa-6-fosfatasa Fosfatasa: ruptura hidrolítica de ésteres fosfóricos. S—OPO32 + H2O S—OH + HOPO32 D- LIASAS, Reacciones que implican la ruptura de C—O, C—C, C—N y otros enlaces por otros medios fuera de hidrólisis u oxidación. Así tenemos las siguientes: Liasas carbono- carbono Liasas carbono- oxígeno Liasas carbono- azufre Ejemplo: REACCIÓN: L-histidina → histidina + CO2 Nombre sistemático: histidina decarboxi-liasa Nombre común: histidina decarboxilasa Decarboxilasa: decarboxilación del sustrato Veamos la siguiente reacción: CH3C = OCOO- → CH3CHO + CO2 PIRUVATO ACETALDEHÍDO E- ISOMERASAS (Reacción que implican cualquier tipo de isomerización, tales como racemización, epimerización e isomerización cis-trans). Racemización y epimerización, Isomerización cis-trans. Reacción: D- ribulosa-5-fosfato → D- xilulosa -5- fosfato. Nombre sistemático. D-ribulosa -5-fosfato -3-epimerasa. Nombre común. Fosforribuloepimerasa. Epimerasa. Ruptura y reconstitución, con orientación opuesta de dos enlaces unidos a un carbono asimétrico para dar un estereoisómero. B B A → E → A E D F- LIGASAS (Reacciones que implican la formulación de un producto que resulte de la condensación de dos moléculas diferentes, acopladas a la ruptura de una unión pirofosfórica del ATP. Formación de enlace carbono- oxígeno Formación de enlace carbono – azufre. Reacción: L-tirosina + RNA + ATP → L – TIROSIL + RNA + AMP + Ppi Nombre sistemático: L-tirosil: tRNA Ligasa (AMP) Nombre común: tirosil tRNA SINTETASA. SINTETASA: Condensación de dos moléculas separadas, acopladas a la ruptura de ATP. El nombre carboxilasa se aplica sólo al ejemplo que da piruvato a oxalacetato. CH3COCOO + CO2 + ATP → OOCCH2 COCOO + ADP + P TIOQUINASAS: formación de tioésteres dependientes de ATP. R—S—C—R a partir de coenzima A ( CoASH) y ácidos carboxílicos. O R—COO + ATP + CoASH → RCSCoA + AMP + PIROFOSFATO, PP O Vino, término que se aplica a una bebida alcohólica elaborada por fermentación del jugo, fresco o concentrado, de frutas o bayas. La mayor parte del vino, sin embargo, se obtiene por fermentación del jugo de uvas frescas y el término, a falta de más aclaraciones, se entiende que responde a esta segunda definición. La graduación de los vinos varía entre un 7 y un 16% de alcohol por volumen; la mayoría de los vinos embotellados tienen entre 10 y 14 grados. La fruta fermenta de forma espontánea. Por lo tanto, el vino se produce de forma natural siempre que las levaduras transportadas por el aire entren en contacto con el jugo de las frutas. La elaboración del vino no es más que la supervisión y refinado de este proceso, y cabe asumir que se ha producido allá donde los seres humanos han vivido en las proximidades de viñas o parras silvestres. La fruta fermenta de forma espontánea. Por lo tanto, el vino se produce de forma natural siempre que las levaduras transportadas por el aire entren en contacto con el jugo de las frutas. La elaboración del vino no es más que la supervisión y refinado de este proceso, y cabe asumir que se ha producido allá donde los seres humanos han vivido en las proximidades de viñas o parras silvestres. Barricas de roble El paso de un año por barrica de roble es necesario en la mayoría de los vinos de Crianza, Reserva y Gran reserva. En esta fase, se busca suavizar los taninos y la acidez. Si la barrica vacía se conserva mal puede secarse y las duelas se quiebran. Para no perder la barrica se reparan como vemos en la imagen. La conversión de glucosa a glucógeno y viceversa está catalizada por diferentes enzimas. La fosforilasa es responsable de la liberación de la glucosa-1-fosfato a partir del glucógeno. La reacción está estimulada por las hormonas adrenalina y glucagón. La glucosa-1-fosfato es transformada por la hexoquinasa en glucosa-6-fosfato, que puede ser metabolizada o convertida en glucosa libre incorporándose en el torrente sanguíneo. La captación de glucosa por parte de las células se activa por la insulina. La glucosa, antes de ser utilizada, se transforma de nuevo en glucosa-6-fosfato, que, o bien se metaboliza, o se convierte en el hígado y los músculos, en glucosa-uridina-difosfato. Esta última forma de glucosa se transfiere al glucógeno en una reacción catalizada por la glucógeno sintetasa y estimulada por insulina. Las hormonas corticales (de la corteza adrenal), hipofisarias (de la pituitaria o hipófisis), así como la tiroxina, están también implicadas en el control del metabolismo de los carbohidratos, pero no se conoce su mecanismo de acción. LAS ENZIMAS tienen la siguiente FISIOLOGÍA Cada reacción química en un organismo se efectúa por enzimas específicas. Pues, al acelerar las reacciones químicas, también regulan los procesos metabólicos tal como la formación del azúcar 6- fosfato…. Pasando por la glucólisis, glucogénesis. Al faltar una se rompe el proceso. Esto causa entonces enfermedades de origen enzimático. Ejemplo clásico es la diabetes por la falta de insulina. COMO ACTÚAN LAS ENZIMAS? Bajo condiciones de pH y temperatura del organismo. Cada enzima tiene su único sustrato (S). Primero se forma un complejo activado E-S. luego propicia la ruptura de enlaces y por ende la formación de los productos liberándose innata. En síntesis las enzimas atraen el S hacia la superficie para favorecer la colisión entre los reactantes, mantener los reactantes en una posición y orientación adecuada para dar lugar a romper y formar enlaces. De aquí podemos reconocer dos aspectos importantes como las coenzimas que constituyen las moléculas de origen orgánico ( vitaminas) y el cofactor formado por moléculas inorgánicas encontrándose el zinc, cobalto, hierro, magnesio y manganeso en cantidades trazas. Cuando ambos faltan las enzimas se llaman apoenzimas. CONFORMACIÓN DE LAS ENZIMAS. Requiere de una conformación tridimensional especial. Al perderse por efecto del calor, pH, o iones la enzima no trabaja. Ejemplo la desnaturalización. Las enzimas están formadas por muchos aminoácidos con estructuras definidas que determinan la forma de la molécula., pues en las enzimas podemos reconocer tres tipos de aminoácidos: 1- aminoácidos estructurales, constituyen el armazón básico o esqueleto de la molécula. 2- aminoácido de unión o fijación que participa en la formación del complejo E-S en lugares conocidos como sitio activo. 3aminoácidos catalíticos que participan directamente en la transformación química del sustrato. Asignación Realice un cuestionario de un mínimo de 25 preguntas usando esta temática. Elabore un vino. Traer 2 libras Piña en trocitos, 2 sobre de levadura, 2 libras de azúcar y un recipiente de dos galones. Hacer la mezcla el jueves 26/10. Informe enfocando la importancia de las enzimas. Laboratorio N°_______ Tema: Actividad Enzimática Objetivo: Reconocer las condiciones óptimas de acción de una enzima INTRODUCCIÓN. Las enzimas se denominan añadiendo asa al nombre del sustrato con el cual reaccionan. La enzima que controla la descomposición de la urea recibe el nombre de ureasa; aquéllas que controlan la hidrólisis de proteínas se denominan proteasas. Algunas enzimas como las proteasas tripsina y pepsina, conservan los nombres utilizados antes de que se adoptara esta nomenclatura. Marco teórico Las enzimas son moléculas de proteínas que tienen la capacidad de facilitar y acelerar las reacciones químicas que tienen lugar en los tejidos vivos, disminuyendo el nivel de la "energía de activación" propia de la reacción. Se entiende por "energía de activación" al valor de la energía que es necesario aplicar (en forma de calor, electricidad o radiación) para que dos moléculas determinadas colisionen y se produzca una reacción química entre ellas. Generalmente, las enzimas se nombran añadiendo la terminación "asa" a la raíz del nombre de la sustancia sobre la que actúan. Las enzimas no reaccionan químicamente con las sustancias sobre las que actúan (que se denominan sustrato), ni alteran el equilibrio de la reacción. Solamente aumentan la velocidad con que estas se producen, actuando como catalizadores. La velocidad de las reacciones enzimáticas dependen de la concentración de la enzima, de la concentración del sustrato (hasta un límite) y de la temperatura y el PH del medio. Las enzimas y la digestión Enzima Ptialina Actúa sobre Proporciona Los Mono almidones. disacáridos. Se produce en y La boca Condiciones para que actúe Medio (glándulas moderadamente salivares). alcalino. Los Amilasa almidones y El Glucosa. Lipasa Las proteínas. Las grasas. Péptidos y aminoácidos. Ácidos grasos y Páncreas glicerina. intestino. La lactosa de Glucosa la leche. galactosa. y Medio moderadamente ácido. El estómago. Intestino Lactasa y páncreas. los azúcares. Pepsina estómago Medio muy ácido. e Medio alcalino y previa acción de las sales biliares. (su producción disminuye con el Medio ácido. crecimiento). Materiales y Reactivos Hielo Saliva Lugol Almidón Solución de HCl al 5% Solución de NaOH al 5% Agua Caliente. Procedimiento a) Enumeramos 3 tubos de ensayo 1, 2,3 adicionamos 3 cc de almidón a cada uno más 2 gotas de saliva a cada uno. b) Medimos el pH y anotamos c) Al tubo 1 adicionamos 1 ml de HCl , 2,1 ml de H2O, 3,1 ml de base. d) Colocamos en baño maría a 37 ºC y colocamos los tubos por 10 minutos, e) luego añadimos 5 gotas de lugol a cada uno y anotamos f) A los tubos 4, 5 y 6 le adicionamos 3 ml de almidón a cada uno más 2 gotas de saliva a cada uno. g) Colocamos a 10 minutos al tubo 4 en baño frió, al tubo5 a 37 ºC al tubo 6 en ebullición todos al mismo tiempo. Luego agregamos 5 gotas de lugol a cada uno y anotamos. Laboratorio n°_______. Título: Determinación de la presencia de formol en la leche. Propósito: Diagnosticar la presencia de formol en la leche y sus efectos en la salud. Introducción: se da el nombre de formol a la solución del metanal o formaldehído al 40%. Sin embargo, se usa como preservativo, pero no debe usarse en los alimentos, se usa para evitar que la leche se fermente. Su uso en la leche es peligroso y por esta razón, su estudio. M T: Efectos del formol en la salud. M y R: Formol, leche, clara de huevo, solución de amoniaco, HCl concentrado, cloruro férrico, erlenmeyers, tubos de ensayos, cápsulas de porcelanas. Procedimiento: 1- Ponga clara de huevo en una cápsula y agregue varias gotas de formol. Qué observa? Anote. 2- Ponga 3 cc de formol en un tubo de ensayo y agregue 6 cc de solución de amoniaco, el producto formado es urotropina o hexametileno- tetramina. 6 HCHO + 4 NH3 ……….→ 6 H2O + (CH2)6N4 3- Ponga en un tubo de ensayo 5 cc de leche de vaca y agregue dos gotas de formol. Seguido, adicione 5 cc de HCl concentrado y una gota de FeCl 3. Agite. Prepare un vaso químico con agua para colocar el matraz en un baño maría, caliente hasta ebullición. Observe un color violáceo. 4- Repita el paso sin usar las dos gotas de formol. Qué sucede, Qué indica ese color? h) Detección de formaldehido. 1. Adicionar en un tubo 5 ml de leche. 2. Agregar 5 ml H2SO4 al tubo concentrado con traza de cloruro férrico. 3. Formación de dos capas. 4. Interface violeta a purpura (positivo). http://pasaelanalisis.blogspot.com/2008/11/analisis-de-leche-fresca.html