Download Trabajo Encimas y Diabetes - Departamento de Sistemas Informáticos

RAFAEL MÁRQUEZ CABALLERO
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
ALBACETE, 12 DE DICIEMBRE DE 2007
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
ÍNDICE:
1.- INTRODUCCIÓN
2.- HISTORIA
3.- ENZIMAS
3.1.- ESTRUCTURA DE LAS ENZIMAS
4.- REACCIONES ENZIMÁTICAS
5.- CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS
6.- CINÉTICA ENZIMÁTICA
6.1.- FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE LAS
REACCIONES QUÍMICAS
6.2.- MECANISMOS PARA AUMENTAR LA EFICACIA
ENZIMÁTICA
6.3.- REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
7.- CLASIFICACIÓN
8.- DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
9.- ENZIMAS DE RESTRICCIÓN
10.- APLICACIONES DE LA ENZIMOLOGÍA. USO
BIOTECNOLÓGICO
11.- BIBLIOGRAFÍA
ENZIMAS
-2-
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
1.- INTRODUCCIÓN
Las moléculas constituyentes de los seres vivos forman parte de sus estructuras o
interaccionan entre sí originando los procesos vitales. La complejidad de estas
interrelaciones moleculares es enorme, y precisa de unos sistemas de control y
regulación que permitan el correcto funcionamiento del organismo.
El control de estas reacciones químicas, también denominadas metabólicas, que
tienen lugar entre los componentes moleculares de un ser vivo requiere la presencia de
unos catalizadores, sin los cuáles no serían posibles. Estos catalizadores son las
enzimas.
En la actualidad este concepto se ha desarrollado y concretado cada vez más y
constituye un componente esencial de diversas disciplinas: la bioquímica, la fisiología,
la microbiología, la inmunología y la taxonomía, formando además parte del campo
aplicado en gran variedad de industrias.
2.- HISTORIA
Desde finales del Siglo XVIII y principios del Siglo XIX, se conocía la digestión
de la carne por las secreciones del estómago y la conversión del almidón en azúcar por
los extractos de plantas y la saliva. Sin embargo, no había sido identificado el
mecanismo.
En el Siglo XIX, cuando se estaba estudiando la fermentación del azúcar en el
alcohol con levaduras, Louis Pasteur llegó a la conclusión que esta fermentación era
catalizada por una fuerza vital contenida en las células de la levadura, llamadas
fermentos, que se pensó sólo funcionaban con organismos vivos. Escribió que "la
fermentación del alcohol es un acto relacionado con la vida y la organización de las
células de las levaduras, y no con la muerte y la putrefacción de las células".
En 1878, el fisiólogo Wilhelm Kühne (1837–1900) acuñó el término enzima, que
viene del griego ενζυμον "en levadura", para describir este proceso. La palabra enzima
fue usada después para referirse a sustancias inertes como el pepsin. Por otro lado la
palabra "fermento" solía referirse a la actividad química producida por organismos
vivientes.
En 1897, Eduard Buchner comenzó a estudiar la habilidad de los extractos de
levadura para fermentar azúcar debido a la ausencia de células vivientes de levadura. En
una serie de experimentos en la Universidad Humboldt de Berlín, encontró que el
azúcar era fermentada inclusive cuando no había elementos vivos en las células de las
levaduras en la mezcla. Llamó a la enzima que causa la fermentación de la sacarosa,
“zimasa”. En 1907 recibió el Premio Nobel de Química "por sus investigaciones
bioquímicas y el haber descubierto la fermentación libre de células". Siguiendo el
ejemplo de Buchner, las enzimas son usualmente nombradas de acuerdo a la reacción
que producen. Típicamente el sufijo "-asa" es agregado al nombre del sustrato (e.j., la
lactasa es la enzima que hiende lactosa) o el tipo de reacción (e.j., el DNA polimerasa)
forma polímeros de ARN.
Eduard Buchner
ENZIMAS
-3-
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
Habiendo mostrado que las enzimas pueden funcionar afuera de una célula viva,
el próximo paso era determinar su naturaleza bioquímica.
En muchos de los trabajos iniciales se notó que la actividad enzimática estaba
asociada con proteínas, pero algunos científicos (como el Premio Nobel Richard
Willstätter) argumentaban que las proteínas eran simplemente el transporte para las
verdaderas enzimas y que las proteínas per se no eran capaces de realizar catálisis.
Sin embargo, en 1926, James B. Sumner demostró que la enzima urease era una
proteína pura y la cristalizó; Summer hizo lo mismo con la enzima caralase en 1937. La
conclusión de que las proteínas puras podían ser enzimas fue definitivamente probada
por John Howard Northrop y Wendell Meredith Stanley, quienes trabajaron en las
enzimas digestivas pepsin (1930), trypsin y chymotrypsin. Estos tres científicos
recibieron el Premio Nobel de Química en 1946.
El descubrimiento de que las enzimas podían ser cristalizadas eventualmente
permitía que sus estructuras fuesen resueltas por una cristalografía de rayos x. Esto fue
hecho primero por las lisozimas, una enzima encontrada en las lágrimas, la saliva y los
huevos blancos que digieren la capa de algunas bacterias; la estructura fue resuelta por
un grupo liderado por David Chilton Phillips y publicado en 1965. Esta estructura de
alta resolución de lisozimas marcó el comienzo del campo de la biología estructural y el
esfuerzo por entender como las enzimas trabajan a un nivel anatómico de detalles.
3.- ENZIMAS
Las enzimas son sustancias de naturaleza proteica que catalizan reacciones
químicas, siempre que sea termodinámicamente posible. Del grado de actividad de estas
sustancias catalizadoras dependen el tipo y la velocidad de las reacciones metabólicas
que se lleven a cabo entre los compuestos biológicos y, en consecuencia, los procesos
vitales derivados de ellos.
Resulta evidente, por tanto, que el conocimiento de las enzimas es fundamental
para comprender los mecanismos básicos de estas reacciones, imprescindibles para el
mantenimiento de la actividad vital de todos los seres vivos.
Todas las enzimas son proteínas, sin embargo, pueden estar formadas
únicamente por cadenas polipeptídicas o contener, además, otro grupo no proteico. En
este último caso, la parte proteica recibe el nombre de apoenzima, mientras que la parte
no proteica se denomina grupo prostético cuando su unión a la coenzima es
permanente, y cofactor cuando, como es habitual, no lo es.
La apoenzima se encarga de proporcionar la estructura espacial específica que
permite la unión a los sustratos. El cofactor o el grupo prostético son los componentes
enzimáticos que llevan a cabo la reacción propiamente dicha, es decir la catálisis en
sentido estricto.
El cofactor puede ser, sencillamente, un catión metálico o bien una molécula
orgánica, y en este caso se llama coenzima. Las coenzimas constituyen un grupo
molecular muy diverso que comprende numerosos derivados vitamínicos.
En los casos en que la enzima consta sólo de parte proteica, ésta se encarga tanto
de fijar específicamente el sustrato como de llevar a cabo la reacción sobre él. Para ello
existen ciertas regiones de la cadena polipeptídica cuyos aminoácidos se unen a los
sustratos, y otras zonas que interaccionan con éstos para la realización de la reacción.
3.1.- ESTRUCTURA DE LAS ENZIMAS
En primer lugar debe mencionarse que la estructura de una enzima es de tipo
proteíco y, por tanto, posee una estructura similar a la de una proteína, presenta sitios
activos que permiten su actividad catalítica, y que a la vez son altamente específicos.
ENZIMAS
-4-
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
La estructura de una enzima se describe generalmente en cuatro niveles
diferentes: estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.
- Estructura primaria: Se refiere a la secuencia lineal exacta de los aminoácidos
de la cadena polipeptídica. Esta estructura es muy importante, ya que la secuencia de
residuos de aminoácidos definen las posteriores estructuras de la enzima.
- Estructura secundaria: Consta de regiones locales de las cadenas
polipeptídicas que forman estructuras, generalmente estabilizadas por puentes de
hidrógeno, tales como las estructuras regulares denominadas hélices α y láminas β. Es la
rigidez del esqueleto peptídico lo que determina los tipos de estructuras secundarias que
pueden existir.
- Estructura terciaria: Implica el plegamiento de los elementos estructurales
secundarios en una conformación global tridimensional. En este nivel, puede decirse
que la conformación espacial de una enzima es completa y apta.
- Estructura cuaternaria: El ensamblado de una serie de subunidades
polipeptídicas da origen a una estructura de tipo cuaternario.
Las enzimas poseen estas estructuras proteícas, pero a la vez pueden estar
acompañadas de otro tipo de grupos, llamados grupos prostéticos o coenzimas. Los
grupos prostéticos se enlazan de forma covalente a la estructura proteíca, mientras que
las coenzimas que no pertenecen a este grupo se unen por otros medios.
Modelo tridimensional de la estructura molecular de una enzima simulado por ordenador
4.- REACCIONES ENZIMÁTICAS
Las reacciones en las que intervienen las enzimas se denominan reacciones
enzimáticas. En estas reacciones, las moléculas sobre las que actúa la enzima en el
comienzo del proceso son llamadas sustratos. Una enzima une los reactantes (sustratos)
de la reacción que cataliza y los coloca juntos en la dirección correcta para que
reaccionen y, de esta manera, convertirlos en diferentes moléculas, los productos. La
enzima, pues, participa en la formación y la ruptura de los enlaces requeridos en la
formación del producto, libera los productos y vuelve a su estado original una vez que
la reacción ha concluido. Las enzimas no son consumidas por las reacciones que ellas
catalizan, ni alteran su equilibrio químico.
Cuando un sustrato se encuentra con la enzima correspondiente se produce la
reacción catalizada, la cual se lleva a cabo en tres etapas:
1) En primer lugar el sustrato se une a la apoenzima formando el complejo enzima
sustrato (ES). Esta unión se caracteriza por un alto grado de especificidad, de modo
que para cada tipo de sustrato y de reacción se necesita una enzima concreta.
La especificidad enzimática se debe a la estructura proteíca de la apoenzima, la
cual presenta una zona denominada centro activo, con una forma espacial
ENZIMAS
-5-
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
característica en la que se acopla el sustrato. Esta acoplamiento se ha comparado con
el que existe entre una llave y su cerradura (sólo es posible abrirla si los salientes y
entrantes de una y otra encajan exactamente, por lo que cualquier cambio que se
produzca en la forma impedirá su acoplamiento).
Modelo de la llave-cerradura
La teoría de la llave-cerradura, propuesta en 1890 por Emil Fischer se considera
esencialmente correcta, aunque en la actualidad se ha probado que en algunas
enzimas el centro activo es capaz de modificar su forma para adaptarse al sustrato,
de ahí que a esta proceso, postulado por Daniel E. Koshland Jr. En 1958, se le
denomine de ajuste o acoplamiento inducido. Será algo semejante a la introducción
de una mano en un guante.
Modelo de ajuste inducido
La unión es reversible, pues una parte del complejo enzima-sustrato (ES) se
disocia y, debido precisamente a esa reversibilidad, esta primera etapa es la más
lenta.
E+S
ES
La unión de los radicales de los aminoácidos del centro activo al sustrato,
consigue debilitar sus enlaces provocando cambios energéticos que permiten
alcanzar más fácilmente el estado de transición.
ENZIMAS
-6-
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
2) Una vez formado el complejo enzima-sustrato, el cofactor lleva a cabo la
reacción y se obtiene el producto final (P). Esta etapa es muy rápida e irreversible.
ES
EP
En el caso de que no existan cofactores, la acción catalítica la realizan algunos
aminoácidos del propio centro activo.
3) El producto se libera del centro activo y la apoenzima queda libre para volver
a unirse a nuevas moléculas de sustrato. La coenzima puede liberarse intacta o
liberarse quedando modificada.
EP
E+P
El conjunto de enzimas sintetizadas en una célula determina el metabolismo que
ocurre en cada célula. A su vez, esta síntesis depende de la regulación de la expresión
génica.
En biología, las enzimas sirven para acelerar los procesos. Como todos los
catalizadores, funcionan disminuyendo la energía de activación para una reacción, y con
ello, se acelera sustancialmente la tasa de la misma. La gran mayoría de las reacciones
de las enzimas son millones de veces más rápidas que las reacciones no catalizadas. Las
enzimas catalizan alrededor de 4000 reacciones bioquímicas distintas.
5.- CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS
Desde el punto de vista químico, las enzimas están formadas por carbono (C),
hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y azufre (S) combinados, pero siempre con
peso molecular bastante elevado y propiedades catalíticas específicas comunes.
Por su carácter proteico, las enzimas poseen las mismas propiedades que las
proteínas, es decir, se desnaturalizan al ser sometidas a cambios de pH, a variaciones de
temperatura y a elevadas concentraciones salinas; y presentan un alto grado de
especificidad, tanto en la selección de los sustratos como en la reacción que catalizan
sobre ellos.
El grado de especificidad del sustrato, aunque normalmente es elevado, puede
variar. Así, hay enzimas que muestran una especificidad absoluta y sólo actúan sobre un
tipo concreto de sustrato, llegando a diferenciar incluso estereoisómeros; y otras que,
por ejemplo sólo muestran especificidad con respecto a un grupo funcional, como las
enzimas esterasas que llevan a cabo la saponificación de cualquier lípido con grupos
éster.
La especificidad de reacción significa que para cada tipo de reacción química,
incluso realizada por un mismo sustrato, existe una enzima diferente, es decir, una
enzima cataliza una sola reacción química o un grupo de reacciones estrechamente
relacionadas.
Además de las propiedades citadas, las enzimas, por ser catalizadores, no se
consumen en el transcurso de las reacciones, por lo que la misma molécula puede actuar
repetidamente. Así, las necesidades enzimáticas son muy bajas y cantidades mínimas de
enzimas pueden transformar grandes cantidades de sustrato.
6.- CINÉTICA ENZIMÁTICA
Si se representa gráficamente la velocidad con que aparece el producto (moles
de producto que se forman por unidad de tiempo) de una determinada reacción
enzimática, en función de la concentración de sustrato inicial, para una cantidad
constante de enzima, se obtiene una gráfica del siguiente tipo:
ENZIMAS
-7-
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
Velocidad de reacción en función de la concentración del sustrato
Como se puede observar al aumentar la concentración de sustrato, aumenta también la
velocidad de la reacción. Esto resulta lógico, ya que mientras existe enzima libre, a
mayor número de moléculas de sustrato, más moléculas del producto aparecerán. Pero
llega un momento en que, a pesar de que la concentración de sustrato sigue aumentando,
la velocidad no varía. Se alcanza una velocidad máxima que no es posible superar. Esta
situación corresponde ala existencia de moléculas de enzima libres, pues todas están
ocupadas por moléculas de sustrato formando complejos ES. A medida que se forman
las moléculas de producto, las enzimas van liberándose y pueden aceptar nuevas
moléculas de sustrato que están “a la espera”.
En la reacción enzimática, la etapa limitante, es decir, la más lenta, corresponde
a la unión del sustrato al centro activo para formar el complejo ES. Existe, por tanto una
constante de equilibrio (ke) para esta etapa:
ke 
E S 
ES 
Para calcular dicha constante, es preciso conocer la concentración de enzima
libre y la concentración de enzima que forma el complejo ES, valores que no se pueden
establecer directamente. Sin embargo, cuando la velocidad de la reacción es la mitad de
la máxima, el número de moléculas de enzima libres es igual al de moléculas de enzima
ocupadas, es decir:
E  ES 
La expresión de la constante de equilibrio en esta situación se simplifica y
queda:
ke  S 
La constante así obtenida se denomina Michaelis-Menten o KM y se define como
la concentración de sustrato para la cuál la reacción alcanza la velocidad semimáxima
(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 velocidad
semimáxima. Del grado de afinidad relacionado con la KM, depende la velocidad de la
enzima.
ENZIMAS
-8-
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
Velocidades semimáximas y KM
En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten dedujeron una ecuación que
también lleva su nombre que permite calcular la velocidad de una reacción enzimática
para cualquier concentración de sustrato, utilizando el valor de KM y de la velocidad
máxima.
S 
v  vmáx 
K M  S 
6.1.- FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE LAS
REACCIONES QUÍMICAS
Las reacciones catalizadas por enzimas no se producen siempre a la misma
velocidad. Entre los factores que pueden modificar la velocidad de dichas reacciones se
pueden citar los siguientes:
a) La concentración del sustrato: al aumentar la concentración del sustrato existen
más centros activos ocupados y la velocidad de la reacción aumenta hasta que no
quedan centros activos libres; a partir de ese momento, un aumento de la
concentración del sustrato no supone un aumento de la velocidad de la reacción.
b) pH: cada enzima tiene un pH óptimo de actuación. Los valores por encima o por
defecto de este valor óptimo provocan un descenso de la velocidad enzimática,
debido a cambios eléctricos en los radicales de los aminoácidos que constituyen
el centro activo. De este modo, pueden aparecer o desaparecer enlaces, por
fuerzas electrostáticas que alteren la estructura espacial del centro activo o su
unión al sustrato. También pueden cambiar las cargas eléctricas en el sustrato.
En cualquier caso, el acoplamiento del sustrato al centro activo se verá
dificultado y la velocidad de la reacción disminuirá.
Por debajo de un pH mínimo y por encima de un pH máximo, se produce la
desnaturalización de la enzima y su actividad se anula por completo.
c) Temperatura: como en el caso anterior, existe también una temperatura óptima
en la que la actividad enzimática es máxima. Las temperaturas inferiores a este
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 de la enzima y la pérdida total de su funcionalidad.
ENZIMAS
-9-
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
Efectos del pH y de la temperatura en la actividad enzimática
6.2.- MECANISMOS
ENZIMÁTICA
PARA
AUMENTAR
LA
EFICACIA
Los procesos metabólicos que tienen lugar en los seres vivos se componen
generalmente de secuencias de reacciones encadenadas que constituyen las llamadas
rutas metabólicas, de tal forma que el producto final de una reacción es el sustrato de la
siguiente. Estas rutas pueden ser largas, por lo que el tiempo necesario para llevarlas a
cabo sería elevado. Para que las reacciones se produzcan de una forma óptima, existen
diversos mecanismos que permiten aumentar la eficacia de la acción enzimática, entre
los que destacan los siguientes:
- Compartimentación celular: Las enzimas implicadas en algunos procesos
metabólicos importantes se localizan juntas en estructuras membranosas (orgánulos
celulares) del citoplasma celular, donde se encuentran en mayor concentración que
si estuvieran dispersas por el citoplasma. De esta forma, se asegura la consecución
del proceso y el mantenimiento de unas condiciones ambientales de pH, de
concentración de iones, etc., adecuadas para la actividad enzimática. Esta es la gran
ventaja de la posesión de orgánulos citoplasmáticos en las células eucariotas.
- Reacciones en cascada: Si el producto de una reacción enzimática actúa como
enzima de otra reacción, cuyo producto, a su vez, es la enzima de una nueva
reacción, y así sucesivamente, la eficacia de la actividad enzimática es mayor, ya
que el número de moléculas obtenidas aumenta en cada paso de forma considerable.
Las reacciones en cascada son características de aquellos procesos que tienen que
realizarse en un lapso de tiempo muy breve, como, por ejemplo, la coagulación
sanguínea, en la que la red de fibrina debe formarse rápidamente para evitar la
pérdida de sangre.
Reacciones en cascada
ENZIMAS
- 10 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
- Complejos multienzimáticos: La agrupación de las enzimas que llevan a cabo
reacciones consecutivas de una ruta metabólica en un complejo único permite
realizar el proceso completo con gran rapidez, ya que nada más obtener un producto,
este puede actuar como sustrato de una nueva reacción al estar en contacto con la
enzima correspondiente, lo cual favorece su acceso inmediato al centro activo de la
enzima. Un ejemplo clásico de complejo multienzimático es el de la piruvatodeshodrogenasa que descarboxila, oxida y activa el ácido pirúvico para formar
acetil-CoA, que ingresará en el ciclo de Krebs.
- Existencia de isozimas: En ocasiones, aparecen moléculas enzimáticas (isozimas)
que, aun teniendo la misma acción catalítica, poseen KM diferentes, lo que hace que
su velocidad sea distinta. Cada una de ellas se localiza en aquellos orgánulos donde
se precisa una determinada velocidad.
6.3.- REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Las reacciones enzimáticas constituyen la clave de la actividad vital de una
célula. Esta actividad, sin embargo, no es siempre la misma. En un momento dado, por
ejemplo, puede interesar aumentar la síntesis de un determinado producto, y en otro,
metabolizar un sustrato que acaba de aparecer, por lo que se deberá aumentar la
actividad de las enzimas implicadas en uno u otro proceso. Por otro lado, una vez
conseguida la cantidad precisa del producto, la actividad enzimática debe disminuir o
anularse para evitar un gasto inútil.
En definitiva, las necesidades celulares son cambiantes y, por tanto, la velocidad
de las reacciones enzimáticas debe variar de acuerdo con ellas. Es imprescindible, pues,
una regulación de la actividad enzimática que cumpla, en cualquier caso, el principio de
economía celular por el que solamente permanecen activas las enzimas precisas en cada
momento, evitando de este modo la fabricación innecesaria de productos, cuya
acumulación, además, podría tener efectos negativos.
Los cambios de pH y temperatura influyen en la velocidad de las reacciones
enzimáticas, pero habitualmente estas variaciones no se utilizan como método de
regulación en un organismo. Los mecanismos de regulación empleados son la
activación y la inhibición enzimática y el alosterismo.
- Activación enzimática:
La presencia de activadores permite que ciertas enzimas que se mantenían
inactivas lleven a cabo una acción, es decir, se activen. Normalmente, la unión del
activador hace que el centro activo adquiera la estructura adecuada para el
acoplamiento del sustrato. Algunos cationes, desempeñan un papel importante como
activadores enzimáticos.
También pueden actuar como activadores diversas moléculas orgánicas, incluso
el propio sustrato. Este último es un caso muy interesante y frecuente. La enzima
permanece inactiva hasta que aparece el sustrato; es decir, si no hay sustrato, no es
necesaria la actividad de la enzima correspondiente, pero si lo hay, se produce la
activación para que ese sustrato lleve a cabo la reacción, es decir, el sustrato activa
su propia metabolización.
- Inhibición enzimática:
Los inhibidores enzimáticos son sustancias que disminuyen o anulan la actividad
de una enzima. Se trata de un proceso inverso al de la activación. La enzima,
previamente activa, disminuye su velocidad o incluso deja de actuar cuando aparece
un inhibidor, el cual pude ser algún ión o también alguna molécula orgánica y, muy
frecuentemente, el producto final de la reacción.
ENZIMAS
- 11 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
En este último caso, en el que la enzima se inhibe cuando ya no es necesario
obtener más cantidad de producto y la señal para ello es el propio producto, se habla
de inhibición feed-back o retroinhibición.
La inhibición puede ser irreversible, cuando el inhibidor, que se denomina en
este caso “veneno metabólico”, se une covalentemente a la enzima, alterando su
estructura e inutilizándola de forma permanente.
La inhibición reversible, mucho 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 la enzima se realiza por enlaces no covalentes (iónicos o
puentes de hidrógeno), más fáciles de romper.
Según el lugar de unión a la enzima se diferencian dos tipos de inhibición
reversible competitiva y no competitiva.
- Inhibición competitiva: En ella, el inhibidor se une al centro activo impidiendo,
por tanto, la unión del sustrato. Existe una competencia entre ambos para ocupar
el centro activo. Si éste es ocupado por el sustrato, la reacción se lleva acabo,
pero si es ocupado por el inhibidor no se produce, ya que el sustrato no puede
acoplarse. El grado de inhibición dependerá de la proporción relativa entre
sustrato e inhibidor.
Para que exista este tipo de inhibición es necesario que el inhibidor se
acople al centro activa por lo que su forma espacial debe tener gran semejanza
con la del sustrato. Por eso, a estos inhibidores se les llama análogos
metabólicos.
- Inhibición no competitiva: El inhibidor no compite con el sustrato, sino que se
une en otra zona de la enzima distinta del centro activo. Esta unión modifica la
estructura de la 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.
Diversos tipos de inhibición
- Alosterismo:
El alosterismo constituye un sistema de regulación enzimática sumamente
preciso. Las enzimas alostéricas catalizan algunas reacciones importantes, como, por
ejemplo, el primer paso de una ruta metabólica compuesta por varias reacciones
consecutivas. También suelen encontrarse en los puntos de ramificación de las rutas
metabólicas desde los que se pueden seguir varios caminos alternativos.
ENZIMAS
- 12 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
7.- CLASIFICACIÓN
Se conocen alrededor de 2000 enzimas. Hay varias formas mediante las cuales
se asigna un nombre a una enzima: nombres particulares, sistemáticos o el código de la
Comisión Internacional de Enzimas (IEC), organismo que cataloga las enzimas
conocidas.
- Nombres particulares: Antiguamente, las enzimas recibían nombres
particulares, asignados por su descubridor. Al ir aumentando el número de
enzimas conocidos, se hizo necesaria una nomenclatura sistemática que
informara sobre la acción específica de cada enzima y los sustratos sobre los
que actuaba.
- Nombres sistemáticos: El nombre sistemático de una enzima consta
actualmente de tres partes: el sustrato preferente, el tipo de reacción realizada
y la terminación “-asa”.
- Nomenclatura de la Comisión Enzimática: El nombre de cada enzima puede
ser identificado por un código numérico, encabezado por las letras EC
(enzyme commission), seguidas de cuatro números separados por puntos. El
primer número indica a cuál de las seis clases pertenece la enzima, el
segundo se refiere a distintas subclases dentro de cada grupo y el tercero y el
cuarto se refieren a los grupos químicos específicos que intervienen en la
reacción. Aunque más precisa, esta nomenclatura no resulta cómoda y se
utiliza con menos frecuencia que la anterior.
Según el tipo de reacción que catalizan, las enzimas se clasifican en seis clases:
1) Oxidorreductasas: Las reacciones de oxidación-reducción son muy
comunes en las rutas metabólicas y están catalizadas por una amplia clase de
enzimas llamadas oxidorreductasas. Allá donde transcurra una reacción de
oxidación-reducción, al menos un sustrato gana electrones y se reduce, y otro
los pierde, oxidándose.
Ejemplos: Deshidrogenasas, hidrosilasas y oxidasas.
2) Transferasas: Las transferasas catalizan reacciones de transferencia de
grupo, es decir, la transferencia de un grupo funcional de una molécula a
otra. Una característica común a estas reacciones es que el grupo que se
transfiere existe como grupo de fácil transferencia en la molécula donadora.
Suelen actuar en procesos de interconversión de monosacáridos,
aminoácidos, etc.
Ejemplos: Transaminasas, transcarboxilasas, transmetilasas y quinasas.
3) Hidrolasas: Verifican reacciones de hidrólisis con la consiguiente obtención
de monómeros a partir de polímeros. Suelen ser de tipo digestivo, por lo que
normalmente actúan en primer lugar.
Ejemplos: Carbohidrasas, esterasas, glucosidasas, peptidasas, lipasas y
nucleasas.
4) Liasas: La clase de las liasas está formado por un grupo diverso de enzimas
que escinden enlaces de forma diferente a la hidrólisis o la oxidación.
Realizan la degradación o síntesis de los enlaces denominados fuertes sin ir
acoplados a sustancias de alto valor energético (como el ATP).
Ejemplos: Descarboxilasas, sintasas, hidratasas y aminasas.
5) Isómerasas: Muchas reacciones bioquímicas simplemente reorganizan los
átomos presentes en una molécula, es decir, crean isómeros de la molécula
de partida. Las enzimas que reorganizan la estructura de los enlaces de un
ENZIMAS
- 13 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
compuesto se denominan isomerasas, mientras que las enzimas que catalizan
movimientos de un fosfato de un átomo a otro se llaman mutasas.
Ejemplos: Mutasas y epimerasas.
6) Ligasas: Estas enzimas realizan la degradación o síntesis de los enlaces
denominados fuertes en reacciones acopladas a la ruptura de un enlace
fosfato del ATP o de otro nucleótido.
Ejemplos: Carboxilasas y sintetasas.
DESCRIPCIÓN
EC 2: Transferasas
EC 1: Oxidorreductasas
GRUPO SUBCLASE
ENZIMAS
EC 1.1
Acción sobre donantes CH-OH
EC 1.2
Acción sobre donantes de grupos aldehido u oxo.
EC 1.3
Acción sobre donantes del grupo CH-CH
EC 1.4
Acción sobre donantes del grupo CH-NH2
EC 1.5
Acción sobre donantes del grupo CH-NH
EC 1.6
Acción sobre NADH o NADPH
EC 1.7
Acción sobre donantes de otros grupos nitrogenados
EC 1.8
Acción sobre donantes de grupos azufrados
EC 1.9
Acción sobre donantes del grupo hemo.
EC 1.10
Acción sobre
relacionados
EC 1.11
Acción sobre un aceptor peróxido
EC 1.12
Acción sobre un hidrógeno donante
EC 1.13
EC 1.14
donantes
del
grupo
difenoles
y
Acción sobre donantes sencillos con incorporación de
oxígeno molecular (oxigenasas)
Acción sobre donantes en pareja, con incorporación o
reducción de oxígeno molecular.
EC 1.15
Acción sobre radicales superóxido como aceptor .
EC 1.16
Oxidantes de iones metálicos.
EC 1.17
Acción sobre grupos CH2
EC 1.18
Acción sobre donantes de proteínas azufradas.
EC 1.19
Acción sobre flavodoxina como donante
EC 1.20
Acción sobre fósforo o arsénico en donantes
EC 1.21
Acción sobre X-H y Y-H para formar un enlace X-Y
EC 1.97
Otras oxidoreductasas
EC 2.1
Transferentes de grupos de un carbono.
EC 2.2
Transferentes de grupos aldehido or cetónicos
EC 2.3
Aciltransferasas
EC 2.4
Glicosiltransferasas
EC 2.5
Transferentes de grupos alquilo o arilo diferentes al
metilo.
EC 2.6
Transferentes de grupos de nitrógeno
EC 2.7
Transferentes de grupos con fósforo
- 14 -
EC 6: Ligasas
EC 5: Isomerasas
EC 4: Liasas
EC 3: Hidrolasas
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
EC 2.8
Transferentes de grupos con azufre
EC 2.9
Transferentes de grupos con selenio
EC 3.1
Acción sobre enlaces éster
EC 3.2
Glicosilasas
EC 3.3
Acción sobre enlaces éter
EC 3.4
Acción sobre enlaces peptídicos
EC 3.5
Acción sobre enlaces carbono-nitrógeno no peptídicos
EC 3.6
Acción sobre anhídridos de ácido
EC 3.7
Acción sobre enlaces carbono-carbono
EC 3.8
Acción sobre enlaces haluro
EC 3.9
Acción sobre enlaces fósforo-nitrógeno
EC 3.10
Acción sobre enlaces azufre-nitrógeno
EC 3.11
Acción sobre enlaces carbono-fósforo
EC 3.12
Acción sobre enlaces azufre-azufre
EC 3.13
Acción sobre enlaces carbono-azufre
EC 4.1
Liasas carbono-carbono
EC 4.2
Liasas carbono-oxígeno
EC 4.3
Liasas carbono-nitrógeno
EC 4.4
Liasas carbono-azufre
EC 4.5
Liasas carbono-haluro
EC 4.6
Liasas fósforo-oxígeno
EC 4.99
Otras liasas
EC 5.1
Racemasas y epimerasas
EC 5.2
cis-trans-Isomerasas
EC 5.3
Isomerasas intramoleculares
EC 5.4
Transferasas intramoleculares (mutasas)
EC 5.5
Liasas Intramoleculares
EC 5.99
Otras isomerasas
EC 6.1
Formadoras de enlaces carbono—oxígeno
EC 6.2
Formadoras de enlaces carbono—azufre
EC 6.3
Formadoras de enlaces carbono—nitrógeno
EC 6.4
Formadoras de enlaces carbono—carbono
EC 6.5
Formadoras de enlaces de ester fosfórico
8.- DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR
En la actualidad se sabe que la información genética es la causa de la síntesis de
proteínas específicas, entre ellas las enzimas, responsables de las características
estructurales y funcionales de un organismo.
ENZIMAS
- 15 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
Los avances en bioquímica y el descubrimiento de los distintos tipos de ARN
permitieron a Francis Crick (uno de los descubridores de la doble hélice del ADN)
enunciar en 1970 el dogma central de la biología molecular:
“La información genética contenida en el ADN se mantiene mediante su
capacidad de replicación. El ADN copia una parte de su mensaje sintetizando una
molécula de ARN mensajero, (proceso denominado transcripción), la cual constituye la
información utilizada por los ribosomas para la síntesis de una proteína (proceso de
traducción)”.
Por tanto, el flujo de la información genética se produce de la siguiente manera:
Este esquema central de flujo de la información pronto fue modificado, ya que
en algunos virus cuyo material hereditario es ARN, la información se conserva o
mantiene mediante replicación del ARN. Además, también se comprobó que la
información no va siempre del ADN hacia el ARN (ADN
ARN), en algunos casos la
información puede fluir del ARN hacia el ADN (ARN
ADN), es decir sintetizar
ADN tomando como molde ARN , teniendo lugar el fenómeno de la transcripción
inversa. H. Temin recibió el Premio Nobel en 1975 por el descubrimiento de la
transcripción inversa en virus ARN-ADN.
- Mecanismo de replicación y formación del ADN:
La precisión necesaria en la replicación del ADN implica un mecanismo complejo
para asegurar la obtención de copias idénticas. Baste decir que para que un ser humano
se desarrolle a partir del cigoto, se calcula que deben producirse unos mil billones de
divisiones celulares con otras tantas replicaciones previas del ADN. Si consideramos
que existen 3500 millones de pares de nucleótidos en el genoma humano, es posible
hacerse una idea de la magnitud del proceso.
La replicación se lleva a cabo durante la fase S del ciclo celular. Comienza en ciertas
zonas del ADN donde existen determinadas secuencias de nucleótidos. En primer lugar
interviene una enzima helicasa que separa las dos hebras de ADN al romper los puentes
de hidrógeno entre las bases nitrogenadas complementarias. La separación y
desespiralización de las dos hebras genera tensiones en ellas, que son eliminadas por la
ENZIMAS
- 16 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
intervención de otras enzimas, las topoisomerasas. Para ello, cortan una de las dos
hebras (topoisomerasa I) o las dos (topoisomerasa II o girasa).
A continuación comienza la síntesis de las hebras complementarias sobre cada una
de las originales. El proceso se lleva a cabo mediante la enzima ADN polimerasa III,
que presenta las siguientes características:
- Necesita una hebra molde de ADN, que recorre en sentido 3’
5’ y sobre la
que sintetiza la hebra complementaria.
- Une nucleótidos en sentido 5’
3’, es decir, la nueva hebra formada crece en
este sentido. Los nucleótidos que se van uniendo son los que se sitúan
previamente frente a los correspondientes nucleótidos complementarios del
ADN molde.
- Utiliza nucleótidos trifosfato, los cuales proporcionan, al mismo tiempo, la
energía necesaria para la unión.
- No puede comenzar la síntesis por sí misma, pues sólo puede añadir
nucleótidos sobre el extremo 3’ libre de una cadena polinucleotídica previa. Por
este motivo es necesario que exista una cadena corta de ARN ( de 40 ó 50
nucleótidos), denominada ARN cebador o primer.
El ARN cebador es sintetizado por la enzima primasa que, utilizando ADN como
molde, sintetiza ARN complementario de éste.
ARN, sintetizado por la primasa, actúa como cebador para iniciar la síntesis del ADN.
A medida que la doble hélice del ADN original se va separando (de manera
semejante a una cremallera que se abre), se forma la llamada burbuja de replicación,
donde se produce la acción de la ADN polimerasa III. Existe una horquilla de
replicación en cada extremo, pues el proceso es bidireccional, es decir, avanza en ambas
direcciones.
Dado que la ADN polimerasa III recorre el ADN molde en sentido 3’
5’, la
síntesis de una de las hebras es continua, ya que, a medida que se abre la doble hélice, la
enzima va avanzando y añadiendo nuevos nucleótidos a la cadena en formación,
denominada hebra conductora. Sin embargo, como la otra cadena es complementaria, la
ADN polimerasa debería recorrerla en sentido 5’
3’, añadiendo nucleótidos a la
hebra en formación en sentido 3’
5’, lo cual no es posible. La síntesis, en este caso,
es discontinua y se produce en segmentos separados. Esta cadena se denomina hebra
retardada, pues su síntesis es más lenta que la de la hebra conductora. Los segmentos
de ADN sintetizados de este modo se conocen como fragmentos de Okazaki y constan
de 1000 a 2000 nucleótidos. Cada fragmento de Okazaki requiere un ARN cebador para
iniciar la síntesis de una secuencia de nucleótidos.
Posteriormente, tras la eliminación de los ARN cebadores, los fragmentos de
Okazaki se unen gracias a la acción de las enzimas ligasas.
ENZIMAS
- 17 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
Proceso de replicación del ADN.
La enzima ADN polimerasa I elimina los ARN cebadores gracias a su actividad
exonucleasa (rotura de enlaces fosfodiéster a partir de un extremo nucleotídico libre).
Esta misma enzima posee también actividad polimerasa, por lo que puede rellenar el
hueco dejado por el ARN cebador que se ha eliminado.
Por último, cada hebra recién sintetizada y la que ha servido de patrón se disponen
enrolladas originando una doble hélice.
La actividad exonucleasa de la ADN polimerasa elimina el ARN cebador.
- Corrección de errores:
La replicación no ha concluido hasta que se comprueba que la copia de la secuencia
nucleotídica es correcta. Es necesario, pues, detectar y corregir los errores producidos.
El ADN es la única molécula capaz de efectuar una reparación de sí misma.
La ADN polimerasa III no une los nucleótidos que no sean complementarios de los
correspondientes nucleótidos de la hebra molde, aunque, en ocasiones, se produce un
error que hay que eliminar. En estos casos el nucleótido mal emparejado es quitado por
la acción de enzimas nucleasas. Por esta razón, el número de errores producidos durante
el proceso de replicación es muy bajo (uno por cada 107 – 108 bases incorporadas). Sin
embargo, esta proporción tan baja no es despreciable, ya que el número de nucleótidos
de una cadena de ADN es muy alto, sobre todo en organismos pluricelulares (con más
información genética y un gran número de células). Por ello, existe un proceso
posreplicativo de corrección de errores en el que participan varias enzimas:
Endonucleasas que detectan errores y cortan la cadena anómala
Exonucleasas que eliminan el fragmento incorrecto
ENZIMAS
- 18 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
ADN polimerasas que sintetizan la parte correspondiente al segmento eliminado.
Esta acción y la anterior pueden ser realizadas por la ADN polimerasa I.
ADN ligasas que unen el nuevo segmento al resto de la cadena.
Tras la corrección, el número de errores desciende hasta uno por cada 1010 bases
incorporadas.
Para posibilitar la detección de los errores es necesario diferenciar la cadena nueva
de la antigua. Esto se consigue por mutilación de las adeninas, proceso que tiene lugar
pasado un cierto tiempo. Así, las adeninas pertenecientes a la hebra recién sintetizada
no están aún metiladas y las de la hebra antigua sí, lo que permite que las enzimas
reparadoras la identifiquen.
A pesar de los mecanismos correctores de errores, la fidelidad en la replicación no
es absoluta, lo cual no es necesariamente negativo, ya que si los errores no tienen
consecuencias sobre la viabilidad de las células (o de los individuos) que los poseen, se
convierten en fuente de variación genética, imprescindible para el desarrollo de los
procesos evolutivos.
Así, aunque en la replicación resulta fundamental mantener la fidelidad del mensaje
genético en la síntesis de nuevas copias de ADN, se deja siempre un pequeñísimo
margen a la aparición de variaciones que contribuyen a los cambios evolutivos.
Reparación de una región de ADN mediante la acción de un complejo multienzimático.
- Transcripción:
El proceso de transcripción, como su nombre indica, consiste en copiar una parte del
mensaje genético desde su forma original (ADN) a otra (ARN) que se pueda utilizar
directamente para la síntesis de proteínas específicas. Dado que la maquinaria
sintetizadora sólo puede funcionar con informaciones codificadas en moléculas de
ARN, se comprende que la trasncripción sea imprescindible como paso previo para la
síntesis proteica. Por otra parte, también resulta fundamental en la regulación de la
expresión genética, pues al inhibirse se dejarán de producir las proteínas
correspondientes. Por el contrario, la activación de la transcripción implicará la síntesis
proteica.
En el proceso de transcripción se forma una cadena de ARN cuyas secuencias de
bases nitrogenadas es la misma que la de una de las hebras de la doble hélice de ADN.
La síntesis de ARN se produce gracias a la acción de una enzima, la ARN
polimerasa ADN dependiente, que presenta las siguientes características:
- Une nucleótidos mediante enlaces fosfodiéster (nucleotídicos), siempre en
sentido 5`
3`.
- Utiliza nucleótidos trifosfato.
ENZIMAS
- 19 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
- Necesita una molécula de ADN como molde o patrón para poder establecer la
secuencia específica de bases del ARN que se va a sintetizar. Esta especificidad se
consigue por la complementariedad que existe entre las bases de la hebra de ADN
molde y las de los ribonucleótidos que van a construir el ARN. Así, cada
ribonucleótido se sitúa frente al nucleótido correspondiente del ADN y la enzima
ARN polimerasa los va uniendo. Es necesario observar que la cadena de ARN
sintetizada, al ser complementaria de la hebra de ADN que se utiliza como molde,
es igual a la otra hebra. Es decir, si se quiere formar una copia de una hebra se
utiliza la otra como molde
- Se fija a regiones específicas del ADN (regiones o genes promotores) para
comenzar su acción a partir de ese punto. En el procariota E. coli, esta secuencia
consenso es TATAAT, que se conoce como la caja TATA o de Pribnow y en los
eucariotas muy frecuentemente tienen cajas CAAT.
El proceso en líneas generales, es el mismo en todas las células, aunque existen
algunas diferencias entre las procariotas y las eucariotas.
Transcripción del ADN
- Traducción:
Una vez transcrita el ADN la molécula de ARNm formada contiene la
información necesaria para la síntesis de la proteína correspondiente. El proceso de
biosíntesis de proteínas recibe el nombre de traducción, ya que se cambia el lenguaje
para pasar de una secuencia específica de nucleótidos a una secuencia específica de
aminoácidos.
Antes de que se inicie propiamente la síntesis de las proteínas es preciso que los
aminoácidos que van a ser unidos se activen. En esta fase previa, que tiene lugar en el
citoplasma, cada aminoácido se une a una molécula de ARNt específica gracias a la
acción de las enzimas aminoacil-ARNt sintetasas.
La unión entre los aminoácidos para la formación del enlace peptídico se
produce gracias a la enzima peptidil transferasa.
- Transcripción Inversa:
Se llama ADNc o complementario a una secuencia de ADN sintetizada
artificialmente utilizando como molde el ARN mensajero, mediante la enzima
transcriptasa inversa.
La ventaja de este tipo de moléculas es que el ADNc no contiene intrones y, dado
que se obtiene directamente del ARNm, todas las secuencias son codificantes, pues
tampoco hay ADN correspondiente a regiones reguladoras ni regiones con repeticiones.
ENZIMAS
- 20 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
Proceso de obtención del ADNc.
9.- ENZIMAS DE RESTRICCIÓN
Las técnicas para conocer la secuencia de nucleótidos del ADN aparecieron
hacia el final de los años setenta. Hasta ese momento era casi imposible llegar a saber la
secuencia de bases de un fragmento largo de este ácido nucleico.
Actualmente, se conoce la secuencia completa de miles de genes, y el genoma
completo de bastantes seres vivos: diversas bacterias (E. Coli en 1997), la levadura de la
fermentación alcohólica Saccharomyces cerevisiae (1996), la mosca Drosophila
melanogaster y, recientemente, se ha completado la secuencia del genoma humano.
El Premio Nobel de Medicina de 1978 fue concedido a los Microbiólogos
Werner Arber, Daniel Nathans y Hamilton Smith por el descubrimiento de las
endonucleasas de restricción, conduciendo al desarrollo de la tecnología de ADN
recombinante. El primer uso práctico de su trabajo fue la manipulación de la bacteria E.
coli para producir insulina humana para los diabéticos.
- Corte de fragmentos de ADN
Las enzimas de restricción o endonucleasas de restricción son unas enzimas
bacterianas cuya finalidad es destruir el ADN procedente de bacteriófagos, y
que tienen la propiedad de cortar el ADN sólo en ciertas secuencias de
nucleótidos. Las diferentes especies de bacterias tienen diversas endonucleasas
de restricción, y cada una de ellas corta al ADN por una secuencia distinta. Las
secuencias de reconocimiento para cortar el ADN son secuencias cortas de
nucleótidos, frecuentemente palindrómicas.
Las enzimas de restricción cortan las dos cadenas del ADN en lugares
específicos, llamados sitios o diana de restricción. Algunas endonucleasas
cortan las dos hebras (o cadenas) en el mismo lugar, originando extremos romos.
Otras cortan las dos cadenas en lugares diferentes, originando extremos
cohesivos o “pegajosos”. Estos últimos tienen tendencia a volver a unirse de
modo espontáneo ya que los extremos se pueden unir a otros extremos
coincidentes que puedan haber en la cercanía (Apareamiento de Watson y
Crick).
Las enzimas de restricción que a pesar de ser distintas y provenir de distintas
especies, tienen la misma secuencia de reconocimiento y dejan el mismo
extremo cohesivo, pero no cortan en el mismo sitio, son llamadas
Isoesquizómeros.
Una unidad de enzima se define como la cantidad de enzima que se necesita
para cortar 1 μg de ADN en 1 hora.
ENZIMAS
- 21 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
Cortes que producen extremos romos y cohesivos.
- Separación de los fragmentos de ADN
Cuando se ha cortado una molécula de ADN con enzimas de restricción se
originan fragmentos de diferentes tamaños. Para separarlos se utiliza una técnica,
la electroforesis en gel, que se basa en que cuando se aplica un campo eléctrico a
los distintos fragmentos de ADN, estos se desplazan por el gel en función de su
tamaño. De esta forma los fragmentos de ADN más pequeños migran más en el
gel que los más grandes, originando diferentes bandas dependiendo de su masa
molecular.
Para la electroforesis del ADN se emplean geles de agarosa o de
poliacrilamida.
- Unión al vector.
Una vez obtenidos los fragmentos de ADN mediante electroforesis, no
pueden conservarse así “sueltos”, sino que hay que unirlos a otras moléculas de
ADN transportadoras, que se llaman vectores.
Frecuentemente, estos vectores son plásmidos bacterianos, o genomas víricos
de ADN, aunque también pueden ser moléculas de ADN sintetizadas
artificialmente.
La unión del gen aislado al vector se hace mediante la enzima ADN ligasa,
que forma una unión covalente entre ambos fragmentos de ADN.
Se llaman moléculas de ADN recombinante, o simplemente ADN
recombinante, a las moléculas de ADN que resultan de la unión del gen
escogido y el vector.
- Tipos de Enzimas de Restricción:
Existen, en general, 3 sistemas de enzimas de restricción:
Tipo 1: Una sola enzima (con 3 subunidades) tiene actividad de restricción
(corta) y modificación (metila). Al reconocer la secuencia específica de DNA
corta al azar en sitios distintos al sitio de reconocimiento, ya sea río arriba o río
abajo. El corte deja extremos cohesivos. Necesitan de ATP para moverse en el
DNA, desde el lugar de reconocimiento hasta el sitio de corte (unas 1000 pares
de bases aprox.), además de SAM (S-adenosil-metionina) y Mg++ como
cofactores.
Tipo 2: Solo tienen actividad de restricción. Otras enzimas llevan a cabo la
metilación. El corte es efectuado en el sitio de reconocimiento, o bien, ceca de
él, por lo que el corte es resistente y predecible. Por esta característica es que son
muy utilizadas para clonamiento de genes, ya que al cortar en sitios específicos
ENZIMAS
- 22 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
se pueden recuperar secuencias conocidas. Sólo requieren Mg++ como cofactor,
no necesitan de ATP.
Tipo 3: Se utiliza una enzima oligomérica que realiza todas las actividades
enzimáticas. Tienen función de restricción y modificación. Cortan de 25 a 27
pares de bases lejos del sitio de reconocimiento, dejando extremos cohesivos.
Requieren dos secuencias de reconocimiento en orientación opuesta en la misma
cadena de DNA. Necesitan ATP, Mg++ y SAM (S-adenosil-metionina) como
cofactores.
- Nomenclatura:
El nombre de cada enzima de restricción esta asignado según el origen
bacteriano de la misma. La nomenclatura utilizada para denominar estas enzimas
consiste en:
1º.- Tres letras que corresponden al nombre científico del microorganismo
(ej. Escherichia coli (Eco); Haempphilus influenzae (Hin) )
2º.- La cepa o estirpe si la hubiese (ej. EcoR, aislada de la cepa RY13 de E.
coli )
3º.- En números romanos, un número para distinguir si hay más de una
endonucleasa aislada de esa misma especie. No confundir con el tipo de enzima
de restricción.
4º.- Todas deberían llevar delante una R de restricción o un M de metilasa
según la función de la enzima, pero generalmente se omite.
En esta tabla se presentan algunas enzimas de restricción, con su respectivo
origen bacteriano y sitio de reconocimiento.
Enzima
EcoRI
Origen Bacteriano
Escherichia coli
BamHI Bacillus amyloliquefaciens
DpnI*
Diplococcus pneumoniae
Hindi
Haemophilus influenzae
TaqI
Thermus aquaticus
NotI
Nocardia otitidis
Hindi
Haemophilus influenzae
Sau3A Staphylococcus aureus
PovII* Proteus vulgaris
SmaI*
Serratia marcescens
HaeIII* Haemophilus egytius
ENZIMAS
Sitio de
Reconocimiento
Resultado del Corte
5'GAATTC
3'CTTAAG
5'GGATCC
3'CCTAGG
CH3
|
5'GATC
3'CTAG
|
CH3
5'AAGCTT
3'TTCGAA
5'TCGA
3'AGCT
5'GCGGCCGC
3'CGCCGGCG
5'GANTC
3'CTNAG
5'GATC
3'CTAG
5'CAGCTG
3'GTCGAC
5'CCCGGG
3'GGGCCC
5'---G
AATTC---3'
3'---CTTAA
G---5'
5'---G
GATCC---3'
3'---CCTAG
G---5'
CH3
|
5'---GA
TC---3'
3'---CT
AG---5'
|
CH3
5'---A
AGCTT---3'
3'---TTCGA
A---5'
5'---T
CGA---3'
3'---AGC
T---5'
5'---GC
GGCCGC---3'
3'---CGCCGG
CG---5'
5'---G
ANTC---3'
3'---CTNA
G---5'
5'--GATC---3'
3'---CTAG
---3'
5'---CAG CTG---3'
3'---GTC GAC---5'
5'---CCC GGG---3'
3'---GGG CCC---5'
5'GGCC
5'---GG
CC---3'
- 23 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
CPU
Klebsiella pneumonia
PstI
Providencia stuartii
SacI
Streptomyces achromogenes
SalI
Streptomyces albue
3'CCGG
5'AGCT
3'TCGA
5'GATATC
3'CTATAG
5'GGTACC
3'CCATGG
5'CTGCAG
3'GACGTC
5'GAGCTC
3'CTCGAG
5'GTCGAC
3'CAGCTG
SphI
Streptomyces
phaeochromogenes
5'GCATGC
3'CGTACG
5'---G CATGC---3'
3'---CGTAC G---5'
XbaI
Xanthomonas badrii
5'TCTAGA
3'AGATCT
5'---T CTAGA---3'
3'---AGATC T---5'
AluI*
Arthrobacter luteus
EcoRV* Escherichia coli
3'---CC GG---5'
5'---AG CT---3'
3'---TC GA---5'
5'---GAT ATC---3'
3'---CTA TAG---5'
5'---GGTAC C---3'
3'---C CATGG---5'
5'---CTGCA G---3'
3'---G ACGTC---5'
5'---GAGCT C---3'
3'---C TCGAG---5'
5'---G TCGAC---3'
3'---CAGCT G---5'
*: ADN queda con extremos romos.
10.APLICACIONES
BIOTECNOLÓGICO
DE
LA
ENZIMOLOGÍA.
USO
La explosión de conocimientos sobre la estructura de los ácidos nucleicos y las
proteínas ha hecho que de forma natural se haya intentado interpretar los datos mediante
métodos de computación. De aquí ha surgido una nueva disciplina, la “bioinformática”.
Aunque en la actualidad este término se emplea con frecuencia, definirlo no es sencillo.
Una definición sucinta podría ser: “La recopilación, archivo, organización e
interpretación de datos biológicos”. Entre los campos que abarca esta definición se
encuentran la identificación de genes en los genomas estructurales, la comparación entre
las estructuras primarias de proteínas con objeto de dilucidar sus funciones, los modelos
de evolución molecular, la predicción de la estructura terciaria de las proteínas a partir
de su estructura primaria y el estudio de interacciones proteína-proteína.
Existe un gran entusiasmo en la industria farmacéutica en lo relativo a la
utilización de la bioinformática y los gráficos de computador para el diseño de
presuntos fármacos que interaccionen con el centro activo de la enzima que se pretende
inhibir. En este sentido, recientemente se ha conseguido inhibir con éxito una proteasa
esencial para la propagación del VIH-1 y la neuraminidasa del virus de la gripe.
Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la síntesis de
antibióticos. Además, algunos productos para hogares usan enzimas para acelerar las
reacciones bioquímicas.
Por otra parte, uno de los campos en los que el uso de Enzimas de Restricción ha
tenido mayor implicancia ha sido el diagnóstico de enfermedades genéticas relacionadas
a cambios en la secuencia del ADN, ya sean mutaciones puntuales, inserciones o
delecciones de trozos.
A parte de la ayuda que proporciona la informática a la biología, existe la ayuda
inversa (la que ofrece la biología a la informática).
La computación de ADN es una tecnología naciente que busca capitalizar la
enorme capacidad informacional del ADN, molécula que es capaz de realizar
operaciones similares a las de las computadoras utilizando enzimas, catalizadores
biológicos que actúan como software para ejecutar operaciones deseadas.
ENZIMAS
- 24 -
INGENIERÍA EN INFORMÁTICA
BIO – INFORMÁTICA
El uso de computadoras de ADN se apoya en el hecho de que las moléculas de
ADN pueden almacenar más información que cualquier chip de computadora
convencional. Se ha estimado que un gramo de ADN secado puede contener tanta
información como un billón de CD`s.
11.- BIBLIOGRAFÍA
- CAMPBELL, Peter N.; SMITH, Anthony D.; PETERS, Timothy J.;
Bioquímica Ilustrada, 5º Edición. Elsevier España, 2006.
- SANZ ESTEBAN, Miguel; SERRANO BARRERO, Susana; TORRALBA
REDONDO, Begoña; Biología. Oxford University S.A., 2003.
- SMITH, Collen; MARKS, Allan D.; LIEBERMAN, Michael; Bioquímica
Básica de Marks, 2º Edición. McGraw Hill, 2006.
- http://es.wikipedia.org
- http://soko.com
- http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/Transcripcion/
- http://www.alfinal.com/monografias/enzimasmonografiab.shtml
- http://www.icampus.ucl.ac.be/courses/SBIM2520/document/genemol/
biomolespa/Enzimas/enzimas-de-restricc.html
ENZIMAS
- 25 -