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LAS ENZIMAS
Las reacciones metabólicas tienden a transcurrir con gran lentitud, necesitan
alcanzar un estado de transición en el que se alineen grupos químicos, se reordenen
enlaces, se formen cargas eléctricas, cambios que requieren una elevada energía de
activación.
Para que aumente la velocidad:
- Se aumenta la temperatura (poco práctico en las células ya que funcionan
a temperatura constante)
- Se buscan caminos alternativos con menor energía de activación. Se
consigue con moléculas denominadas catalizadores, que consiguen
aumentar la velocidad de la reacción química sin consumirse en el proceso
y sin variar el balance final de energía libre de la reacción. Lo único que
hacen es aumentar la velocidad, si la reacción no se produce sin
catalizador, tampoco lo hace con él.
Estos catalizadores de naturaleza proteíca se denominan enzimas, las células
fabrican miles de ellos diferentes, cada uno específico de una reacción química
concreta. También se han descubierto moléculas de ARN con función catalizadora
denominadas ribozimas.
Tipos de enzimas:
- Oxidorreductasas: intervienen en reacciones de transferencia de
electrones.
- Transferasas: transfieren grupos funcionales de unas moléculas a otras.
- Hidrolasas: transfieren grupos funcionales de una molécula orgánica al
agua.
- Liasas: rompen dobles enlaces añadiendo grupos funcionales o, lo
contrario, extraen los grupos dejando dobles enlaces.
- Isomerasas: transfieren grupos dentro de una misma molécula formando
isómeros.
- Ligasas o sintetasas: catalizan la formación de enlaces C-C, C-O, C-S, y C-N
mediante reacciones de condensación acopladas a la rotura de ATP.
Propiedades de las enzimas
Centro activo: las reacciones matabólicas tienen lugar en hendiduras de la
superficie de las enzimas llamadas centros activos. El punto clave en la acción de
una enzima es la unión del sustrato a los aminoácidos del centro activo, con lo que
se forma un complejo enzima-sustrato. Tras producirse la reacción química se forma
el complejo enzima-producto y finalmente se libera el producto, dejando libre la
enzima para que vuelva a actuar. Son tres etapas reversibles dependiendo de la
proporción de sustrato y producto. (Pág. 170)
Para explicar cómo encaja el sustrato en el centro activo se han propuesto dos
modelos:
- Modelo de la llave y la cerradura (el centro activo es complementario al
sustrato)
- Modelo del ajuste inducido (el enzima cambia de forma una vez unido al
sustrato)
Saturación con el sustrato: cuando la velocidad no aumenta aunque se añada más
sustrato se llega a la velocidad máxima, la enzima se ha saturado con el sustrato.
Efectividad: las reacciones químicas catalizadas por enzimas son mucho más rápidas,
entre 105 y 1017 veces.
Especificidad: las enzimas sólo actúan sobre un determinado sustrato, o sobre un
grupo con algo en común. Por el contrario, los catalizadores inorgánicos pueden
actuar sobre muchas sustancias diferentes. Y su rendimiento es del 100 %, no se
producen reacciones laterales.
Mecanismo de acción de las enzimas
Reordenación de enlaces covalentes. En muchas enzimas se forman enlaces
covalentes transitorios entre los restos de aminoácidos del centro activo y el
sustrato, que elevan el nivel energético de este último y lo acercan al estado de
transición. También se suelen transferir protones o grupos funcionales entre la
enzima y el sustrato para estabilizar algún intermediario.
Interacciones no covalentes. Una enzima es más eficaz cuanto más disminuye la
energía de activación de la reacción que cataliza. Para ello forma numerosos enlaces
débiles (iónicos o de hidrógeno) entre el sustrato y la enzima. Por ello es muy
importante el resto de la enzima, además de su centro activo.
Factores que afectan a la actividad enzimática
Hay factores físicos como el pH o la temperatura. Toda enzima tiene un pH óptimo,
donde su actividad es máxima. Un pH o tª extremos pueden desnaturalizar la enzima
(proteína).
Hay sustancias químicas que también pueden variar su actividad, son los
inhibidores, que pueden ser irreversibles (forman enlaces covalentes) o no (se
parecen al sustrato y se fijan al centro activo, se fijan al complejo E-S,…)
- Inhibidores irreversibles: se unen, normalmente de forma covalente, a una
parte de la enzima esencial inutilizándola de forma permanente.
- Inhibidores reversibles: uniones no covalentes
o Inhibidores competitivos: de forma similar al sustrato se unen al
centro activo de la enzima sin reaccionar. Disminuye la afinidad de la
enzima por el sustrato.
o Inhibidores acompetitivos: se fijan al complejo E-S, no al enzima
libre. El complejo E-S-I (enzima-sustrato-inhibidor) es inactivo.
Disminuye la velocidad máxima de la reacción.
o Inhibidores mixtos: se pueden unir al complejo E-S o a la enzima (a
otra parte diferente que no sea su centro activo. Disminuye tanto la
afinidad como la velocidad.
Cofactores y coenzimas
Además de los factores F-Q, la actividad de las enzimas se puede ver afectada por la
presencia de sustancias no proteínicas llamadas cofactores.
Un cofactor es pues, la sustancia de naturaleza no proteínica que afecta a la
actividad de una enzima. Si dicho cofactor es imprescindible para la actividad
enzimática, la enzima completa (enzima + cofactor) se denomina holoenzima y la
fracción proteínica apoenzima (ella sola es inactiva). Puede ser, el cofactor, orgánico
e inorgánico.
Cofactores inorgánicos: iones metálicos como el Fe2+, Cu+, Mg2+ o Zn2+, se necesitan
en cantidades muy pequeñas.
Cofactores orgánicos u organometálicos: se les denomina coenzimas, muchas son
vitaminas hidrosolubles modificadas.
Algunas coenzimas transportan electrones:
- Coenzimas de nicotinamida
- Coenzimas de flavina
Otras transportan grupos funcionales:
-
Pirofosfato de tiamina
Coenzima A
Fosfato de piridoxal
Biotina
Tetrahidrofolato
Coenzima B12
Regulación de la actividad enzimática
Es imprescindible debido al número de reacciones que se producen a la vez, a que
un mismo metabolito puede formar parte de distintas rutas metabólicas, si no
hubiera una eficaz regulación podrían competir entre ellas y resultar ineficaces; la
diferenciación celular exige enzimas diferentes, no se necesitan siempre las mismas
Biomoléculas ni en las mismas cantidades….
Así la actividad de las enzimas se puede regular:
- Modificando la actividad de las enzimas clave (se encuentran al principio
de la ruta metabólica)
o Transiciones alostéricas: la estructura tridimensional de la enzima
experimenta modificaciones provocadas al unirse una molécula, el
efector o modulador, a un lugar diferente a su centro activo. Si
estimula la actividad enzimática será modulador positivo o activador
y si la inhibe será un modulador negativo. Normalmente el
modulador positivo es el propio sustrato y el modulador negativo el
producto final de la ruta metabólica.
6. ENZIMAS ALOSTÉRICAS
Son enzimas que presentan dos conformaciones diferentes, estables e
interconvertibles: una es laforma activa que tiene una gran afinidad por el sustrato y la
otra es la forma inactiva que presenta baja afinidad por el sustrato.
Estas enzimas poseen además del centro activo, otro centro llamado centro
regulador o alostérico donde se puede unir un modulador o regulador alostérico que,
puede ser un activador o un inhibidor de la enzima. Si el centro regulador esta vacío la
enzima actúa a velocidad normal; si está ocupado por el regulador se producen cambios
en la conformación y dependiendo de que sea activador o inhibidor adoptara una forma
más o menos activa.
El paso de la forma inactiva a la forma activa se produce al fijarse en el centro
regulador unactivador alostérico o modulador positivo. El paso de la forma activa a la
forma inactiva se produce al fijarse en el centro regulador un inhibidor
alostérico o modulador negativo.
Estas enzimas están formadas por varias subunidades, por lo que tienen estructura
cuaternaria.
Presentan efecto cooperativo entre la subunidades, es decir que si se activa o inhibe
una de ellas provoca el mismo efecto en las demás.
En las enzimas alostéricas la cinética de las reacciones es diferente a la de las demás
enzimas, la gráfica de la velocidad frente al sustrato es una curva sigmoidea en lugar
de hiperbólica como ocurre en las demás enzimas.
Los enzimas alostéricos desempeñan un papel muy importante en la regulación de las
reacciones metabólicas, suelen actuar en puntos estratégicos de las rutas metabólicas
como son: la primera reacción de una ruta metabólica o los puntos de ramificación de
una ruta metabólica. El propiosustrato de la primera reacción es el que actúa
como activador alostérico, al unirse con el enzima produce el cambio que da lugar a la
conformación activa. También el producto final de la ruta metabólica puede actuar
como inhibidor alostérico, produciendo la aparición de la conformación inactiva. Este
proceso se denomina retroinhibición. Este proceso supone un ahorro energético para el
organismo, ya que el exceso de producto final inhibe su propia síntesis en una etapa
temprana de la misma.
o Modulación covalente: tiene lugar en enzimas que pueden existir de
dos formas activa e inactiva, dependiendo si están unidas
covalentemente a un grupo funcional o no, como un grupo fosforilo.
Esta unión es catalizada por enzimas denominadas quinasas.
- Modificando la cantidad de una enzima (se pueden destruir en los
lisosomas (o proteasomas) las enzimas responsables de la fabricación en
exceso de un producto.
Una oxidorreductasa es una enzima que cataliza la transferencia de electrones desde
una molécula donante (el agente reductor) a otra aceptora (el agente oxidante). Por
ejemplo, una enzima que catalizara esta reacción sería una oxidorreductasa:
A– + B → A + B –
En el ejemplo, A es el reductor o donante de electrones y B es el oxidante o aceptor.
No obstante, en el metabolismo celular las reacciones de óxido-reducción pueden ser
menos patentes; consisten en la reducción u oxidación de grupos funcionales, y
suelen implicar a coenzimas que también cambian su estado redox, como pueden ser
los pares NADH/NAD+, NADPH/NADP+, FAD/FADH2 o FMN/FMNH2. Por ejemplo:
Pi + gliceraldehído-3-fosfato + NAD+ → NADH + H+ + 1,3-bisfosfoglicerato
En esta reacción, NAD+ es el oxidante o aceptor de electrones y el gliceraldehído3-fosfato, el reductor o donante de electrones y la Gliceraldehído-3-fosfato
deshidrogenasa la oxidoreductasa.
Catalizan reacciones de oxidorreducción, es decir, transferencia de hidrógeno (H) o
electrones (e-) de un sustrato a otro,
según la reacción general:
AH2 + B
Ared + Box
A + BH2
Aox + Bred
Ejemplos son la succinato
deshidrogenasa o la
citocromo c oxidasa.
Una transferasa es una enzima que cataliza la transferencia de un grupo funcional, por ejemplo un metilo o
un grupo fosfato, de una molécula donadora a otra aceptora. Por ejemplo, una reacción de transferencia es
la siguiente:
A–X + B → A + B–X
En el ejemplo, A es el donador y B es el aceptor; el donador es, a menudo, un coenzima.
Catalizan la transferencia de un grupo químico (distinto del hidrógeno) de un sustrato a otro, según la
reacción:
A-B + C
A + C-B
Un ejemplo es la glucoquinasa, que cataliza la reacción representada
en la Figura de la derecha:
glucosa + ATP
ADP + glucosa-6-fosfato
Una hidrolasa es una enzima capaz de catalizar la hidrólisis de un enlace químico. Por ejemplo, una
enzima que catalice la reacción siguiente será una hidrolasa:
A–B + H2O → A–OH + B–H
Catalizan las reacciones de hidrólisis:
A-B + H2O
AH + B-OH
Un ejemplo es la lactasa, que cataliza la reacción:
lactosa + agua
glucosa + galactosa
En bioquímica, una liasa es una enzima que cataliza la ruptura de enlaces químicos en compuestos
orgánicos por un mecanismo distinto a la hidrólisis o la oxidación, reaccionesque son realizadas por
enzimas específicas llamadas hidrolasas y deshidrogenasas respectivamente. Resultado del proceso de
ruptura se forman frecuentemente nuevos dobles enlaces o nuevas estructuras en anillo.
Son enzimas de la clase IV que llevan a cabo reacciones bioquímicas en las que se eliminan grupos
mediante la escisión de un enlace, generalmente entre dos átomos de carbono, entre carbono y oxígeno,
entre carbono y nitrógeno o entre carbono y azufre, para formar un doble enlace. También pueden funcionar
a la inversa, catalizando la formación de estos enlaces mediante la adición de un grupo al doble enlace. Por
ejemplo la enzima adenilato ciclasa que cataliza la siguiente reacción sería una líasa.
ATP → AMPc + PPi
Una peculiaridad de las liasas es que requieren de la participación de un sólo sustrato para efectuar una
reacción en un sentido, y de dos para realizar la reacción en sentido opuesto.
Catalizan reacciones de ruptura o soldadura de sustratos:
A-B
A+B
Un ejemplo es la acetacetato descarboxilasa, que cataliza la reacción:
ácido acetacético
CO2 + acetona
En bioquímica, una enzima isomerasa es una enzima que transforma un isómero de un compuesto químico
en otro. Puede, por ejemplo, transformar una molécula de glucosa en una de galactosa.
Son isómeros dos cuerpos químicos que tienen la misma fórmula molecular pero unas características
distintas debido a la organización diferente de los átomos en la molécula.
Catalizan la interconversión de isómeros:
A
B
Son ejemplos la fosfotriosa isomerasa y la fosfoglucosa isomerasa, que catalizan las
reacciones representadas en la tabla inferior:
fosfotriosa isomerasa
gliceraldehído-3-fosfato
dihidroxiacetona-fosfato
fosfoglucosa isomerasa
glucosa6-fosfato
fructosa-6fosfato
Una ligasa (del latín ligar "pegar") es una enzima capaz de catalizar la unión entre dos moléculas de gran
tamaño, dando lugar a un nuevo enlace químico; generalmente, sucede junto con la hidrólisis de
un compuesto de alta energía, como el ATP, que proporciona energía para que dicha reacción tenga lugar.
Realizan enlaces C-C, C-S, C-O y C-N. También llamadas sintetasas.
Catalizan la unión de dos sustratos con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato
(ATP, GTP, etc.):
A + B + XTP
A-B + XDP + Pi
Un ejemplo es la piruvato carboxilasa, que cataliza la reacción:
piruvato + CO2 + ATP
ATP SINTETASA:
oxaloacetato + ADP + Pi
http://jolimu.wordpress.com/2008/10/08/