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domingo, 6 de febrero de 2011

Tema 7: Enzimas y Reacciones Enzimáticas


1) Características de las enzimas

Los catalizadores biológicos o biocatalizadores de las reacciones metabólicas son unas proteínas denominadas enzimas (aunque también existe RNA con función catalizadora).
Las enzimas pueden estar formadas únicamente por cadenas polipeptídicas o contener además, otro grupo no proteico. De todas formas, todas constan de las siguientes partes:
- La apoenzima (es la parte aminoacídica) se encarga de proporcionar la estructura espacial específica que permite la unión a los sustratos, moléculas sobre las que antúan las enzimas en las reacciones químicas.
- 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 un catión metálico o bien una molécula orgánica, y en ese caso se llama coenzima. Las coenzimas constituyen un grupo molecular muy diverso que comprende numerosos derivados vitamínicos.

El concepto de holoenzima se refiere a la enzima entera, incluyendo en esta descripción tanto a la apoenzima como al cofactor (sea grupo prostético o coenzima).

Por su carácter proteico, las enzimas poseen las mismas propiedades que las proteínas, se desnaturalizan al ser sometidas a cambios de pH, a variaciones de temperatura y a elevadas concentraciones salinas; presentan un alto grado de especificidad, en este caso, tanto en la selección de los sustratos como en la reacción que catalizan sobre ellos.
El grado de especificidad puede variar. Hay enzimas que muestran una especificidad absoluta y solo actúan sobre un tipo concreto de sustraot, llegando a diferenciar incluso estereoisómeros; y otras que solo muestran especificidad con respecto a un grupo funcional.

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 enzima pueden transformar grandes cantidades de sustrato.

Reacciones multisustrato

Muchos enzimas utilizan más de un sustrato o actúan sibre un sustrato con un coenzima, generando uno o más productos diferentes. En estos casos tienen tantas KM y Vmax como sustratos puedan unir.
Se dividen en dos categorías, dependiendo de la formación o no de un complejo ternario.

- Secuenciales: puede producirse el complejo ternario siguiendo un determinado orden o al azar.
- Mecanismo Ping-Pong o desplazamiento doble: En este caso no se forma un complejo ternario. El enzima sufre una modificación al unirse al primer sustrato y reaccionar con él. Esta modificación le permite catalizar la reacción de un segundo sustrato y volver a su conformación original. Un ejemplo de enzimas con mecanismo ping-pong es el de las transaminasas.

2) Mecanismo de las reacciones enzimáticas

Cualquier reacción química se inicia con la rotura de ciertos enlaces entre los átomos que constituyen las moléculas de los reactivos, para formar, más tarde, los nuevos enlaces que originan las moléculas de los productos. Ese estado en el que los enlaces de los reactivos están debilitados o rotos, pero aún ni se han formado los nuevos, se conoce como estado de transición o estado activado (compuesto intermedio).
Para alcanzar el estado de transición y, en definitiva, para que la reacción química tenga lugar, es preciso comunicar a los reactivos cierta cantidad de energía, denominada energía de activación.
Como todas las reacciones que se llevan a cabo en los seres vivos no son espontáneas (tienen una energía de activación muy alta), se necesita de enzimas para su realización (salvo en alguna excepción). La acción de las enzimas consiste en rebajar la energía de activación para llegar fácilmente al estado de transición y permitir que la reacción se lleve a cabo.

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 proteica de la apoenzima, la  cual presenta una zona, denominada centro activo, con una forma espacial característica en la que se acopla el sustrato. Hay diferentes teorías que explican cómo se produce dicho acoplamiento:

- La Teoría de la “llave-cerradura” propuesta por Fischer.
El acoplamiento se compara con el que existe entre una llave y una cerradura: solo 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. Esta teoría se considera esencialmente correcta, aunque en la actualidad se ha comprendido que se produce el ajuste inducido. Si se produjera un acoplamiento “llave-cerradura”, muchas veces el complejo enzima-sustrato que se produciría sería tan estable que la reacción no se daría. Este es el planteamiento de muchos venenos metabólicos (compuestos organofosforados, cianuro, etc).

- La Teoría del “acoplamiento inducido” de Koshland.
En este caso, el acoplamiento sería algo semejante a la introducción de una mano a un guante. La propia mano (el sustrato) hace que el guante (el centro activo de la enzima) se adapte mejor cuando se introduce en él. La unión es reversible, pues una parte del complejo enzima-sustrato (ES) se disocia y, debido precisamente a esta reversibilidad, esta primera etapa es la más lenta.

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.
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. En el caso de que no existan cofactores, la acción catalítica la realizan algunos aminoácidos del centro activo.
3. El producto se libera del centro activo y la apoenzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato.

3) Cinética enzimática

Si se representa graficamente 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:

Al aumentar la concentración de sustrato, aumenta también la velocidad de reacción.
En una reacción enzimática, la etapa limitante, es decir, la más lenta, corresponde a la unión del sustrato al centro activo para formar el complejo ES, pues, este proceso es reversible. Existe por tanto una constante de equilibrio (KM) para esta etapa. Esta KM constituye una medida de la afinidad del enzima por el sustrato. Su fórmula es la constante de la reacción de formación del complejo enzima-sustrato:

Cuanto menor sea el valor de KM, mayor será su afinidad por el sustrato. ¿Por qué? Porque si el enzima es muy afín al sustrato, habrá más complejos ES formados en el medio que enzimas y sustratos separados. Cuanto mayor es la [ES], menor será la KM.

En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten dedujeron una ecuación que permite calcular la velocidad de una reacción enzimática para cualquier concentración de sustrato, utilizando el valor de KM y de la velocidad máxima.

¿Y cómo obtenemos Vmáx?
Cuando KM coincide con el valor de [S] (inicial), la velocidad que se registra es la mitad de Vmáx.

La ecuación de Michaelis-Menten es:




Si tomamos los valores inversos de esta ecuación y los representamos, obtendremos una gráfica correspondiente a una recta, con una pendiente KM/Vmáx y una ordenada en el orígen igual a 1/Vmáx. Esta gráfica, denominada de Lineweaver-Burk, resulta muy útil para el estudio cinético de los enzimas.

- Ecuación que se representa:


- Gráfica que se obtiene:



4) Factores que influyen en la velocidad de las reacciones enzimáticas

- La concentración del sustrato.
Al aumentar la concentración de 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.

- El pH.
Cada enzima tiene un pH óptimo de actuación. Los valores por encima y por debajo de ese valor óptimo provocan un descenso de la velocidad enzimática, debido a que pueden aparecer o desaparecer enlaces, por fuerzas electrostáticas que alteren la estructura espacial del centro activo o su unión al sustrato. En cualquier caso, el acoplamiento del sustrato al centro activo se verá dificultado y la velocidad de la reacción disminuirá.
Debido a su naturaleza proteica, las enzimas se desnaturalizan cuando nos salimos del intervalo de pH soportado, inutilizando la enzima que pierde su actividad.

- La temperatura.
Existe también una temperatura óptima en la que la actividad enzimática es máxima. Las temperaturas que son inferiores hacen más lento el proceso, mientras que las temperaturas superiores a la óptima pueden provocar la desnaturalización de la enzima y la pérdida total de su funcionalidad.

5) Mecanismos para aumentar la eficacia enzimática.

Los procesos metabólicos que tienen lugar en los seres vivos se componen generalmente de secuencias de reacciones encadenadas que constituyen las llamadas rutas metabólicas. Para que las reacciones se produzcan de manera óptima, existen diversos mecanismos:

- Compartimentación celular.
Las enzimas implicadas en algunos procesos metabólicos importantes se localizan juntas en estructuras membranosas (orgánulos) del citoplasma, 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 exponencial. Las reacciones en cascada son características de aquellos procesos que tienen qur realizarse en un lapso de tiempo muy breve, eg: la coagulación sanguínea, en la que se forma una red de fibrina a partir de fibrinógeno para evitar la pérdida de sangre.

- Complejos multienzimáticos.
(“Todos cogiditos de la mano xD” N. del A.)
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.
Eg: la piruvato-deshidrogenasa-descarboxilasa 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 (isoenzimas) que, aun teniendo la misma acción catalítica, poseen KM diferentes, lo que hace que su velocidad sea distinta (modulando su acción).
Eg: la lactato-deshidrogenasa es un enzima que interviene en la formación de ácido láctico a partir de ácido pirúvico en ausencia de oxígeno. La lactato-deshidrogenasa de los músculos esqueléticos tiene una KM bastante menor que la del miocardio y, por lo tanto, en condiciones anaerobias su acción es mucho más rápida en los músculos estriados que en los cardiacos.

6) Regulación de la actividad enzimática.

a) Activación enzimática.

La activación de una enzima que se hallaba inactiva se produce, normalmente, por dos causas:
1. La unión del activador hace que el centro activo adquiera la estructura adecuada para el acoplamiento del sustrato. Algunos cationes que actúan como cofactores (eg: Mg2+, Ca2+), desempeñana un papel importante como activadores enzimáticos.
2. También pueden actuar como activadores diversas moléculas orgánicas, incluso el propio sustrato. En este último caso, 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.

b) Inhibición enzimática

Los inhibidores enzimáticos son sustancias que disminuyen o anulan la actividad de una enzima. La enzima, previamente activa, disminuye su velocidad o incluso deja de actuar cuando aparece un inhibidor, el cual puede ser algún ión o también alguna molécula orgánica y, muy frecuentemente, el producto final de la reacción.

Los conceptos que vienen ahora son muy importantes, así que no los olvides ;).

En el 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 llama 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.
Ejemplos ilustrativos de este caso son:
- Los insecticidas organofosforados inhiben la acetilcolinesterasa. Esto hace que no se destruya el neurotransmisor acetilcolina, lo que provoca una hiperactividad nerviosa duradera que causa la muerte del insecto. El mismo mecanismo fue el que se empleó en las bombas de gas utilizadas para aniquilar a los enemigos en las guerras mundiales del siglo pasado (Cómo agudiza el ingenio la guerra, pues desgraciadamente los grandes descubrimientos ocurren a raíz de ellas ^^).
- El ión cianuro es otro ejemplo de inhibidor irreversible. En este caso, actúa sobre la citocromo-oxidasa que interviene en el proceso de la respiración aerobia (es uno de los complejos enzimáticos de la cadena de transporte electrónico de la membrana interna de la mitocondria). A Rasputín lo intentaron envenenar con cianuro pero se ve que los que lo hicieron no eran muy buenos químicos. El ión CN- reacciona con los aldehídos para dar cianhidrinas. Como el cianuro se encontraba en unos pastelillos, Rasputín no murió por envenenamiento porque el ión mortífero se hallaba asociado a los glúcidos que abundaban en los pastelillos en forma de cianhidrina (que es eliminable por el organismo).

La inhibición reversible, mucho más común, tiene lugar cuando la enzima vuleve 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.

1. Inhibición competitiva.

En ella, el inhibidor se une al centro activo impidiendo, por lo tanto, la unión del sustrato. Existe una competencia entre ambos para ocupar el centro activo. Si este es ocupado por el sustrato, la reacción se lleva a cabo, pero si es ocupado por el inhibidor no se produce, ya que el sustrato no puede acoplarse.
Para que el inhibidor se acople al centro activo, por lo que su forma espacial debe tener gran semejanza con la del sustrato. Por eso, a estos inhibidores se les llama análogos metabólicos.




La velocidad máxima no varía en ninguna de las dos. Sin embargo, la KM aumenta en presencia de un inhibidor (disminuyendo la afinidad por el sustrato).

Eg: Sulfamidas.
Son unos importantes antibióticos que compiten con el ácido p-aminobenzoico en la ruta de biosíntesis de ácido fólico. Al no poderse sintetizarse este último, la bacteria muere, ya que el ácido fólico es necesario, a su vez, para la formación de los ácidos nucleicos, los cuales, son imprescindibles para cualquier ser vivo.


2. Inhibición no competitiva o mixta.

El inhibidor no compite con el sustrato, sino que se une en otra zona de la enzima distinta del cantro activo. Esta unión modifica la estructura de la enzima al tiempo que dificulta el acoplamiento del sustrato.
Cuando hay presencia de inhibidores, la KM disminuye y la velocidad máxima decrece también.

3. Inhibición acompetitiva.

En otras ocasiones, el inhibidor se une al complejo enzima-sustrato, una vez creado este, e impide la posterior formación del producto.




La KM no varía y la afinidad del enzima por el sustrato tampoco. La velocidad máxima disminuye cuando hay un inhibidor porque nunca se podrá alcanzar la velocidad máxima porque el inhibidor siempre podrá entrar en el enzima.


Reacciones de los diferentes tipos de inhibición enzimática.

a) Enzima sin inhibidor:

b) Inhibición Competitiva:


c) Inhibición No Competitiva:

d) Inhibición acompetitiva:

c) Alosterismo

El alosterismo constituye un sistema de regulación enzimática sumamente preciso. Los enzimas alostéricos 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.

Generalidades

- Están formadas por varias subunidades, por lo que tienen estructura cuaternaria.

- Poseen varios centros de regulación; es decir, existen varios sitios para la unión de activadores e inhibidores.

- Adoptan dos conformaciones distintas, llamadas estado R (relajado, en el que la afinidad por el sustrato es alta) y estado T (tenso, en el que dicha afinidad es baja). La primera forma se estabiliza cuando los centros reguladores tienen unidos activadores. Por el contrario, los inhibidores alostéricos estabilizan el estado T.

- Existen dos formas de que se activen las subunidades del enzima.
* Modelo simétrico o concertado, cooperativismo: La activación o inhibición de una de las subunidades provoca el mismo efecto en todas las demás. Esto permite una regulación más rápida y con menor cantidad de activadores e inhibidores.
* Modelo secuencial: La activación o inhibición de una subunidad, a veces, no implica la activación o inhibición de las demás. Al estimularse, positiva o negativamente, una subunidad las subunidades adyacentes a ésta cambian su conformación de la misma forma. De esta forma, es posible modular la acción del enzima.

- Su cinética es diferente a la del resto de enzimas, como se puede observar en la gráfica de la velocidad de reacción frente a la concentración del sustrato, que es sigmoidea.


Clasificación de los enzimas alostéricos

Dependiendo de qué moléculas sean las que activen o inhiban al enzima alostérico, diremos que éstos son susceptibles a:
- Efectos homotrópicos: cuando el sustrato es al mismo tiempo el que entra en el centro activo y cuando actúan de moléculas reguladoras (inhibidores o activadores).
- Efectos heterotrópicos: cuando el sustrato no es el único compuesto que modula la acción del enzima.

Los enzimas alostéricos pueden ser de dos clases dependiendo del tipo de modulación que sufren:
- Clase K: si lo que se ve alterada es la KM y no la Vmax. Si representamos este tipo de enzimas, obtendremos una gráfica parecida a la de los inhibidores competitivos, pero la gráfica será ligeramente sigmoidal.

- Clase V: Vemos afectada la Vmax del enzima pero no su afinidad por el sustrato. Su representación se parece a la de la inhibición no competitiva pero vagamente sigmoidal.

7) Clasificación de los enzimas

Para nombrar una enzima se emplea un término que alude al sustrato y al tipo de reacción catalizada. A este término se le añade la terminación –asa. Aunque siempre hay excepciones a estas reglas de nomenclatura, como la tripsina y la pepsina, unas enzimas digestivas.

Según el tipo de reacción que catalizan, las enzimas se clasifican en seis clases:

I. Oxidorreductasas
Función: reacciones de oxidación-reducción con pérdida y ganancia de electrones.
Ejemplos: Deshidrogenasas, Oxidasas.

II. Transferasas
Función: Transferencia de grupos funcionales entre moléculas.
Ejemplos: Transaminasas, Transcarboxilasas…

III. Hidrolasas
Función: Hidrólisis.
Ejemplos: Carbohidratasas, Esterasas, Peptidasas…

IV. Liasas
Función: Adición de moléculas sencillas a dobles enlaces.
Ejemplos: Aminasas, Carboxilasas, Hidratasas…

V. Isomerasas
Función: Transformación de un isómero en otro.
Ejemplo: Isomerasas

VI. Ligasas o sintetasas
Función: Unión de moléculas o de un grupo funcional a una molécula, utilizando la energía proporcionada por el ATP.
Ejemplo: Carboxilasas


1 comentario:

  1. Un buen resumen , trata muchos aspectos diferentes interesantes.

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