ENZIMAS:
Propiedades de las enzimas. Mecanismo de las reacciones enzimáticas. Centro activo y especificidad. Cinética de la actividad enzimática
Coenzimas y vitaminas
Factores que afectan a la actividad enzimática: Tª, pH e inhibidores y tipos de inhibición y concentración del sustrato. Alosterismo.
Nomenclatura y clasificación de las enzimas.
ESTRUCTURA DE LAS ENZIMAS. COFACTORES Y COENZIMAS.
Concepto de enzima:
-Los enzimas son biocatalizadores de las reacciones químicas, es decir, se necesita su presencia para darse la reación. Son muy potentes y eficaces.
-Químicamente, todas las enzimas son proteínas globulares (holoproteínas o heteroproteínas) -Son imprescindibles para el mantenimiento de la actividad vital de todos los seres vivos
porque en las suaves condiciones que tenemos los organismos vivos, de pH, temperatura, etc., las reacciones metabólicas serían muy lentas. Prácticamente todas las reacciones de la célula se dan en presencia de enzimas.
-Pueden actuar a nivel intracelular o extracelular y actúan en el mismo lugar donde se producen o segregan (no así las hormonas, que también tienen función semejante).
Estructura del enzima
1-Algunas enzimas están formadas sólo por aminoácidos o cadenas polipeptídicas puras. 2- Otras enzimas contienen un grupo protéico ( Aas) y un grupo no protèico llamado prostético ( son heteroproteínas). En éstas, la parte proteica se llama APOENZIMA, mientras que la parte no proteica puede ser:
- inorgánica (un catión metálico como Mg o Zn) y se llama COFACTOR
- una molécula orgánica, en cuyo caso se llama COENZIMA. Muchas vitaminas forman
coencimas, de ahí su importancia. Las vitaminas tenemos que tomarlas en la dieta porque no las podemos fabricar. Sin ellas, el enzima que la posee no podría funcionar.
ENZIMAS COMPLEJOS
Las coenzimas más importantes son: ATP, NAD, NADP, FAD y Co-A, que estudiaremas más adelante. Algunas vitaminas del grupo B forman parte de de estos coencimas.
Vitamina Coenzimas Enfermedades carenciales B2 (riboflavina) Constituyente de los coenzimas FAD y FMN Dermatitis y lesiones en las mucosas B3 (acido pantotinico) Constituyente de la CoA Fatiga y trastornos del sueño
Mecanismo de las reacciones enzimáticas- Actividad enzimática y su regulación
En una reacción química se da la transformación de una sustancia "S"(sustrato) en otra "P" (producto). La sustancia (o sustancias) sobre la cual actúa un enzima se llama sustrato y P es el producto de la reacción.Puede haber más de un sustrato y más de un producto.
La actividad del enzima o acción enzimática se
caracteriza por la formación de un complejo que
representa el estado de transición de la reacción. Se da mediante la unión del enzima al sustrato y
formando lo que se llama el
complejoES que representa
el estado de transición de la reacción. Al finalizar se libera rápidamente el producto y el Enzima queda intacto, dispuesto a unirse a otro sustrato.
El sustrato se une al enzima a través de numerosas interacciones débiles como son: puentes de hidrógeno, electrostáticas, etc., en un lugar específico, el centro activo.
Cuando un sustrato se encuentra con la enzima
correspondiente se produce la reacción catalizada, que se lleva a cabo en tres etapas:
1- El sustrato se une a la apoenzima formando el complejo enzima-sustrato (ES)
acoplándose al centro activo según el modelo llave-cerradura o adaptándose al sustrato (ajuste inducido). E + S ES
2- Formado el ES, el cofactor lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final. Esta etapa es rápida e irreversible.
3- El producto se libera del centro activo y la apoenzima queda libre.
El centro activodel enzima (a,b,c) se caracteriza por:
1- Ser una pequeña porción del enzima que se une al sustrato por fuerzas débiles. 2- Está formado por aminoácidos que, aunque estén distantes en la cadena polipeptídica,
quedan próximos debido a los plegamientos. De estos aminoácidos, unos son catalizadores o responsables de la
transformación del sustrato y otros son Aas de fijación
forma específica y dificulta que se una otro sustrato. Por ello, para cada tipo de sustrato se necesita una enzima concreta. Cada reacción metabólica tiene su catalizador o enzima
específico.
La apoenzima tiene varios tipos de aminoácidos: 1-los que forman el centro activo 2- los que forman el centro regulador y 3-los que mantienen la configuración del enzima
PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS
Por su carácter proteico, las enzimas poseen las mismas propiedades que las proteínas, es decir, son macromoléculas que 1- forman dispersiones coloidales, 2- se desnaturalizan al ser sometidas a cambios de PH, a variaciones de temperatura y a elevadas concentraciones salinas y 3- presentan elevada especificidad, siendo su propiedad más sobresaliente. 4- Se necesita muy poco. Cantidades mínimas de enzima pueden transformar grandes cantidades de sustrato
5- No se consumen en las reacciones. En cuanto quedan libres, están dispuestas a catalizar otras reacciones. Como toda molécula, las enzimas se alteran con el tiempo por lo que es necesaria una renovación periódica.
6- ESPECIFICIDAD
Entre la enzima y el sustrato hay una alta especificidad. Las enzimas sólo se fijan a los sustratos que permitan establecer algún enlace con los Aas fijadores.
La especificidad enzimática se debe a la estructura proteica de la apoenzima, que presenta una zona denominada centro activo en la que se acopla el sustrato. Cualquier cambio en dicho centro impedirá la unión del sustrato.
Esta especificidad se representa de distintas formas: (libro). Hay dos tipos de uniones y las dos son reversibles
a) Modelo de la llave-cerradura o complementario: el centro activo de la apoenzima posee una forma complementaria al
sustrato (todas las imágenes anteriores.
b) Modelo de ajuste inducido: como vemos en la imagen, el centro activo del enzima parece que no encaja bien con el
sustrato; sin embargo, tiene la capacidad de cambiar su forma según sea la del sustrato, cuando se une a él. Se adapta como un guante a la mano.
El grado de especificidad puede variar. - Hay enzimas que muestran una especificidad de sustrato o absoluta pues sólo actúan sobre un tipo concreto de sustrato: La sacarasa es específico de la sacarosa. Con el sustrato 2 no da
MECANISMO DE LAS REACCIONES ENZIMÁTICAS O CINÉTICA ENZIMÁTICA
En una transformación dada de "S" a "P", "S" representa las moléculas reaccionantes, que constituyen el estado inicial. "P" representa los productos o estado final. La reacción química de S a P es un proceso posible si la energía de P es menor que la de S.
Si embargo, el sustrato necesita una cantidad de energía para poder dar la reacción. Es la
energía de activación (Ea), que corresponde al estado de transición de la reacción. En este estado se rompen enlaces de los sustratos para formar nuevos enlaces de las moléculas de los productos. El estado en el que los enlaces están rotos pero todavía no se han formado los nuevos, lo llamamos estado de transición.
En las reacciones espontáneas la energía de activación es tan baja que en condiciones normales de luz, tª etc. se dan sin problema. En las no espontáneas esta energía es tan alta que no se producen si no se aplica calor. La acción catalizadora 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.
En toda reacción química es necesaria la aportación de una energía inicial o de activación para que se inicie la reacción. Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción química, hasta hacerla instantánea o casi instantánea. la energía de activación.
Las enzimas aceleran las reacciones químicas porque disminuyen la energía de activación de la reacción.
Aumentan la velocidad y permiten que se den las reacciones en las
condiciones de Tª y pH propios del medio intracelular.
Factores que influyen en la velocidad de reacciones enzimáticas: pH Y TEMPERATURA 1-Efecto del pH- Si medimos la influencia del pH en la
velocidad de las reacciones enzimáticas se obtienen curvas que indican que los enzimas presentan un pH óptimo de actividad. Los valores por encima o por debajo de este valor óptimo provocan un descenso de la velocidad enzimática. Esto es debido a que el enzima puede verse afectado, bien porque el centro activo puede contener aminoácidos con grupos ionizados que pueden variar con el pH, o bien porque la ionización de otros aminoácidos que no
están en el centro activo modifiquen la conformación de la enzima.
En ambos casos, 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.
2-Efecto de la temperatura. Existe una temperatura óptima en la que la actividad
enzimática es máxima. A temperaturas bajas, los enzimas se hallan "muy rígidos y lentos" y cuando se supera un valor considerable
(mayor de 50ºC) la actividad cae bruscamente porque el enzima se
desnaturaliza y pierde su funcionalidad.
Algunos enzimas presentan variaciones peculiares. La pepsina del estómago, presenta un óptimo a pH=2, y la
fosfatasa alcalina del intestino un pH= 12
3. Concentración del sustrato: La velocidad de la reacción aumenta conforme el nivel de sustrato es mayor pues al aumentar la concentración de sustrato existen más centros activos ocupados y la velocidad de la reacción aumenta hasta que todos los enzimas están ocupados. A partir de ahí, la velocidad es la máxima que puede lograr el enzima y permanecerá constante aunque se introduzca más sustrato, ya que no hay
más enzimas libres.
En la imagen de abajo, aparece la concentración de enzima y sustrato. Podemos relacionar las tres situaciones con la gráfica. Al aumentar la
concentración del sustrato, también aumenta la velocidad de la reacción. Esto resulta lógico, ya que mientras existe enzima libre, a mayor número de moléculas de sustrato, más moléculas de producto aparecen. Esto ocurre en los dos primeros dibujos.
Sin embargo, llega un momento en que, aunque la concentración de sustrato sigue aumentando, la velocidad de la reacción no varía. Corresponde a la parte horizontal de la gráfica. Se alcanza velocidad máxima y, como no hay más enzimas libres, permanece constante. El enzima cataliza “a tope” pero la Velocidad de la reacción no aumenta.
CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS
Se conocen unas 3000 enzimas. Según la reacción catalizada se clasifican en
1. Óxido-reductasas - Catalizan reacciones de oxido-reducción. En ellas hay pérdida y ganancia de electrones.
Si una molécula se reduce, tiene que haber otra que se oxide. Son movimientos de H+ ó electrones.
AH + B = BH + A
2. Transferasas- Catalizan transferencia de grupos funcionales como grupos aldehídos, grupos fosfatos etc, de una molécula a otra.
grupo fosfato 3. Hidrolasas- Catalizan reacciones de hidrólisis, transformando
polímeros en monómeros. Actuan sobre:
enlace ester , enlace glucosídico , enlace peptídico etc.
4. Liasas- Añaden moléculas a los dobles enlaces
5. Isomerasas- Catalizan reacciones de isomerización
6. Ligasas o sintetasas- Catalizan reacciones de síntesis o unión de monómeros con aporte de ATP.
LAS ENZIMAS SE NOMBRAN CON EL SUFIJO ASA, EL NOMBRE DEL SUSTRATO SOBRE EL QUE ACTÚAN Y LA REACCIÓN QUE CATALIZAN. Ejemplo:
La glucosa se activa con un fosfato, transferido por el ATP, para comenzar su
REGULACIÓN ENZIMÁTICA
En ciertos momentos la actividad enzimática debe aumentar o disminuir conforme a las necesidades celulares.
Activación enzimática - La presencia de activadores permite que ciertas enzimas que se mantenían inactivas lleven a cabo su acción (se activen). La unión del activador al enzima se da por un centro regulador y se consigue que aumente la acción encimática porque hace que el centro activo que estaba inactivo, se active. Cationes como Mg2+ o Ca2+ son activadores enzimáticos. También puede actuar como activador el propio sustrato. En este caso, la
enzima permanece inactiva hasta que aparece el sustrato. Si no hay sustrato, no es necesaria la actividad enzimática.
Inhibición enzimática
Los inhibidores son sustancias que disminuyen o anulan la actividad de una enzima. Es el proceso inverso a la activación. El inhibidor puede ser algún Ion, una molécula orgánica o el producto final de la reacción. En el caso del producto final es en el que la enzima se inhibe cuando ya no se necesita obtener más cantidad de producto. Se llama inhibición feed-back.
o La inhibición puede ser irreversible cuando el inhibidor altera la estructura de la enzima
inutilizándola permanentemente. (“veneno metabólico”).
o La inhibición reversible tiene lugar cuando la enzima vuelve a funcionar una vez eliminada la
sustancia inhibidora. Según el lugar de unión a la enzima se diferencian dos tipos de inhibición reversible:
1) Competitiva. El inhibidor se parece al sustrato y se une al centro activo del enzima, impidiendo la unión del sustrato. Hay competencia entre ambos por unirse al centro activo. Si es ocupado por el sustrato la reacción se lleva a cabo pero no se lleva a cabo si lo ocupa el inhibidor. Esta inhibición es reversible porque aumentando la concentración de sustrato se puede desplazar al inhibidor.
2) No competitiva. El inhibidor no compite con el sustrato, sino que se une a otra zona de la enzima distinta del centro activo (el centro regulador). Aunque el sustrato puede unirse al centro activo, el inhibidor modifica la estructura de la enzima y dificulta el acoplamiento del sustrato, por lo que disminuye la Vmáxima. Esta inhibición no se compensa poniendo mucha
concentración de sustrato.
Puede ser:
-reversible, si
Alosterismo: enzimas alostéricos
En el metabolismo, suelen darse reacciones consecutivas en lo que se llama una ruta metabólica. Se trata de una sucesión de reacciones químicas que conducen de
un sustrato inicial a uno o varios productos finales, a través de una serie de metabolitos intermediarios. Por ejemplo: A → B → C → D → E
En esta ruta, A es el sustrato inicial, E es el producto final, y B, C, D son los metabolitos intermediarios de la ruta metabólica. B es producto de la primera reacción y a la vez el
sustrato de la siguiente. Pueden darse ramificaciones y las diferentes reacciones de todas las rutas metabólicas están catalizadas por enzimas, que participan, asociadas, formando
complejos multienzimáticos en el interior de las células. Estos complejos aumentan la eficacia enzimática pues la velocidad de las reacciones aumenta cuando están acopladas.
Las enzimas alostéricas catalizan algunas reacciones importantes, como el primer paso de una ruta metabólica compuesta por varias reacciones consecutivas También se encuentran en los puntos de ramificación de las rutas metabólicas desde los que se pueden seguir varios caminos alternativos.
Sus características son:
o Están formadas por varias subunidades (estructura cuaternaria) o Poseen varios centros de regulación,
o Se encuentran en puntos estratégicos: al principio o en una ramificación, como
ocurre con E1 E1 E2 E3 Sustrato --- A ---B --- C
Si se inhibe el E1, no sólo se detiene la primera reacción sino toda la ruta. Lo mismo si se activa. Por eso son lugares estratégicos.
o Adoptan dos conformaciones: una activa –R- (afinidad alta por sustrato) y otra inactiva –T- (baja afinidad por el sustrato).
Al unirse el activador al centro regulador, la conformación varía haciéndose funcional el centro activo. Así pasa del estado inhibido (T) al catalítico (R).
La variación en la conformación se transmite a otros protómeros
haciéndolos activos: Es la transmisión alostérica que hace que la regulación sea más rápida y necesita menor cantidad de activadores e
