1.- CONCEPTO 2.- ENZIMAS

2.1.- INTRODUCCIÓN

2.2.- PROPIEDADES O CARACTERÍSTICAS

2.3.- NATURALEZA QUÍMICA

2.4.- MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA

2.5.- ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA

2.6.- CINÉTICA ENZIMÁTICA

2.7.- FACTORES QUE AFECTAN A LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

2.7.1.- Temperatura

2.7.2.- pH

2.7.3.- Activadores

2.7.4.- Inhibidores

2.8.- CLASIFICACIÓN

3.- VITAMINAS

3.1.- CONCEPTO

3.2.- CLASIFICACIÓN

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1.- CONCEPTO DE BIOCATALIZADOR En los seres vivos, se producen continuamente infinidad de reacciones químicas, de forma ordenada y rápida gracias a enzimas, vitaminas y hormonas, que junto con los oligoelementos constituyen los biocatalizadores de todas esas reacciones químicas. ¿Qué son los catalizadores? Son sustancias que aumentan la velocidad de reacción y que actúan a concentraciones muy bajas pues no se consumen durante el proceso. -Las enzimas: son proteínas especializadas. - Las vitaminas: son moléculas orgánicas de diferente naturaleza, imprescindibles para los animales superiores y que estos no pueden sintetizar. - Las hormonas: al igual que las vitaminas pueden ser de naturaleza lipídica ó proteica diferenciándose de ellas, en que son sintetizadas por el propio organismo. - Los oligoelementos: indispensables para la vida, debido a sus propiedades catalíticas. 2.- ENZIMAS 2.1.- INTRODUCCIÓN: Un poco de historia (ver fotocopia) Las enzimas son útiles para los seres humanos

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2.2.- PROPIEDADES O CARACTERÍSTICAS

Las enzimas cumplen las características propias de cualquier catalizador:

- Gran poder catalítico: las enzimas son capaces de acelerar las reacciones por

valor de 107 (superior a los catalizadores biológicos). CO2 + H2 O H2 CO3 1hora 1 molécula enzima

CO2 + H2 O H2 CO3 1 segundo 105 moléculas

- No altera el equilibrio de la reacción - Reduce la energía de activación: Una reacción química cualquiera tiene lugar

cuando las moléculas de los productos que van a reaccionar alcanzan su estado más rico en energía (están activados), es el llamado “estado activo”, una vez alcanzado se produce la reacción. La cantidad de energía necesaria para llevar a todas las moléculas de un mol de sustancia al estado activo, se llama energía de activación. Energía Energía de activación sin catalizador Libre Energía de activación con catalizador Ei

Ef

Curso de la reacción

Como se observa en la gráfica la enzima reduce la energía de activación. - No se gastan ni se alteran durante la reacción, por eso son necesarias en muy

bajas concentraciones y esto es un síntoma de su eficacia. - No cambian el signo ni la cuantía de la variación de la energía libre. No

pueden hacer que los procesos sean termodinámicamente más favorables. Pero además, a diferencia de los catalizadores no biológicos presentan otras características propias:

- Son altamente específicos: existe una especificidad de sustrato (depende del centro activo del enzima), llamada absoluta ya que actúan sobre un sustrato determinado; una especificidad de grupo cuando actúan sobre un grupo de compuestos que tienen una característica común y una especificidad de acción (depende de los cofactores) llamada de clase ya que la enzima actúa sobre un tipo de enlace, independiente del tipo de molécula.

- Actúan siempre a temperatura corporal. - Son muy activas. Algunas consiguen aumentar la velocidad de la reacción

más de un millón de veces. - Presentan un peso molecular muy elevado. - Su actividad catalítica puede ser regulada, lo que permite adecuar la

velocidad de las reacciones del metabolismo a las necesidades de cada momento

2.3.- NATURALEZA QUÍMICA

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Las enzimas son biocatalizadores de naturaleza proteica (proteínas globulares),

solubles en agua y que difunden con facilidad en los líquidos orgánicos. Su misión es catalizar las reacciones químicas de las células (tanto intra- como extracelulares), es decir aumentar la velocidad de reacción, permitiendo que se lleven a cabo en las condiciones de temperatura, presión y pH propios del medio tanto intracelular como extracelular, reduciendo la energía de activación. Actúan a concentraciones muy bajas No experimentan cambios estructurales al final de la reacción química.

Existen algunos tipos de ácido ribonucleico (ARN) con capacidad catalítica, denominados ribozimas.

Algunas son estrictamente proteicas, es decir, están constituidas solamente por una o más cadenas polipeptídicas (holoproteínas), pero otras, además, poseen un componente de naturaleza no proteica (heteroproteínas) del cual depende su actividad. A estas últimas se las denomina holoenzimas, estas necesitan para llevar a cabo su acción catalítica, la ayuda de determinadas sustancias no proteicas, denominadas cofactores que, fijadas en su superficie mediante enlaces covalentes o débiles, aportan los grupos y funciones químicas de los que carece la enzima. En estos casos la fracción proteica de la holoenzima se denomina apoenzima y la fracción no proteica es el cofactor.

Enzima = holoproteína Holoenzima = cofactor + apoenzima (Heteroproteína)

El cofactor puede ser:

a) De naturaleza orgánica o metaloorgánica, unido a la apoenzima por enlaces débiles o covalentes:

I. Si el cofactor está unido mediante enlaces débiles a la apoenzima, se denomina coenzima, por ejemplo:

- Coenzimas de óxido-reducción: transportan protones (H+ ) y electrones (e- ): Ø NAD Y NADP : se forman a partir de la vitamina B3 (Niacina)

NAD+ + 2H (2H+ + 2e-) ß-----------à NADH + H o NADH2

NADP+ + 2H (2H+ + 2e-) ß-------à NADPH + H o NADPH2

Ø FMN Y FAD: se forman a partir de la vitamina B2 (Riboflavina)

FAD+ + 2H (2H+ + 2e-)ß-------à FADH + H o FADH2

- Coenzimas que transfieren grupos

Ø Coenzima A (Co-SH): transfiere grupos acilo (-CH2 –COOH) Ø ATP: transfiere grupos fosfato. ATPß------à ADP+ Pi Vitaminas: una gran parte de ellas actúan como coenzimas, o bien son

sustancias precursoras de coenzimas. Su acción es fundamental en el metabolismo

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celular, ya que constituyen eslabones que hacen posible el intercambio de materia. Un mismo coenzima puede actuar como cofactor de varias reacciones enzimáticas diferentes.

II. Si se encuentra unido covalentemente a la apoenzima, se llama grupo prostético, como los grupo hemo de la hemoglobina, citocromos y mioglobina (heteroproteína)

b) De naturaleza iónica: determinados iones minerales (Mg, Zn, Cu,…) también actúan como cofactores de la catálisis enzimática.

Las enzimas pueden encontrarse en forma de:

• Proenzimas: no son activas, hasta que sobre ellas actúan otras sustancias o enzimas.Ejemplo:

HCl Pepsinógeno -------à Pepsina (inactiva) (activa)

*Isoenzimas: son formas moleculares diferentes de una misma enzima, catalizan la misma reacción pero en diferentes tejidos y a distintas velocidades. Ejemplo la lactato deshidrogenas presenta cinco formas diferentes. 2.4.- MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA Para que una enzima pueda actuar es necesario un centro activo

responsable de la especificidad de sustrato y un cofactor responsable de la especificidad de acción (no todas las enzimas lo requieren).

El centro activo es una zona de la proteína constituida por una serie de aminoácidos. Estos pueden estar muy alejados entre sí en la estructura primaria, y cercanos en la estructura terciaria. Estos aminoácidos constituyen una entidad tridimensional.

Estructura primaria Estructura terciaria

El centro activo es la zona específica donde se une el sustrato (enlaces: puentes

de hidrógeno, iónicos, hidrofóbicos,…) formándose el complejo enzima-sustrato (E-

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S). Se generan así tensiones que debilitan los enlaces del sustrato, por lo que para llegar al estado de transición del complejo enzima-sustrato, el llamado complejo activado, se requiere mucha menos energía. Finalizada la transformación, queda el complejo enzima producto (E-P) que se escinde liberando la enzima intacta (E) y el producto (P).

E+S ---------à ES --------à EP ----------à E+P

¿Qué hace falta para que una enzima lleva a cabo su actividad? - Un centro activo: Región de la enzima que se une al sustrato(especificidad

de sustrato) Los centros activos tienen las siguientes características: Ø Constituyen una parte muy pequeña del volumen total de la enzima. Ø Tienen una estructura tridimensional en forma de hueco que facilita

encajar al sustrato. Ø Están formados por aminoácidos que, aunque distantes en la secuencia

polipeptídica, debido a los repliegues de ésta, quedan próximos. Ø Los radicales de algunos de estos aminoácidos presentan afinidad química

por el sustrato, por lo que lo atraen y establecen enlaces débiles con él. Esto facilita que, una vez transformado en producto se pueda separar con facilidad del centro activo.

- Un Cofactor (especificidad de acción) 2.5.- ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA Una de las características más importantes de la actividad de las enzimas es la especificidad de las mismas. Esta propiedad se debe a que la conformación tridimensionasl del centro activo, es tal que , que resulta complementaria a la molécula del sustrato a la que se une.

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Existe una especificidad absoluta: la enzima actúa solo sobre un sustrato ( la ureasa actúa sobre la urea). Una especificidad de acción (de clase) una enzima cataliza sólo una de las posibles reacciones que puede sufrir un mismo sustrato y que conducen a vías metabólicas diferentes. Por ejemplo un mismo aminoácido A puede sufrir una descarboxilación, una desaminación o una oxidación; cada una de esas modificaciones, que dan productos distintos (B, C y D), la realiza un enzima específico, aunque sobre el mismo aminoácido. Una especificidad de grupo: la enzima reconoce un determinado grupo de moléculas (la enzima β-glucosidasa, actúa sobre el grupo de los β- glucósidos) Dos modelos intentan explicar la complementariedad entre la enzima (centro activo) y el sustrato.

- Modelo de Fischer: Fischer comparó la especificidad entre la enzima y el sustrato con la que existe entre una llave y la cerradura. Sugería que el centro activo y el sustrato eran exactamente complementarios.

- Modelo de Koshland Koshland: apuntó posteriormente que no es exactamente como una llave y la cerradura, sino que la enzima debido a su naturaleza proteica posee libertad para cambiar de forma, de modo que puede acoplarse, es la Teoría del Ajuste Inducido (mano-guante). Afirma que no existe una adaptación predeterminada, sino una adaptación inducida por los aminoácidos que forman el centro activo del enzima (la enzima se adapta al sustrato).

2.6.- CINÉTICA ENZIMÁTICA Las enzimas no se consume durante las reacciones, esto hace que sean muy eficaces y su velocidad de reacción alta aunque la concentración de la enzima sea menor que la del sustrato.

La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por las enzimas y, a partir de parámetros cinéticos, deduce la actividad de la enzima, su afinidad por el sustrato y los mecanismos de catálisis.

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La cantidad de moléculas de sustrato que cada molécula de enzima es capaz de transformar por unidad de tiempo (Número de recambio o constante catalítica) En general una molécula de enzima es capaz de transformar entre 100 y 1000 mol de sustrato en producto cada segundo. Para muchos enzimas la velocidad de reacción enzimática varía con la concentración de sustrato, de manera que al aumentar la concentración de sustrato aumenta la velocidad de reacción. Esto se mantiene hasta cierto límite, ya que se llega a producir una saturación del enzima por el sustrato, se dice entonces que se ha alcanzado la velocidad máxima.

La determinación de la actividad de ciertas enzimas, sirve como prueba diagnóstica en patologías. Por ejemplo una elevada actividad de las transaminasas, indican una enfermedad hepática.

El estudio de la cinética enzimática llevó a Michaelis-Menten a formular la “Teoría General de la Acción Enzimática”, según la cual: la velocidad de acción de la enzima depende de la concentración del sustrato y de una constante la Km.

V = Vmax [ S ] Km + [ S]

V: velocidad de reacción

Vmax : velocidad máxima S: sustrato Km: constante de Michaelis-Menten (moles/l)

La constante de Michaelis-Menten es la concentración de sustrato en la cual una enzima alcanza la mitad de la velocidad máxima. Km = [ E ] * [ S ] [ES] La Km nos proporciona una idea de la afinidad del enzima por el sustrato. Si Km es alta significa que para conseguir la mitad de la velocidad máxima se requiere mucha concentración de sustrato y por lo tanto que la enzima tiene poca afinidad por el sustrato y viceversa.

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2.7.- FACTORES QUE AFECTAN A LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

Principalmente son: la temperatura, el pH, la concentración de sustrato y sustancias que actúan como activadores e inhibidores

2.7.1.-La temperatura: El aumento de la temperatura incrementa la energía cinética ( los

movimientos de las moléculas son más rápidos y la frecuencia de las colisiones aumenta)y aumenta por lo tanto la velocidad de la reacción, hasta una determinada Tº, llamada temperatura óptima, en la que la velocidad de reacción es máxima. A partir de esta temperatura disminuye la velocidad pues las enzimas son proteínas y a temperaturas altas se desnaturalizan y pierden su funcionalidad. La temperatura óptima de la mayoría de las enzimas corresponde a la temperatura corporal (35º-40º) de los animales endotermos. Sin embargo, existen algunas enzimas en los peces de aguas frías que tienen una temperatura óptima más baja, y las enzimas de las bacterias termófilas son capaces de resistir Tº próximas a 100ºC. El descenso de la Tº aunque disminuye la actividad enzimática, no llega a desnaturalizar las enzimas; por ello los animales ectotérmicos, que carecen de mecanismos homeostáticos, para regular la Tº, se ven obligados a hibernar en la estación fría, pues la actividad de sus enzimas queda muy reducida en esa época.

2.7.2.- El pH: Las variaciones de pH pueden ocasionar un cambio en la estructura

tridimensional de las enzimas y afectar a su actividad catalítica. Tienen un pH óptimo, en el cual la enzima desarrolla su actividad máxima, para la mayoría de las enzimas coincide con el pH fisiológico, o sea neutro o débilmente ácido. No obstante existen enzimas (digestivas) cuyo pH óptimo es ácido, ejemplo la pepsina (pH= 1,5 - 2,5) o básico, como la tripsina (pH= 8 – 11)

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2.7.3.- Activadores:

Ciertas sustancias activan enzimas, haciendo que el centro activo adquiera la estructura adecuada para el acoplamiento del sustrato. Algunos cationes, como Mg2+ o Ca2+ , desempeñan un papel importante como activadores enzimáticos, o diversas moléculas orgánicas e incluso el propio sustrato puede activar su propia metabolización. Ejemplo los iones cloro de la saliva activan la amilasa salivar.

2.7.4.- Inhibidores Son sustancias que disminuyen o anulan la actividad enzimática. El

inhibidor puede ser un ión, una molécula orgánica o incluso el producto final de la reacción. 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 inhición feed-back o retroinhibición.

La inhibición puede se irreversible o reversible. a) Irreversible: tiene lugar cuando el inhibidor se une covalentemente al centro activo del enzima, alterando su estructura y por lo tanto su actividad biológica. Muchos son venenos como el DFP o “gas nervioso” es un compuesto organofosforado que inhibe la acetil colinesterasa , fundamental en el proceso de transmisión del impulso nervioso a los músculos... El cianuro, que inhibe la enzima citocromo-oxidasa (crestas mitocondriales), por lo que se paraliza el catabolismo aerobio. Insecticidas organofosforados, inactivan enzimas que intervienen en la transmisión del impulso nervioso. Metales pesados como el Pb, Hg,… Otros antibióticos como la penicilina: (-) enzimas de la síntesis de la pared bacteriana b) Reversible: El inhibidor se une mediante enlaces no covalentes de manera que una vez que el inhibidor deja de actuar la enzima recupera su actividad. Hay dos clases:

b.1.-Inhibición competitiva: el inhibidor (análogo metabólico) es semejante al sustrato, por lo que ambos compiten por unirse al centro activo del enzima. Se forman complejos EI (inactivos) y ES (activos). El grado de inhibición depende de la concentración de sustrato. En consecuencia, los

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inhibidores competitivos aumentan la Km del enzima por su sustrato, sin modificar la V máx. de la reacción.

b.2.- Inhibición no competitiva: el inhibidor se une al enzima en un lugar diferente al centro activo, modificando la estructura de la enzima lo que dificulta la unión del sustrato a la misma. En ocasiones, el inhibidor se une al complejo enzima-sustrato, una vez creado éste, e impide la posterior formación del producto. Se forman complejos ES (activos), EI y ESI (inactivos). El grado de inhibición depende de la concentración del inhibidor, sin importar la concentración de sustrato, pues no se llega a alcanzar la velocidad máxima. Los inhibidores no competitivos no afectan al valor de la Km del enzima aunque disminuye el valor de la V máx.

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2.9.- CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS Se conocen alrededor de unas 2000 enzimas. Para nombrarlas se emplea un término que alude al sustrato y al tipo de reacción que cataliza, al que se añade la terminación –asa. La Comisión Internacional de Enzimas (IEC), a agrupado las enzimas en seis clases.

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3.-VITAMINAS 3.1.- INTRODUCCIÓN El término vitamina fue acuñado por el bioquímico polaco Casimires Funk en 1912, cuando obtuvo una sustancia, a partir de la cascarilla de arroz, cuya deficiencia provocaba una enfermedad conocida como beriberi. Llamó a esta sustancia vitamina que significa “amina indispensable para la vida”, ya que al aislarla e identificarla observó que tenía grupos amina (hoy denominada B1 ). Este término se aplicó después a otros compuestos esenciales para el ser humano, aunque la mayoría de las vitaminas no contienen grupos amina. Las vitaminas son moléculas de diferente naturaleza, imprescindibles para el correcto funcionamiento orgánico. Son biocatalizadores y muchas de ellas actúan como coenzimas. No se sintetizan en el cuerpo humano y deben ser incorporadas en la dieta como tales (vegetales), o como sustancias transformables en vitaminas (provitaminas). Se alteran fácilmente bien, por el calor, el pH e incluso el oxígeno y la luz pueden provocar su destrucción. Se necesitan en pequeñas cantidades ya que se regeneran después de la reacción. Su carencia extrema origina avitaminosis. El exceso de vitaminas causa hipervitaminosis y la deficiencia, hipovitaminosis. Las vitaminas se nombran utilizando letras mayúsculas, en ocasiones con un subíndice (A, B 2 ,…), o bien con un término que alude a la enfermedad que provoca su hipovitaminosis (antirraquítica,…), o por su nombre químico (ácido ascórbico,…) Las vitaminas se clasifican en:

v Liposolubles: insolubles en agua y solubles en lípidos. Participan en procesos como la visión, absorción de calcio y fósfor,… Una ingestión excesiva de este tipo de vitaminas puede provocar su acumulación en los órganos grasos del cuerpo y causar trastornos por hipervitaminosis.

v Hidrosolubles: son solubles en agua, no se acumulan ya que el exceso se elimina rápidamente por la orina. Sin embargo, al no almacenarse, es más fácil que se produzca un déficit de este tipo de vitaminas. Son coenzimas o forman parte de coenzimas que participan en reacciones del metabolismo.

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