Biocatalizadores o enzimas

Enzimas

Todas las reacción químicas que tienen lugar en los organismos (metabolismo) solo es posible gracias a la acción de las enzimas que catalizan las reacciones metabólicas.Las enzimas, son sintetizadas por los organismos, por lo que se han denominado biocatalizadores autógenos de acción específica.Son moléculas muy específicas (reacciones y sustratos).

Todas las enzimas son proteínas, a excepción de las ribozimas (ácido ribonucleico con acción catalítica).Poseen estructura secundaria, terciaria o cuaternaria, pero si se desnaturalizan pierden su funcionalidad.Las enzimas pueden estar formadas por:

Únicamente por cadenas polipéptídicasHoloenzimas: Parte proteica y parte no proteica

• Parte proteica = apoenzima• Parte no proteica:

Grupo prostético: si la unión al apoenzima es permanente Cofactor: si la unión al apoenzima es no permanente.

Catión metálico Molécula orgánica: coenzima

La parte proteica (apoenzima) es la que confiere estructura espacial y la encargada de unirse al sustrato.

La parte no proteica (grupo prostético o cofactor) es la encargada de llevar a cabo la acción catalítica.

Presentan las mismas propiedades que las proteínas.

Se desnaturalizanAlto grado de especificidad.

Especificidad enzimática

Cada enzima posee en su superficie una zona activa, denominada centro activo o centro catalítico, a la que se une la molécula de sustrato.

Especificidad de sustrato: Absoluta: la enzima solo actúa sobre un sustrato o molécula concreta. Relativa: la enzima utiliza como sustrato a un grupo de moléculas estructuralmente similares (sustratos fosforilados).

Especificidad de acción: la enzima solo realiza una de las diversas transformaciones que puede sufrir el sustrato (las enzimas oxidasas solo participan en reacciones de oxidación)

La unión de la enzima al sustrato, se denomina complejo enzima-sustrato. El resultado de esta unión, es que el sustrato, se transforma en otra molécula denominada producto. Cuando esta transformación ha tenido lugar se libera el producto de la enzima.Las enzimas no se consumen a lo largo de las reacciones que catalizan.No modifican el equilibrio de la reacción.

Catálisis enzimáticaCualquier reacción química se inicia con la ruptura de los enlaces de las moléculas de reactivos para formar los enlaces posteriormente de los los productos.Estado de transición o estado activado: estado en el que los enlaces de los reactivos están debilitados o rotos, pero que todavía no se han formado los del producto.Para alcanzar el estado activado, se requiere comunicar a los reactivos una cierta cantidad de energía, que se conoce como energía de activación.

Las enzimas son biocatalizadores, que actúan rebajando la energía de activación y consecuentemente aumentando la velocidad de dicha reacción y permitiendo que las reacciones metabólicas se produzcan a una temperatura relativamente baja.

Provocan que los reactivos puedan alcanzar más fácilmente el estado activado o estado de transición.

Las reacciones catalizadas por enzimas se llevan a cabo en tres etapas:

1ª etapa

Unión del sustrato al enzima• Se forma el complejo enzima-sustrato• El sustrato se une a una zona concreta del

apoenzima denominada centro activo. Se produce un acoplamiento inducido como un guante y una mano.

• Es la etapa más lenta• Reacción reversible

2ª etapa

Catálisis.Una vez que se ha formado el complejo enzima-sustrato, el cofactor o grupo prostético, lleva a cabo la catálisis.La presencia del enzima hace que la reacción se de y se originen los productos.Etapa muy rápida e irreversible.

En el caso de los enzimas que presentan solo parte proteica , los aminoácidos del sitio activo son los que llevan a cabo la catálisis.

3ª etapa

El producto se libera del enzima, quedando el enzima, libre para volver a reaccionar con nuevos sustratos.

Cinética enzimáticaLa cinética enzmática estudia la velocidad a la que transcurren las reacciones catalizadas por enzimas

La actividad enzimática, se expresa como la cantidad de moléculas de sustrato que cada molécula de enzima es capaz de transformar por unidad de tiempo o la cantidad de moléculas de producto que es capaz de producir por unidad de tiempo.

Por regla general, la cinética de una reacción catalizada por enzimas responde a la ecuación de Michaelis-Menten.

Representación de la velocidad de aparición de los productos en una reacción catalizada por enzimas, en función de la concentración de sustrato, siendo la concentración de enzima constante.

constante de Michaelis-Menten o KM:concentración de sustrato para la cual

la reacción catalizada alcanza la velocidad semimáxima (1/2 de la velocidad máxima).

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.

En un principio, el aumento de la concentración de sustrato, aumenta la velocidad de la reacción (las enzimas se encuentran disponibles).Para una determinada concentración de sustrato, por más sustrato que se añada no se incrementa la velocidad de la reacción (saturación por sustrato).

Factores que afectan a la actividad enzimática.

Las reacciones catalizadas por las enzimas no se producen siempre a la misma velocidad.

Entre los factores que pueden modificar la velocidad de las reacciones enzimáticas se encuentran los siguientes

Concentración de sustrato:

Concentración de enzima

Compartimentación celular

Efecto cascada

pH

Temperatura

Complejos multienzimáticos

Concentración de sustrato: al aumentar la concentración de sustrato, aumenta la velocidad de la reacción, pero al alcanzar una determinada concentración de sustrato, la reacción no incrementa su velocidad, (que es cuando llega a la velocidad máxima) ya que se produce la saturación por sustrato de la enzima, no quedando sitios activos libres para la unión al sustrato.

Aumento de la concentración de moléculas de enzima: la velocidad de un proceso metabólico se puede regular estimulando o inhibiendo la síntesis de moléculas de enzima responsables de dicho proceso.

Compartimentación celular: la mayoría de los sustratos y de las enzimas se encuentran en la célula eucariota en concentraciones muy bajas, lo que dificultaría el encuentro de unos y otros. Para contrarrestar esa dificultad, numerosas reacciones metabólicas tienen lugar en el interior de los orgánulos celulares.

Efecto cascada: consiste en una secuencia de reacciones en el que el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente.

La proenzima inactiva se transforma en la forma activada, que a su vez cataliza la transformación de otra enzima inactiva en su forma activa. Esto incrementa enormemente la velocidad de una reacción

ph: las enzimas actúan de forma óptima a un pH concreto, generalmente cercano al pH fisiológico.

El cambio de pH provoca cambios eléctricos en los aminoácidos presentes en el centro activo de la enzima, disminuyendo su eficacia de unión al sustrato.

Si ese cambio de pH es brusco e irreversible la enzima se desnaturalizará y perderá su funcionalidad.

Temperatura: como regla general al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de las reacciones metabólicas, pero esto ocurre por debajo de un umbral en torno a los 45ºC. por encima de este rango térmico se produce la desnaturalización de las enzimas y por debajo se ralentizan las reacciones químicas.

Complejos multienzimáticos: la agrupación de las enzimas en complejos multienzimáticos, son las que llevan a cabo reacciones consecutivas o encadenadas (reacciones en cascada). Esto provoca que tales reacciones se desarrollen con gran rapidez.

Regulación de la actividad enzimática

Las necesidades celulares son cambiantes y por tanto la velocidad de las reacciones metabólicas ha de ajustarse a esas necesidades.

Los mecanismos de regulación enzimática son los siguientes:

Activación enzimática

Inhibición enzimática

Alosterismo

Activación enzimática

Se realiza a través de activadores, que son los que activan a las enzimas.

Normalmente la unión del activador (cationes, moléculas orgánicas o el propio sustrato) hace que se modifique la estructura del sitio activo para el acoplamiento del sustrato.

Inhibición enzimática

Los inhibidores son sustancias que disminuyen o anulan la actividad de las enzimas.

Las moléculas inhibidoras son variadas y puede ser incluso el producto final de una reacción o ruta metabólica. En este caso se denomina retroinhibición.

Los inhibidores pueden ser de dos tipos:

Inhibidores irreversibles o venenos metabólicos

Inhibidores reversibles

Inhibidores irreversibles

Cuando el inhibidor se une covalentemente a la enzima (a determinados grupos del centro activo) y anulan su capacidad catalítica.

Se denominan también venenos metabólicos• cianuro que inhibe la actividad de la citocromo

oxidasa que interviene en el proceso de respiración aerobia.

• La acetilcolinesterasa es una enzima que se ve afectada por los inhibidores irreversibles de los insecticidas organofosforados.

Inhibición reversible

Cuando el inhibidor se une a la enzima por medio de enlaces débiles.La unión al enzima es temporal y la actividad enzimática se puede recuperar.La inhibición reversible puede ser de dos tipos:

Inhibición competitivaInhibición no competitiva Inhibición acompetitiva

Inhibición competitiva:El inhibidor es una molécula con una conformación espacial muy similar al sustrato.

El inhibidor compite con el sustrato por la unión en el centro activo del enzima, con esto impide que se una el sustrato y por tanto que este se transforme en producto.

El grado de inhibición depende de la concentración relativa de inhibidor con respecto a la de sustrato.

A los inhibidores competitivos se les denomina análogos metabólicos.

Inhibición no competitiva:El inhibidor no compite con el sustrato por el centro activo de la enzima

Se une a un sitio diferente del centro activo, provocando un cambio de conformación de la enzima y dificultando su

unión al sustrato y disminuyendo la actividad del enzima.

Inhibición acompetitiva: el inhibidor se une al complejo enzima-sustrato, impidiendo la formación del producto.

Alosterismo Son enzimas que suelen situarse al inicio de las rutas metabólicas o en lugares de ramificaciónEstas enzimas poseen varios sitios de unión para moléculas activadoras o inhibidoras.Poseen dos tipos de conformaciones:

Activa: poseen gran afinidad por el sustratoInactiva: la afinidad por el sustrato es bajaEl paso de una conformación a otra suele estar inducido pro la unión de ciertas moléculas, llamadas ligandos o efectores, a determinados lugares de la superficie enzimática (centros reguladores) que son distintos del centro activo.

Nomenclatura de las enzimas

Generalmente las enzimas se denominan con el nombre del sustrato sobre el que actúan, al que se añade, a veces, el nombre de la función que desempeñan, seguido del sufijo –asa

• Lactato deshidrogenasa (cataliza la deshidrogenación del ácido láctico)

Existe también un código de cuatro cifras precedidas de las letras EC

Clasificación de las enzimas1. Oxidoreductasas: catalizan oxidorreducciones de los sustratos (pérdida o ganancia

de electrones) • Deshidrogenasas • Oxidasas

2. Transferasas: catalizan las reacciones de transferencia de grupos funcionales de un sustrato a otro.

• Transaminasas 3. Hidrolasas: catalizan reacciones de hidrólisis (ruptura de enlaces)

• Lipasas, sacarasas, pepsina 4. Liasas: catalizan reacciones de adicción de grupos funcionales a moléculas que

poseen un doble enlace (que desaparece al quedar unido el grupo a la molécula) 5. Isomerasas: Catalizan reacciones de transferencia de grupos dentro de la misma

molécula para dar isómeros.6. Ligasas: catalizan reacciones de síntesis de nuevas moléculas por formación de

enlaces C-C, C-S, C-O y C-N por reacciones de condensación.1. Si la energía necesaria proviene de la hidrólisis del ATP se denominan

sintetasas.2. Si la energía necesaria proviene de otra fuente, se denominan sintasas

Buen trabajo