Enzimas, en el metabolismo y para la industria

Captulo 4 Enzimas, en el metabolismo y para la industria*

Puntos de partida: aunque las clulas son extremadamente pequeas, su citoplasma es el sitio de todas las reacciones qumicas de la vida.

Las enzimas son catalizadores biolgicos que hacen posible los cambios qumicos bajo las condiciones de las clulas.

Las enzimas son protenas globulares. Ellas estn en solucin en el citosol y en los organelos celulares, ellas se construyen en las membranas de los organelos y de la membrana plasmtica. El ATP es la moneda universal de energa de las clulas. El ATP es un reactivo de muchas reacciones que requieren energa

Qu es el metabolismo?

Metabolismo es el nombre para todas las reacciones qumicas que suceden en los organismos. Literalmente millones de reacciones metablicas constantemente estn teniendo lugar. Las sustancias involucradas en estas reacciones de vida se llaman colectivamente metabolitos. Muchos de estos metabolitos son hechos en los organismos. Otros son importados del ambiente: estos incluyen sustancias alimenticias tomados en el agua, y gases como el dixido de carbono y el oxgeno.

La mayora de las reacciones qumicas no suceden espontneamente. En el laboratorio o en los procesos industriales, una secuencia de reacciones depende de crear las condiciones de alta concentracin, alta temperatura, alta presin y/o p H extremo. Sin estas condiciones dramticas, muy poco producto puede ser formado. Comnmente las reacciones que se llevan a cabo en las clulas se presentan simultneamente, en concentraciones extremadamente bajas, a temperatura normal y a pH casi neutro.Las reacciones metablicas son clasificadas en dos tipos: las reacciones anablicas, donde grandes molculas son construidas a partir de pequeas (sntesis). Ejemplo de anabolismo es la sntesis de protenas desde los aminocidos, y la sntesis de polisacridos a partir de azcares simples. Mientras que en las reacciones catablicas, grandes molculas son rotas degradadas en molculas ms pequeas. Ejemplo de catabolismo es la digestin de los alimentos para obtener azcares en la respiracin (Ver figura 1)Metabolismo y energa

Cada molcula contiene una cantidad de energa almacenada que es igual a la cantidad de energa necesaria para sintetizarla originalmente. Energa qumica existe en los arreglos estructurales de las molculas, ms que en los enlaces qumicos. Cuando una molcula de glucosa es oxidada en bixido de carbono y agua en la respiracin aerobia, la energa es liberada. Esta energa no es grande en almacenarse pero est en movimiento. Esta es la energa de activacin. En ese momento, una parte de la energa almacenada en una molcula est disponible. Esta energa es conocida como energa libre o de Gibs, y es la que puede realizar un trabajo. Adems las reacciones que liberan energa se denominan reacciones exergnicas. Un ejemplo es la oxidacin de la glucosa. Por otra parte, las reacciones que requieren energa para llevarse a cabo se denominan reacciones endergnicas. Como en la sntesis de protena desde aminocidos requiere de ATP (Ver figuras 1 y 2).

*Traducido por Miriam V. Muoz, del libro de Clegg, C. J. 2000. Introduction to advanced biology. John Murray, Ltd. London, Great Britain. 518 pages.Figura 1

Sntesis de molculas complejas utilizadas en el crecimiento, desarrollo y otros procesos metablicos. Como protenas, polisacridos, hormonas, factores de crecimiento, o clorofila en las plantas.

Anabolismo: las reacciones requieren de energa (endergnicas)

Nutrientes: azcares aminocidos cidos grasos, etc. Pequeas molculas orgnicas

Catabolismo: las reacciones liberan energa (exergnicas)

Degradacin de molculas complejas para liberar sustancias simples. Ejemplo pequeas molculas inorgnicas, agua, CO2 y minerales.

Figura 2

En las reacciones exergnicas los productos tienen menos energa almacenada que los reactivos

A+B(AB la energa libre se distribuye y hace calor, o trabajo, o ambos.

Libera energaCuesta abajoEn las reacciones endergnicas tiene que introducirse energa al sistema, porque los productos tienen ms energa almacenada que los reactivos

C+D ( CD

Entra energa libre requiere energa Cuesta arriba

Metabolismo y enzimas

Por cada dos molculas de reactivo, ellas deben colisionar una con otra. Lo cual deben hacer a la misma direccin y velocidad. Si este alineamiento no es correcto ellas se mantendrn aparte. Si el alineamiento sucede a la velocidad y fuerza suficiente, entonces ellas reaccionarn qumicamente. Si la colisin es mala o la energa es insuficiente no se rearreglarn los electrones y no se producir un nuevo enlace. Estas condiciones correctas son raras en la naturaleza, solo suceden si se introducen condiciones extremas, tales como altas temperaturas, presiones muy grandes, o pH muy cido o alcalino. Solamente las enzimas que existen para una reaccin particular pueden hacer que las molculas reaccionen a gran velocidad.

Las enzimas son catalizadores biolgicos

Todas las reacciones metablicas que ocurren en las clulas son catalizadas por enzimas. Casi todas las enzimas son protenas. Sin enzimas ninguna reaccin qumica sera posible.Con ayuda de las enzimas las reacciones proceden con asombrosa rapidez, y los productos se vuelven disponibles para los organismos. Algunas enzimas son liberadas desde las clulas, como las enzimas digestivas. Este tipo de enzimas secretadas hacia el exterior celular se llaman enzimas extracelulares. Muchas enzimas permanecen dentro de las clulas y trabajan ah, estas son las enzimas intracelulares. Estas ltimas se encuentran dentro de los organelos celulares o en las membranas de estos, o a nivel de citosol o de plasmalema.Enzimas como catalizadoresUn catalizador es una sustancia que acelera la reaccin qumica. En una reaccin catalizada por una enzima, la sustancia inicial o de partida es el sustrato el cual se convertir en producto. Por ejemplo la enzima sacarasa (una invertasa) la sacarosa es el sustrato sobre el que acta esta enzima, al romperlo, se producen fructosa y glucosa.

Los catalizadores tienen una larga historia en la qumica y la industria, aunque algunos de ellos son catalizadores inorgnicos, ms que protenas. Sus propiedades generales son:

Los catalizadores son efectivos en pequeas cantidades. La tasa de recambio de un catalizador es el nmero de molculas de sustrato procesadas por una molcula cataltica en un minuto. Por ejemplo los catalizdores inorgnicos en la industria tienen una tasa de recambio de entre 100 a 3 000 000. Las enzimas tienen tasas superiores. Por ejemplo una sola molcula de anhidrasa carbnica en un eritrocito, cataliza 3.6 X 107 molculas de CO2 para convertirlas a HCO3- en un minuto. Lo cual permite un transporte eficiente de CO2 en la sangre.

Los catalizadores no cambian qumicamente al trmino de la reaccin, aun cuando se involucran en la reaccin. Consecuentemente un catalizador puede ser usado una y otra vez sin cambio qumico permanente. Los catalizadores aceleran la reaccin qumica hasta que la posicin de equilibrio sea alcanzada. En la reaccin reversible

A + B (( C + D

A y B reaccionan para formar C y D. Esta reaccin reversible ((( ) ocasiona que C y D empiezan a acumularse para reaccionar y formar nuevamente A y B. Las enzimas se encargan de que este punto de equilibrio se alcance rpidamente.

Las enzimas bajan la energa de activacin

Como las molculas reaccionan de manera inestable, se producen temporalmente intermediarios de alta energa. Sin embargo, este estado de transicin es corto porque los productos se forman inmediatamente. Los productos tienen menor energa que los sustratos. As que la mnima cantidad de energa necesaria para llevar a las molculas al estado de transicin es llamada energa de activacin. Es la barrera que debe romperse para que la reaccin qumica proceda. Las enzimas trabajan con una cantidad de energa muy baja para activar a las molculas de reactivo. El complejo enzima sustrato

Las enzimas trabajan uniendo el sustrato a un lugar especial dentro de ellas, denominado sitio activo. Esta idea de que el sustrato y la enzima se unen como lo hara una llave con una cerradura. As la enzima (E), junto con el sustrato (S) forman el complejo ES, el sustrato S se eleva a un estado de transicin y se rompe a Producto (Pr), al final la enzima se separa

E + S (( ES ( ( Pr + E

Todos los metabolitos en las clulas son los sustratos para por lo menos una enzima. Muchas enzimas son molculas grandes mientras que otras son pequeas.

Algunas enzimas tienen componentes no proteicos.

La mayora de las enzimas son de protena, como la lisozima de las lgrimas o de la saliva, la cual digiere los componentes de la pared celular de las bacterias. Es una enzima pequea de solo 129 aminocidos.

Pero otras enzimas son conjugadas, lo que significa que poseen un componente no proteico que es esencial en la funcin de la enzima y que forma parte del sitio activo. Este componente puede estar permanentemente o casi en la enzima y recibe el nombre de grupo prosttico. Por ejemplo el in Zinc en la enzima carboxipeptidasa.Otros componentes no proteicos son las coenzimas, que trabajan con las enzimas en reacciones adicionales, un buen ejemplo es el NAD (nicotin adenin dinucletido), el cual est involucrado en el transporte de iones hidrgeno en la respiracin. Frecuentemente las coenzimas provienen de las vitaminas, Por ejemplo el NAD proviene de una vitamina del complejo B. Especificidad de las enzimas

Las enzimas son altamente especficas en su accin. Catalizan una sola reaccin qumica o reacciones estrechamente relacionadas. Parte de esta especificidad est explicada porque el sitio activo, un arreglo de unos cuantos aminocidos en la enzima, empata con ciertos agrupamientos en la molcula del sustrato, para formar el complejo ES. Factores que pueden cambiar la tasa de reaccin de las enzimas

Las enzimas son extraordinariamente sensibles a las condiciones ambientales, por ejemplo:

Temperatura.- Un incremento en la temperatura eleva la energa de activacin, y las reacciones qumicas ocurren ms rpidamente. En las reacciones qumicas un incremento de 10 o C eleva la tasa de reaccin al doble. Se puede hablar del coeficiente de temperatura o Q10 de una reaccin qumica.

En las reacciones catalizadas por enzimas el efecto de la temperatura es ms complejo. Cuando la temperatura se eleva el sustrato y la enzima se mueven rpidamente para colisionar por lo que a tasa de reaccin se incrementa. Sin embargo las enzimas al ser de protena, se pueden desnaturalizar por el calor, y su tasa de desnaturalizacin es alta si se incrementa el calor, y esto afecta la actividad enzimtica. Por ello se habla de una temperatura ptima de para la actividad de la enzima. Las bacterias de sitios muy calientes tienen enzimas con ptimo a 80 o 100 o C, mientras que algunas especies de la tundra tienen tempertura ptimas cercanas a los 0 o C. Por su parte, los seres humanos poseen enzimas con ptimo cercano a la temperatura corporal.p H.- Un cambio dramtico en este factor afecta la tasa a la cual la enzima cataliza la reaccin. Esto es porque la estructura secundaria o terciaria de la protena (enzima) altera las cargas de algunos grupos y la protena se desnaturaliza. Por lo que se puede hablar tambin de un pH ptimo.Concentracin de sustrato.- El efecto de diferentes concentraciones de sustrato puede verse de la siguiente manera: a bajas concentraciones de sustrato, cuando hay pocas molculas de ste, hay muchos sitios activos libres, por lo que rpidamente se encuentran y colisionen. A una concentracin mayor de sustrato todos los sitios activos ensamblan con los sustratos y se da la mxima tasa de reaccin. Sin embargo en un exceso de sustrato, es decir con ms molculas de sustrato que de enzima, la tasa de reaccin no se incrementa.

sustrato

enzimaInhibidores de las enzimas

Ciertas sustancias presentes en las clulas, e inclusive en el ambiente pueden reaccionar con la enzima, alterando su tasa de reaccin. Estas sustancias son conocidas como inhibidores, porque retrasan la tasa de reaccin. Los inhibidores reaccionan con las enzimas de diferentes formas. Algunos se unen irreversiblemente a una enzima y destruyen sus propiedades catalticas completamente. Estas sustancias son muy venenosas, afectan alguna parte del metabolismo celular. Por ejemplo el pesticida malathion en los insectos.Otros inhibidores se unen fuertemente a las enzimas, los inhibidores reversibles, que tambin tienen su efecto, por ejemplo pueden competir para ocupar el sitio activo, se conocen como inhibidores competitivos. Como la enzima RuBisco o RUBP, en condiciones normales se encarga de fijar el CO2 durante la fotosntesis, sin embargo, en presencia de O2 se inhibe y ya no realiza esa funcin.En otras circunstancias el inhibidor es parecido a la molcula de sustrato, y espacialmente ensambla en un sitio muy cercano al sitio activo, por lo que modifica la forma de este e impide que se un a sus sustrato, estos son los inhibidores no competitivos. Como el cianuro se une a la enzima citocromo oxidasa, inhibe su actividad como enzima respiratoria, con consecuencias fatales para las clulas.Enzimas y el control del metabolismo

Las rutas metablicas de las clulas y los tejidos son muchas y estn interconectadas. Hay reacciones que son altamente especficas para las enzimas, de manera que la reaccin solamente se lleva a cabo si est presente la enzima. Muchas enzimas solo las produce la clula solo si est presente el sustrato, es decir el sustrato activa la sntesis de la enzima. Varias rutas metablicas funcionan con enzimas alostricas, de encendido/ apagado, tienen dos sitios activos.

Usos industriales de las enzimas

En procesos industriales se utilizan catalizadores inorgnicos como el acero. De uso comn son los catalizadores biolgicos, por ejemplo: para suavizar la piel o curtirla se utilizan proteasas. Tambin en la produccin de alcohol, para convertir al almidn a azcares simples o la protena a aminocidos. As la biotecnologa se define como las aplicaciones comerciales e industriales de la biologa, particularmente la de microorganismos, enzimologa e ingenirera gentica. Especficamente el uso de enzimas en procesos industriales se basa en la tecnologa de enzimas. Algunas enzimas tiles se extraen de fuentes animales y vegetales como las enzimas para tratar la trombosis, provienen del jugo de pia o del pncreas de mamferos.

Muchas de las enzimas se emplean como detergentes biolgicos, como las proteasas que degradan las protenas presentes en la sangre, o en las manchas del cascarn de huevo.La amilasa que remueve los granos de almidn, las celulasas que difieren las microfibrillas del algodn, las lipasas que digieren las grasas o el aceite. Otras enzimas se emplean con fines analticos como las que valoran la glucosa en orina. Otros productos que se obtienen utilizando enzimas son las leches deslactosadas o las que contienen azcares de alta frutosa.