• Los enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas en los seres vivos.

• Los enzimas son catalizadores, es decir, sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan notablemente su velocidad.

• No hacen factibles las reacciones imposibles, sino que solamente aceleran las que espontáneamente podrían producirse.

• Ello hace posible que en condiciones fisiológicas tengan lugar reacciones que sin catalizador requerirían condiciones extremas de presión, temperatura o pH.

1. Características generales

2. Características de la enzima

• Proteínas altamente especializadas como catalizadores.

• Macromoléculas. • Son muy específicas respecto a sus sustratos.• Funcionan en solución acuosa en condiciones

limitadas de temperatura y pH.• Su actividad depende de la integridad de su

conformación.• Hay enzimas que requieren de un grupo químico

adicional llamado cofactor o coenzima.

• Son sustancias no proteicas, requeridos a veces por una enzima para su función, puesto que colaboran en la catálisis.

• Los cofactores pueden ser iones inorgánicos como el Fe++, Mg++, Mn++, Zn++ etc. Casi un tercio de los enzimas conocidas requieren cofactores.

• Cuando se trata de una molécula orgánica se llama coenzima. Muchos de estas coenzimas se sintetizan a partir de vitaminas.

• Cuando los cofactores y las coenzimas se encuentran unidos covalentemente a la enzima, se llaman grupos prostéticos.

Cofactores y Coenzimas

PROTEÍNA

cofactor

coenzima

apoenzima o apoproteína grupo prostético

HOLOENZIMAO

PROTEINA CONJUGADA

HOLOENZIMAO

PROTEINA CONJUGADA

Molécula de hemoglobina (proteína que transporta oxígeno) y su coenzima (el grupo hemo).

3. Nomenclatura de las enzimas

Hay varias formas mediante las cuales se asigna un nombre a un enzima:

• nombres particulares

Estos eran asignados por su descubridor. Al ir aumentando el número de enzimas conocidos, se hizo necesaria una nomenclatura sistemática que informara sobre la acción específica de cada enzima y los sustratos sobre los que actuaba.

• nombre sistemático El nombre sistemático de un enzima consta actualmente de 3 partes:

1.- el sustrato preferente2.- el tipo de reacción realizado3.- terminación "asa"

Un ejemplo sería la glucosa fosfato isomerasa que cataliza la isomerización de la glucosa-6-fosfato en fructosa-6-fosfato.

• código de la comisión enzimática (enzyme comission)

El nombre de cada enzima puede ser identificado por un código numérico, encabezado por las letras EC (enzyme commission), seguidas de cuatro números separados por puntos. El primer número indica a cual de las seis clases pertenece la enzima, el segundo se refiere a distintas subclases dentro de cada grupo, el tercero y el cuarto se refieren a los grupos químicos específicos que intervienen en la reacción.

4. Clasificación de las enzimas

CLASIFICACION INTERNACIONAL DE LAS ENZIMAS

OXIDORREDUCTASAS TRANSFERENCIA DE ELECTRONES ( iones hidruro o átomos de hidrogeno

TRANSFERASAS TRANSFERENCIA DE GRUPOS HIDROLASAS REACCIONES DE HIDRÓLISIS

LIASAS ADICION DE GRUPOS A DOBLES ENLACES FORMACION DE DOBLES ENLACES

ISOMERASAS TRANSFERENCIA DE GRUPOS DENTRO DE UNA MOLECULA

LIGASAS FORMACION DE ENLACES ( C-C // C-S // C-O// C-N) MEDIANTE REACCIONES ACOPLADAS DE ATP

5. Sitio Activo

• La reacción catalizada enzimáticamente tiene lugar en una zona de la enzima denominada sitio activo y la molécula que es fijada en el sitio activo y sobre la cual actúa la enzima se denomina sustrato

• El sitio activo comprende

(1) un sitio de unión formado por los aminoácidos que están en contacto directo con el sustrato

(2) un sitio catalítico, formado por los aminoácidos directamente implicados en el mecanismo de la reacción

Para que una reacción química tenga lugar, las moléculas de los reactantes deben chocar con una energía y una orientación adecuada.

La actuación de la enzima permite: • que los reactantes (sustratos) se unan a su sitio

activo con una orientación óptima para que la reacción se produzca y

• modifica las propiedades químicas del sustrato unido a su sitio activo, debilitando los enlaces existentes y facilitando la formación de otros nuevos.

6. Mecanismo de acción enzimática

Hay dos modelos sobre la forma en que el sustrato se une al sitio activo de la enzima:

• el modelo llave-cerradura

Este supone que la estructura del sustrato y la del sitio activo son complementarias, de la misma forma que una llave encaja en una cerradura. Este modelo es válido en muchos casos, pero no es siempre correcto.

• el modelo del ajuste inducido

En algunos casos, el sitio activo adopta la conformación idónea sólo en presencia del sustrato. La unión del sustrato al sitio activo de la enzima desencadena un cambio conformacional que da lugar a la formación del producto.

7. Comportamiento cinético de las enzimas

• En las reacciones espontáneas, los productos finales tienen menos energía libre de Gibbs (ΔG) que los reactantes. Por tanto, en las reacciones espontáneas se libera energía de Gibbs (ΔG<0).

• Sin embargo, el comienzo de la reacción requiere un aporte inicial de energía. Esta energía inicial que hay que suministrar a los reactantes para que la reacción transcurra se llama energía de activación (Ea). Cuanto menor es la Ea más fácilmente transcurre la reacción.

• La acción de los catalizadores consiste, precisamente, en disminuir la Ea. Los enzimas son catalizadores especialmente eficaces, ya que disminuyen la Ea aún más que los catalizadores inorgánicos.

• Por ejemplo, la descomposición del agua oxigenada (H2O2) para dar H2O y O2 puede ocurrir sin catalizador, con un catalizador inorgánico (platino), o con un enzima específica (catalasa). Las respectivas Ea para cada proceso son 18, 12 y 6

Kcal/mol.

La energía requerida para disminuir la energía de activación proviene generalmente de las interacciones débiles no covalentes entre sustrato y enzima

la formación del ES viene acompañada de una pequeña liberación de energía libre

ENERGÍA DE FIJACIÓN

Es la principal fuente de energía libre para disminuir la energía de activación de las reacciones

LOS GRUPOS CATÁLITICOS DE

UNA ENZIMA( CADENAS LATERALES DE LOS

AMINOACIDOS, IONES, COENZIMAS)

Pueden interactuar de manera transitoria con un sustrato activándolo

Disminuyen la energía de activación de una reacción al proporcionar una ruta alternativa de menor energía

Ejemplo:

8. Actividad enzimática

• La actividad de una enzima se determina midiendo la cantidad producto formado (o de sustrato consumido) por unidad de tiempo.

• Una molécula de enzima no tiene por qué actuar siempre a la misma velocidad. Su actividad puede estar modulada por:a) Concentración de enzimab) Concentración sustratoc) Temperaturad) pHe) Inhibidores

a) Concentración de enzima

• La actividad enzimática es directamente proporcional a la concentración de la enzima, cuando se mantienen los otros factores ambientales constantes (temperatura y pH).

b) Concentración de sustrato

• Uno de los factores clave que afectan a la velocidad de una reacción catalizada por una enzima es la cantidad de sustrato presente, [S].

• La forma hiperbólica de esta curva se puede expresar algebraicamente mediante la ecuación de Michaelis- Menten:

• donde

Vmax = Velocidad máxima

Vo = Velocidad inicial [S] = Concentración del sustrato Km = Constante de Michaelis-Menten

SKm

S*max

V

oV

• Esta ecuación se puede transformar a una forma más útil de representar los datos experimentales, la ecuación denominada ecuación de Lineweaver-Burk

• Para las enzimas que obedecen la relación de Michaelis-Menten la gráfica de 1/Vo frente a 1/[S] da una línea recta

max

V

1

S

1*

maxV

Km

oV

1

• Para poder comparar una enzima con otra en cuanto a su poder catalítico debe estandarizarse al estado estacionario

• En el estado estacionario la velocidad de formación y desaparición del complejo ES se igualan.

• Se establece que Km = (k-1+k2)/k1

↔ES

k1

k-1

K2 S + E E+P

Km UN PARÁMETRO CINÉTICO IMPORTANTE

• Km es una relación de constantes de velocidad para una determinada reacción.

• Km es la concentración de sustrato para la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima. En efecto, si Km = [S], la ecuación de Michaelis-Menten se reduce a: v = Vmax/2.

• El valor de Km da idea de la afinidad de la enzima por el sustrato: A menor Km, mayor afinidad de la enzima por el sustrato, y a mayor Km, menor afinidad.

c) Temperatura

• En las reacciones catalizadas por enzimas los aumentos de temperatura aceleran las reacciones. Sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta temperatura, se empiezan a desnaturalizar por el calor. La temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima se llama temperatura óptima.

d) pH

• Los enzimas poseen grupos químicos ionizables (carboxilos -COOH; amino -NH2; tiol -SH, etc.) en las cadenas laterales de sus aminoácidos. Según el pH del medio, estos grupos pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o neutra. Como la conformación de las proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pH en el cual la conformación será la más adecuada para la actividad

catalítica. Este es el llamado pH óptimo.

d) Inhibidores

1.- Inhibidores Irreversibles• Unión covalente entre un compuesto y la enzima. • Este se une de manera irreversible al sitio activo de

la enzima.• Casi todos los inhibidores son sustancias tóxicas

naturales o sintéticas, tales como:• Cianuro• Sarín • Penicilina

2.- Inhibidores reversibles• Unión no covalente entre un compuesto y la enzima. • El compuesto inhibidor puede unirse al sitio activo

de la enzima o en otro sitio dejando libre el sitio activo.

• Este tipo de inhibidores pueden ser:• Competitivo• No competitivo

INHIBICION REVERSIBLE Competitiva No competitiva

El inhibidor compite con el sustrato por el sitio activo de la enzima

El inhibidor se fija a un sitio distinto al sitio activo

Impide la formación del complejo enzima- sustrato

No se bloquea la formación del complejo enzima-sustrato

Competitiva No competitiva El inhibidor se parece al sustrato y

puede formar el complejo enzima-inhibidor

El inhibidor no se parece al sustrato

Impide la formación del complejo enzima- sustrato

No se bloquea la formación del complejo enzima-sustrato

La enzima no puede unirse al sustrato

La enzima se inactiva al unirse al inhibidor estando o no unido el sustrato

Puede anularse el efecto del

inhibidor aumentando la concentración de enzima

No se puede anular el efecto con el aumento del sustrato

Si aumenta la concentración de sustrato, se minimiza la probabilidad que se forme el complejo enzima-inhibidor

El inhibidor disminuye la concentración de enzima

La velocidad máxima de la reacción es norma

Por lo tanto disminuye la velocidad máxima

Aumenta Km

No tiene efecto sobre Km

1/V

1/S

inhibidor

Sin inhibidor

1/ Vmax

-1/ Km

1/V

1/S

inhibidor

Sin inhibidor 1/ Vmax

-1/ Km

9. Regulación de la actividad enzimática

• Dentro de las células se llevan a cabo infinidad de procesos metabólicos, todos ellos relacionados entre sí, de manera que deben estar controlados en forma precisa.

• Para lograr esta coordinación metabólica es preciso disponer de mecanismos de control o regulación adecuados (enzimas reguladoras).

• Existen distintos tipos de mecanismos regulatorios de la actividad enzimática:

a) Control a nivel de sustrato

b) Inhibición por retroalimentación

c) Moduladores alostéricos

d) Regulación por modificación covalente

e) Regulación genética

a) Control a nivel de sustrato

• Parte de la regulación enzimática se produce de una forma sencilla, mediante la interacción directa de los sustratos y los productos de cada reacción catalizada enzimáticamente con la propia enzima.

• Sin embargo, el control a nivel de sustrato no es suficiente para la regulación de muchas rutas

metabólicas.

b) Inhibición por retroalimentación

• Las enzimas suelen estar dispuestas en “líneas de ensamblaje” para llevar a cabo los pasos secuenciales necesarios en una ruta metabólica.

• Generalmente en estos casos el producto de la última reacción de la vía metabólica, actúa inhibiendo a las enzimas que intervienen en los primeros pasos, retroalimentación negativa.

El producto final es un inhibidor de la enzima reguladora, la cual cataliza la primera etapa

comprometida.

c) Moduladores alostéricos

• Este tipo de regulación ocurre solo en las enzimas alostéricas, que son enzimas que por lo general tienen estructura cuaternaria y además del sitio activo poseen otros capaces de reconocer efectores o moduladores, que se denomina sitios alostéricos..

• Las enzimas alostéricas son proteínas con múltiples subunidades, con múltiples lugares activos (sitios activos y sitios alostéricos)

• Presentan cooperatividad de unión del sustrato (homoaloterismo) y una regulación de su actividad por otras moléculas efectoras (heteroalosterismo).

• La principal ventaja del control alostérico se encuentra en los efectores heteroalostéricos, que pueden ser inhibidores o activadores.

• Los moduladores alostéricos se fijan de forma no covalente a las enzimas que regulan.

d) Por modificación covalente

• Algunas enzimas están totalmente inactivas hasta que la altera una modificación covalente.

• La enzima se une covalentemente a algún grupo químico y de esta forma se activa o se inactiva la enzima.

• El grupo que más frecuentemente interviene en este tipo de regulación es el grupo fosfato (P) (fosforilación y desfosforilación )

• Otro tipo de activación enzimática covalente es la ruptura proteolítica.

• Pertenecen a este grupo la tripsina, quimotripsina, la elastasa y la carboxipeptidasa.

• Todas se sintetizan en el páncreas en su forma inactiva, moléculas ligeramente más grandes, cataliticamente inactivas, denominadas zimógenos.

• Los zimógenos deben romperse proteolíticamente en el intestino para producir las enzimas activas.

• Estas enzimas se degradan tras haber cumplido sus fines, por lo que no ponen en peligro el tejido intestinal.

e) Regulación genética

• Involucra el control a nivel del ADN.

• El ADN es la molécula que almacena la información para la síntesis de proteínas de acuerdo al siguiente flujo de información:

• De manera que si podemos impedir el pasaje de ADN a ARNm (transcripción) impedimos la síntesis de la enzima y por ende no se catalizará la reacción en la que dicha enzima interviene.