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Tema 10 de Biología NSDiploma BI

Curso 2011-2013

Proteínas y enzimas 1/37

Proteínas y Enzimas2ª Parte: Enzimas

Metabolismo� El metabolismo es la suma de todas las reacciones químicas que ocurren en

un ser vivo, pudiendo distinguirse dos tipos de reacciones:

- Catabolismo. Aquellas reacciones que rompen moléculas complejas en lasmás sencillas que las forman.


- Anabolismo. Aquellasreacciones que utilizanenergía para construirmoléculas complejas apartir de otras mássencillas.

Rutas metabólicas� Casi todas la reacciones metabólicas en los oganismos están catalizadas

por enzimas. Muchas de estas reacciones ocurren en un determinadoorden o secuencia, denominadas rutas bioquímicas o metabólicas.

� Una ruta metabólica sencilla está constituida por una cadena dereacciones secuenciales, donde el producto de una reaccióncatalizada por un enzima, es el sustrato de la reacción catalizada por laenzima siguiente.


Animación1

Rutas metabólicas


� Algunas rutas metabólicasconsisten de ciclos dereacciones, y otras de tantociclos como de cadenas dereacciones (fotosíntesis yrespiración celular).

� Las rutas metabólicas se llevan acabo en compartimentos concretosde la célula donde se encuentrandisponibles las enzimas necesarias.

Enzimas� Concepto: Biocatalizadores de naturaleza proteica (excepto los

ribozimas) que ejercen su acción biológica uniéndose específicamentea determinadas moléculas (sustratos), sobre las que inducen cambiosquímicos, de forma que los convierten en moléculas diferentes(productos).

� Un catalizador es una sustancia que acelera un determinado procesoquímico o una reacción química concreta. Como no se modifican en elcurso de la catálisis, pueden utilizarse muchas veces.


� Intervienen a muybajas concentracionesy aceleran lasreacciones en las queparticipan sin sufrirmodificación alguna.

Especificidad enzimática-sustrato� En el interior celular se encuentran gran cantidad de moléculas

diferentes, posibilitando infinitas reacciones entre ellas.

� Sin embargo, a temperatura fisiológica, la mayoría de dichasreacciones no pueden ocurrir sin ayuda. Las enzimas multiplican lavelocidad de la reacción que catalizan, determinando qué reaccionesocurren en cada tipo celular.

� La especificidad de las enzimas se debe a que poseen en su superficieuna zona tridimensional activa, denominado sitio o centro activo, alcual se adapta perfectamente la molécula de sustrato, que debe teneruna geometría complementaria.


Animación2


� La unión del enzima con su sustrato puede seguir dos modelos:

- Modelo de llave-cerradura: cada enzima (cerradura) sólo puede unirse(abrirse) con su correspondiente sustrato (llave).

Especificidad enzimática-sustrato

- Modelo del acoplamientoinducido: muchos enzimasno presentan el centroactivo tan rígido comopropone el anterior modelo.Se parece más bien a unguante (centro activo) queadopta la forma de la mano(sustrato) al ponerlo.


� En el modelo del acoplamiento inducido, es el propio sustrato el queinduce el cambio conformacional del centro activo, el cual sólo adopta laforma totalmente complementaria a la del sustrato después de unirse a él.

� Este modelo, a diferencia del de llave-cerradura, donde cada sustrato esespecífico para cada enzima, podría explicar la capacidad de algunasenzimas para unirse a más de un sustrato.

Especificidad enzimática-sustrato

Web de Northland College


� Las verdades científicas suelen ser pragmáticas. Las aceptamos comoverdaderas ya que permiten hacer predicciones, es decir, funcionan y resultanoperativas.

� El científico alemán Emil Fischer fue el primero en proponer el modelo “llave-cerradura” para enzimas y sus sustratos en 1890. No fue hasta casi 100 añosdepués cuando Daniel Koshland sugirió en Estados Unidos que la unión delsustrato al sitio activo provocaba un cambio conformacional, por lo que sumodelo recibió el nombre de modelo de ajuste inducido.

Especificidad enzimática-sustrato y TdC

� Éste es un ejemplo de unmodelo o teoría aceptadosdurante muchos años queresultan desbancados porotro modelo que ofrece unaexplicación más completa ysatisfactoria de un proceso.

� Emil Fischer obtuvo elPremio Nóbel de Química en1902, ¿sabes por qué?


� Muchos enzimas están formados sólo por aminoácidos, pero otros,denominados holoenzimas, carecen en su centro activo de algún componentequímico necesario para la catálisis, por lo que necesitan de la ayuda dedeterminadas sustancias no proteicas denominadas cofactores. En estoscasos, la parte proteica de la holoenzima se denomina apoenzima, que seactiva al unirse al cofactor.

HoloenzimasBE

� El cofactor puede ser una molécula orgánica,en cuyo caso se denomina coenzima. Muchasvitaminas son coenzimas o precursoras decoenzimas. Otros coenzimas son el NAD+, elFAD, el coenzima A, Q, etc.

� En otras ocasiones los cofactores son ionesminerales (Mg, Zn, Cu, etc.)

Cuando el cofactor se encuentrafuertemente unido.

Mecanismo de acción enzimática� Cualquier reacción química se inicia con la rotura de ciertos enlaces entre los

átomos que constituyen las moléculas de los reactivos para formar,posteriormente, los nuevos enlaces que originan las moléculas de losproductos.

� Este estado, en el que los enlaces de los reactivos se encuentran debilitados orotos, pero aún no se han formado los nuevos, se denomina estado detrasición o estado activado.


� Para alcanzar el estado de transición yque la reacción tenga lugar, es precisocomunicar a los reactivos ciertaenergía, denominada energía deactivación.

� Esto ocurre tanto en reaccionesendotérmicas como en exotérmicas.

� En las reacciones espontáneas estaenergía de activación es tan baja quese obtiene de la propia energía cinéticade las moléculas o de la luz incidente.

Video1

Mecanismo de acción enzimática� La acción catalizadora de las enzimas consite en debilitar los enlaces de

los sustratos, disminuyendo la energía de activación para alcanzarfácilmente el estado de trasición y permitir que la reacción se lleve acabo. Sin la presencia de la enzima no es posible alcanzar el estado detransición espontáneamente.


Animación3

Web de Sumanasinc

Mecanismo de acción enzimática


� Las enzimas realizan su acción favoreciendo la aproximación de lasmoléculas de los reactivos, pero no actúan como tales.

� El centro activo de la enzima está formado por ciertos Aa, cuyas cadenaslaterales R aportan determinados grupos funcionales activos capaces decrear las condiciones físicoquímicas óptimas para que el sustratose transforme en producto. Así, algunos enzimas aportan en su centroactivo un ambiente iónico, otras generan un ambiente apolar, etc.

� Una reacción catalizada enzimáticamente consta de dos reaccioneselementales:

- En primer lugar el S se une al E en una reacción reversible para formarel complejo ES.

- Posteriormente, dicho complejo se descompone y da lugar al P y seregenera el E libre.

Cinética enzimáticaBE

� La cinética enzimática estudia la velocidad a la que transcurren lasreacciones catalizadas por enzimas y deduce la actividad del E, suafinidad por el S y los mecanismos a través de los cuales se lleva a cabola catálisis.

� Si se representa la velocidad con que aparece el P (moles de P porunidad de tiempo) de una determinada reacción enzimática, en funciónde la concentración de S inicial, para una cantidad constante de enzima,se obtine el siguiente gráfico:


� Al aumentar la concentración deS, aumenta la velocidad de lareacción, ya que mientrasexistan moléculas libres de E, amayor número de moléculas deS más P aparecerá.

� Sin embargo, llega un momentoen el que por más sustrato quese añada, la velocidad de lareacción no aumenta (Vmáx). Web kscience


� La Vmáx se alcanza cuando todas las enzimas están trabajando, es decir,tienen sus centros activos ocupados y forman complejos ES.

� Para aumentar dicha velocidad habría que aumentar la concentración deE, que se ha mantenido constante.

� Por tanto, la velocidad de una reacción enzimática es función de ambosparámetros: la cantidad de enzima y la concentración de sustrato.



� La cinética de una reacción catalizada enzimáticamente responde a laecuación de Michaelis-Menten:


� La constante de Michaelis(Km) se define como laconcentración de sustrato a lacual la velocidad de lareacción es la mitad de lavelocidad máxima.

� Esta constante es específicapara cada enzima y hacereferencia a la afinidad delenzima por el sustrato, y portanto, su eficacia catalítica.

� Cuando un E tiene un valorbajo de Km significa queconsigue una alta eficaciacatalítica incluso a bajasconcentraciones de S.

Regulación de la actividad enzimática: Sustrato

A la concentración óptima demoléculas de sustrato, todos lossitios activos están ocupados yfuncionando a su máxima eficiencia.


Cualquier incrementoen la concentraciónpor encima delóptimo no tendráningún efecto al nohaber sitios activosdisponibles.

Un incremento en laconcentración de sustratoconlleva un incremento en lavelocidad de la reacción.

Vmáx

Concentración de sustrato

Regulación de la actividad enzimática: Temperatura� Los enzimas son proteínas y como tales, su estructura, y por tanto, su

actividad, se ve influida por los mismos parámetros que afectan al restode proteínas.

� Como la función de los enzimas depende de la estructura terciaria ocuaternaria, la actividad puede llegara a desaparecer si se producencambios importantes de temperatura.


Regulación de la actividad enzimática: Temperatura


� La mayoría de las enzimas se inactivan, al desnaturalizarse, atemperaturas superiores a los 50 ºC, excepto las que se encuentran enbacterias termófilas.

� El descenso de Tª disminuye o anula la actividad enzimática, pero lasenzimas no se desnaturalizan, por lo que el proceso es reversible. Porello, los animales poiquilotermos se ven obligados a hibernar en laestación fría.

� Los demás animaleshomeotermos controlan sutemperatura mediantemecanismos homeostáticos,por lo que no necesitanhibernar. Existe unatemperatura óptima enque la actividad es máxima.

Regulación de la actividad enzimática: pH� Variaciones en el pH del medio interno ocasionan grandes cambios en la

actividad de los enzimas, pues se modifican las cargas superficiales y sealtera la conformación espacial de los enzimas.


� El pH óptimo, en el que la actividad es máxima, varía mucho en losdistintos enzimas. Así, la pepsina del estómago está adaptada a un pHácido, mientras que la tripsina del intestino está adaptada a un pH básico.

Regulación de la actividad enzimática: Inhibidores


� Determinadas sustancias se comportan como inhibidores de la actividadenzimática, ya que disminuyen, o incluso anulan, la velocidad de la reaccióncatalizada. Pueden ser inhibidores reversibles o irreversibles.

1) Inhibidores reversibles. Es la inhibición más común, donde el enzimavuelve a tener actividad una vez eliminada la sustancia inhibidora.La unión enzima-inhibidor se realiza por enlaces no covalentes, fáciles deromper. Hay dos tipos, según el lugar de unión del inhibidor: Competitiva yNo competitiva.



- Competitiva: El inhibidor es una sustancia muy parecida al sustrato, por loque compite con él para entrar en el sitio activo. Si entra el sustrato (a), seproduce la reacción, y si entra el inhibidor (b) no hay reacción, hasta que salgay pueda entrar un sustrato.

A mayor concentración de inhibidor, mayor competencia con el sustrato, por loque la tasa de reacción disminuye. Esta inhibición se reduce si se aumenta lacantidad de sustrato (cuestión de probabilidad). La Vmáx alcanzable coninhibidor es la misma que sin él.

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Ejemplo de Inhibidor Reversible Competitivo


� Un ejemplo clásico de inhibición competitiva es la del enzima succinatodeshidrogenasa por el ión malonato, al ser estructuralmente similar al iónsuccinato, que es el sustrato específico de dicha enzima.

� La enzima succinato deshidrogenasa forma parte del cicloKrebs, ruta metabólica mitocondrial que forma parte de larespiración celular para la obtención de energía.

� El malonato es un inhibidor de larespiración celular, al unirse al sitioactivo de la succinato deshidrogenasa enel ciclo de Krebs, compitiendo con elsuccinato. En la reacción de fosforilaciónoxidativa (fotosíntesis), el malonato esun inhibidor del complejo II que,nuevamente, contiene esta enzima.


� El tratamiento del alcoholismo es otro ejemplo de inhibición competitiva.

� El alcohol se metaboliza siguiendo la siguiente reacción:

� El antabuse (disulfiram) compite con el acetaldehídopor el sitio activo de la aldehído oxidasa, impidiendoque se forme ácido acético.

� La acumulación de acetaldehído provoca un fuertesentimiento de nausea y otros síntomas propios deresaca, un buen impedimento para beber.

� Antabuse se administra diariamente en forma depildora, por lo que su eficacia radica en la propiamotivación del paciente, ya que si no la toma,vuelver a beber.

Ejemplo de Inhibidor Reversible Competitivo



- No competitiva: El inhibidor se une al enzima por una zona distinta (sitioalostérico) al centro activo, por lo que no compite con el sustrato. La unión delinhibidor provoca en el enzima tal alteración de su estructura que dificulta elacoplamiento del sustrato.

Independientemente de la concentración de sustrato, a medida que laconcentración de inhibidor aumenta, la velocidad de la reacción disminuye. LaVmáx alcanzable con inhibidor es menor que sin él, al haber menos sitiosactivos funcionales.

� A finales del siglo XX, el óxido nítrico (NO)fue reconocido como una importantemolécula mensajera en mamíferos, siendoun importante regulador de muchasfunciones, incluyendo la vasodilatación y laneurotransmisión.

� El NO es una molécula gaseosa producidapor la desaminación de la arginina a citrulinapor la enzima óxido nítrico sintasa (NOS).

� Los opioides actúan como inhibidoresreversibles no competitivos de esta enzima,modificando su actividad enzimática.


Ejemplo de Inhibidor Reversible NO competitivo

� Los inhibidores ACE ayudan a controlar la presión sanguínea.

� El sistema Renina Angiotensina I & II (RAA)causa la vasoconstricción cuando la presiónsanguínea disminuye.

� En personas con hipertensión o falloscardíacos, la acción de la angiotensina IIpuede empeorar su estado.

� Los inhibidores ACE son medicamentosque inhiben las enzimas convertidorasde angiotensina, evitando un incrementode la presión sanguínea.

� Son inhibidores reversibles nocompetitivos.


Ejemplo de Inhibidor Reversible NO competitivo


Comparación inhibición Reversible Competitiva y NO competitiva

Competitiva NO competitiva

Inhibidor se une al sitio activo. Inhibidor se une a otro lugar distinto (sitio alostérico) del sitio activo.

Inhibidor similar estructuralmente al sustrato.

Inhibidor no similar estructuralmente al sustrato.

El inhibidor no cambia la forma del sitio activo del enzima.

El inhibidor cambia la forma del sitio activo del enzima.

Un incremento de la concentración de sustrato reduce la inhibición (aumenta la tasa de reacción).

Un incremento de la concentración de sustrato no afecta a la inhibición (no afecta a la tasa de reacción).

Un ejemplo es la succinato deshidrogenasa que es inhibida por el malonato.

Un ejemplo es la piruvato kinasa que es inhibida por la alanina.

Ambos tipos de inhibidores reducen la actividad enzimática.

Ambos tipos de inhibidores se unen al enzima.

Ambos tipos de inhibidores previenen que el sustrato se una al sitio activo del enzima.

Video2



2) Inhibidores irreversibles. Los inhibidores irreversibles songeneralmente específicos para un tipo de enzima y no inactivan acualquier proteína. Funcionan alterando específicamente la estructuratridimensional del sitio activo inhabilitándola. La unión de estos inhibidoresal enzima es mediante enlaces fuertes, como el covalente.

Los inhibidores irreversibles dan lugar a una inhibición dependiente deltiempo. La cantidad de enzima activa a una concentracion dada deinhibidor irreversible será diferente dependiendo del tiempo depreincubación del inhibidor con la enzima.

Enzimas alostéricos


� Son enzimas que, además del sitio activo, poseen un sitio o centroalostérico (regulador). Este segundo lugar es distinto al centro activo, ycuando se une a él la sustancia adecuada, inhibe o acelera las reaccióncatalizada por la enzima.

� Estas enzimas pueden adoptar dos conformaciones diferentes y estables,una activa y otra inactiva. El paso de una a otra está provocado por la uniónde ciertas sustancias al centro regulador. Hay dos posibilidades.

� En genaral, estosenzimas cuentancon más de unacadena polipetídica,presentandoestructura 4ª.



- Activación. Se debería decir hiperactivación, ya que en este caso launión del sustrato al centro alostérico modifica de tal forma al enzimaque aumenta su afinidad por el sustrato, con lo que aumenta lavelocidad de catálisis del enzima.

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- Inhibición por el producto final (feed-back negativo oretroinhibición). Cuando el producto final de una determinada cadenametabólica se encuentra en exceso, es capaz de unirse al centroalostérico de un enzima (generalmente al 1er enzima de la cadena) y leproduce un cambio en la conformación tal que, al cambiar el centroactivo, el enzima queda inhibido.

Ejemplo en la glucólisis. Hayenzimas regulables, el sustrato esla glucosa, el producto es ATP. Si sequiere que la glucosa no sedegrade, entonces el ATP mismoactúa como inhibidor. Cuando seacumula ATP inhibe la glucólisis.

Intolerancia a la lactosa� El disacárido lactosa está compuesto por una molécula de glucosa y otra

de galactosa, y constituye el principal carbohidrato presente en la leche.

� Para poder digerirlo es necesaria la enzima lactasa, presente en losmamíferos durante la lactancia, y que hidroliza el enlace glucosídicoentre ambos monosacáridos.

� A medida que un mamífero se vadesarrollando, la producción de lactasa en elorganismo se va haciendo menos abundante,hasta desaparecer.

� En general, a los mamíferos adultos les sientamal la lactosa, provocando una serie deproblemas digestivos, relativamente leves,pero lo bastante molestos como para hacermuy difícil el consumo de leche. Estossíntomas (diarrea, flatulencia) es lo que seconoce como intolerancia a la lactosa.


Intolerancia a la lactosa


� Hasta hace poco tiempo se pensaba que la capacidad de producirlactasa en la edad adulta era una capacidad única de los humanos. Sinembargo, algunos estudios han puesto de manifiesto que, en realidad,sólo algunos humanos adultos son tolerantes.

� Este rasgo presenta mucha variabilidad en las distintaspoblaciones. La tolerancia es muy frecuente en Europa Central y enregiones cuya población procede en buena parte de esta zona. EnHolanda, prácticamente todo el mundo es tolerante y en Japón,prácticamente nadie.

� El mapa adjunto muestrala distribución del %de intolerancia.

Intolerancia a la lactosa


� Hay indicios de que la capacidad para digerir lactosa más allá delperiodo de lactancia se debe a una mutación que ha sido objeto deselección natural.

� No todos los humanos tienen esta capacidad. De hecho, los últimosestudios demuestran que la mayoría no la tiene.

� En cualquier caso, setrata de uno de lospocos ejemplos bienfundamentados deevolución genética(relativamente) recienteen poblaciones humanasy pone de manifiesto lascomplejas interaccionesentre genes y cultura.

Soluciones a la intolerancia a la lactosa


1) Como suplemento de lactasa intestinal.

2) Para añadirse a la leche y reducir los niveles de lactosa.

La leche libre de lactosa se puede comseguir por diferentes métodos:

- Añadir la lactasa a la leche.

- Pasar la leche a través de filtros con lactasa inmovilizada.

� ¿Las personas con intolerancia a la lactosa no pueden consumir leche nininguno de los productos lacteos?

� La enzima lactasa es producida de forma natural por ciertas levaduras, porlo que es aislada por compañías biotecnológicas para su uso en elprocesado de alimentos. La lactasa así producida puede usarse :

Beneficios del uso de leche sin lactosa


� Además de posibilitar el consumo de leche y sus derivados por laspersonas con intolerancia a la lactosa, la producción de leche sin lactosatiene una serie de valores añadidos:

- Los monosacáridos glucosa y galactosa son más dulces que lalactosa, por lo que hay que añadir menos azúcar en la producción delácteos.

- Las bacterias lácticas fermentan estos monosacáridos másrápidamente que a la lactosa, por lo que la producción de yogur yrequesón es más rápida, con el consiguiente beneficio económico.

- Ambos monosacáridos son más solubles que la lactosa, lo quemejora la textura de los helados.

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