Actividades de las enzimas y velocidad de reacciónLos enzimas son biocatalizadores producidos en las células, que catalizan, es decir facilitan y aceleran las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos, ya que disminuyen la energía de activación que se necesita para que tengan lugar dichas reacciones, permitiendo que se produzcan a velocidades y temperaturas adecuadas.

Mecanismo de acción enzimática

Una enzima, por sí misma, no puede llevar a cabo una reacción, su función es modificar la velocidad de la reacción, entendiéndose como tal la cantidad de producto formado por unidad de tiempo. Tal variación se debe a la disminución de la energía de activación Ea; en una reacción química, la Ea es la energía necesaria para convertir los reactivos en formas moleculares inestables denominadas especies en estado de transición, que poseen mayor energía libre que los reactivos y los productos.

En el diagrama están representados los niveles de energía, durante el curso de la reacción, de moléculas intervinientes en una reacción tipo: A + B ---> C. La curva azul muestra el curso de la reacción en ausencia de una enzima que facilite la reacción, mientras que la curva roja la muestra en presencia de la enzima específica de la reacción. La diferencia en el nivel de energía entre el estado inicial y la necesaria para iniciar la reacción (picos de las curvas) es la energía de activación. Tal como se observa la presencia de enzima baja la energía de activación.

El complejo Enzima- sustrato posee menor energía de activación que las especies en estado de transición que la correspondiente reacción no catalizada.

Factores que influyen en la actividad enzimática

La eficacia de un enzima se mide por la velocidad de transformación del sustrato en producto. La actividad de las enzimas se ve afectada por diversos factores entre los que destacan los siguientes:

Concentración del sustrato

En toda reacción catalizada por un enzima, si se mantiene constante la concentración del E, la velocidad de la reacción aumenta exponencialmente al incrementarse la concentración del sustrato, ya que al existir más moléculas de sustrato es más probable el encuentro con el enzima y la formación del complejo E-S.

Este aumento de velocidad es rápido para concentraciones bajas de sustrato y, a medida que este aumenta, se va haciendo más lento hasta que la concentración del sustrato alcanza un cierto valor, a partir del cual, aunque aumente la concentración del mismo, no aumenta la velocidad de la reacción. Esto es debido a que el enzima esta saturada por el sustrato; es decir, todas las moléculas del enzima están unidas al sustrato formando el complejo E-S. Cuando ocurre esto, se dice que la reacción ha alcanzado la velocidad máxima.

En 1913 Leonor Michaelis y a Maud Menten estudiaron la variación de la velocidad de una reacción enzimática en función de la concentración del sustrato y propusieron la siguiente ecuación, que es válida para concentraciones de sustrato no saturante.

Dónde:

V es la velocidad de la reacción para una determinada concentración de sustrato.

Vmax es la velocidad máxima de la reacción.

[S] es la concentración del sustrato.

Km es una constante denominada constante de Michaelis-Menten, es característica de cada enzima.

Si en la ecuación (1) hacemos V = ½ Vmax y despejamos Km obtenemos que Km = [S]

Km. Se puede definir como la concentración de sustrato necesario para que la velocidad de la reacción sea la mitad de la velocidad máxima. Se mide en unidades de concentración. La Km nos indica la afinidad de un enzima por su sustrato:

·Si Km es alta indica que el enzima tiene poca afinidad por el sustrato ya que se necesita una concentración de sustrato elevada para alcanzar la mitad de la velocidad máxima.

·Si Km es baja indica que el enzima tiene mucha afinidad por el sustrato ya que se necesita una concentración de sustrato baja para alcanzar la mitad de la velocidad máxima.

Temperatura

La Tª influye en la actividad enzimática. En general por cada 10ºC que aumente la temperatura la velocidad de la reacción aumenta de 2 a 4 veces. Esta regla se cumple hasta que la temperatura alcanza un valor máximo (Tª óptima) donde la actividad es máxima. Esto se debe a que al aumentar la Tª aumenta el movimiento de las moléculas y, por tanto aumenta la probabilidad de encuentro entre el S y el E.

Si la Tª aumenta por encima de la Tª óptima, disminuye e incluso cesa la actividad enzimática debido a que la enzima se desnaturaliza.

Cada enzima posee una Tª óptima, en las enzimas humanas suele estar alrededor de 37ºC. Los animales poiquilotermos debido a que carecen de mecanismos para regular la Tª corporal, se ven obligados a hibernar en la estación fría pues la actividad de sus enzimas debido a las bajas temperaturas es muy baja.

pH

El pH es otro factor que influye en la actividad enzimática, debido a que el pH influye en la ionización de los grupos funcionales de los aminoácidos que forman la proteína enzimática. Cada enzima realiza su acción dentro de un determinado intervalo de pH, dentro de este intervalo habrá un pH óptimo donde la actividad enzimática será máxima. Por debajo del pH mínimo o por encima del pH máximo el enzima se inactiva ya que se desnaturaliza. En la mayoría de las enzimas el pH óptimo está próximo a la neutralidad, aunque hay excepciones.

Inhibidores

Son compuestos químicos que se unen al enzima, en distintos puntos del mismo y disminuyen o incluso impiden su actividad. Estos compuestos pueden ser de distintos tipos: iones, moléculas orgánicas y a veces el producto final de la reacción. A la acción que realizan se la denomina inhibición. La inhibición puede ser:

·Inhibición irreversible: Cuando el inhibidor impide permanentemente la actividad enzimática, bien porque se une de forma permanente con grupos funcionales importantes del centro activo o bien porque altera su estructura. A estos inhibidores se les denomina venenos y a la inhibición que realizan se la denomina envenenamiento del enzima. Ej. La penicilina que inhibe las enzimas que sintetizan la pared bacteriana. El ión cianuro actúa sobre la citocromo oxidasa (enzima respiratorio).

·Inhibición reversible: El inhibidor se une al enzima de forma temporal mediante enlaces débiles e impide el normal funcionamiento del mismo, pero no la inutiliza permanentemente.

Puede ser de dos tipos:

Competitiva: El inhibidor es similar al sustrato y se puede unir al centro activo del enzima impidiendo que lo haga el sustrato. Es decir ambos, inhibidor y sustrato compiten por unirse al centro activo del enzima. La acción suele anularse aumentando la concentración del sustrato

No competitiva: El inhibidor no compite con el sustrato, puede actuar de 2 formas:

-Sobre el enzima, uniéndose a él en un lugar diferente al centro activo y modificando su estructura lo que dificulta que el enzima se pueda unir con el sustrato.

-Sobre el complejo E-S uniéndose a él y dificultando su desintegración y por lo tanto la formación de los productos.

Objetivos:

Conocer el efecto de la temperatura en la actividad enzimática de la catalasa.Identificar las temperaturas que producen una menor o mayor actividad enzimática.Observará como influye el estado físico del hígado (entero y molido) en la actividad enzimática.

Experimento:

Materiales:

Procedimiento

- Se tritura un poco del hígado de pollo con el mortero (se agrega agua destilada). - Luego filtrarlo mediante un colador y gasa fina que impedirá que el paso de los trozos

de hígado que no hayan podido ser triturados.- Se deja un trozo de hígado sin triturar.

- Se coloca en 10 tubos 1 ml. De solución de enzima. En el tubo restante se coloca un trocito de hígado.

- Se separa 4 tubos: 2 se colocan en agua caliente y 2 en hielo (se utilizaran después).

- También se aparte un tubo para que sea entibiado con el calor de la mano de alguna compañera del grupo.

1. Acción de la catalasa

- En el primer tubo con 1 ml. de solución de enzima agregamos 1 ml. de agua oxigenada (H2O2).

- Tenemos que el agua oxigenada se ha descompuesto ya que la catalasa está actuando de manera de lo divide:

2 H2O2 2 H2O + ½ O

- Se produce una reacción instantánea.

2. Efecto de la concentración de enzimas

- En el segundo tubo con 1 trocito de hígado agregamos 1 ml. de agua oxigenada (H2O2).

- En el tercer tubo con 1 ml. de solución de enzima agregamos 1 ml. de agua oxigenada (H2O2).

- Tenemos que en el segundo hay una mayor concentración por lo que la reacción enzimática es mejor por el contrario, en el tercer tubo la concentración enzimática es menor y se da una menor reacción enzimática.

- Las reacciones serian para el segundo tubo moderado y para el tercero rápida.

3. Efecto de temperatura

- En el cuarto tubo con 1 ml. de solución de enzima (hielo) agregamos 1 ml. de agua oxigenada (H2O2).

- En el quinto tubo con 1 ml. de solución de enzima (T° corporal) agregamos 1ml. de agua oxigenada (H2O2).

- En el sexto tubo con 1 ml. de solución de enzima (100 °C) agregamos 1 ml. de agua oxigenada (H2O2).

- Para toda reacción enzimática debemos tener una temperatura óptica por lo que observamos que en el cuarto tubo con solución enzimática en hielo la reacción fue moderada, en agua caliente fue nula (se desnaturaliza) y en la de calor corporal fue reacción instantánea.

CATALASA

4. Efecto de pH

- En el séptimo tubo con 1 ml. de solución de enzima agregamos ácido clorhídrico (HCl) mas 1 ml. de agua oxigenada (H2O2).

- En el octavo tubo con 1 ml. de solución de enzima agregamos agua destilada más 1 ml. de agua oxigenada (H2O2).

- En el noveno tubo con 1 ml. de solución de enzima agregamos hidróxido de sodio (NaOH) mas 1 ml. de agua oxigenada (H2O2).

- Observamos que la reacción fue nula para el séptimo tubo con ácido clorhídrico ya que este por ser un ácido fuerte desnaturaliza a la solución de enzima, una reacción moderada para el octavo tubo ya que el pH del agua es neutro y en el noveno tubo la reacción fue lenta ya que está en un pH alcalino.

5. Efecto de la concentración del sustrato

- En el décimo tubo con 1 ml. de solución de enzima agregamos agua destilada más 1 ml. de agua oxigenada (H2O2).

- En el onceavo tubo con 1 ml. de solución de enzima agregamos 1 ml. de agua oxigenada (H2O2).

- Pudimos observar en el décimo tubo una reacción moderada ya que el agua destilada baja la concentración en cambio, en el onceavo fue instantánea por lo que no había presencia de agua la reacción tuvo una mayor concentración.

Conclusiones:

En la acción de la catalasa actúa descomponiendo los elementos de hidrogeno y oxigeno del agua oxigenada y a su vez provocando una reacción instantánea con el exceso de burbujas que se puede observar en el primer tubo. En el efecto de concentración de enzimas decimos que a una mayor concentración hay una mejor reacción enzimática en este caso rápida por la cantidad de burbujas que salieron del hígado triturado más el agua oxigenada en cambio, una menor concentración conlleva a una baja reacción enzima como paso con el hígado sin triturar por lo que tuvo una moderada cantidad de burbujas. En efecto de la temperatura sabemos que de be de haber una temperatura óptima para que se realice la reacción enzimática pero en estos casos el tubo que estuvo expuesto al hielo por tener una baja temperatura se desnaturalizo al igual que el tubo que estuvo a altas temperaturas en el agua caliente, en estos dos casos se produce la desnaturalización ya que no se encuentran a una temperatura optima, reaccionando con el hielo con una reacción moderada de burbujas y agua caliente con una reacción nula; por otra parte la temperatura corporal produce una reacción instantánea. En el efecto del pH el rango de pH óptimo también es muy variable entre las diferentes enzimas. Si el pH del medio se aleja del óptimo de la enzima, esta verá modificada su carga eléctrica al aceptar o donar protones, lo que modificará la estructura de los aminoácidos y por tanto la actividad enzimática. El ácido clorhídrico por tener un pH acido se desnaturaliza por lo que tiene una reacción nula, el agua tiene un pH neutro y produce una reacción moderada de burbujas y por último el hidróxido de sodio tiene un pH alcalino reaccionando de manera más lenta. En la concentración del sustrato la proporción tiene que ser proporcional y lo vemos en el onceavo tuvo con una reacción rápida y de menor manera en decimo tubo con una reacción moderada de burbujas.

Cuestionario1. ¿Por qué se desnaturaliza la proteína antes de la digestión?

Dado que las sustancias que intervienen en estas reacciones son, generalmente, muy estables, se requeriría una gran cantidad de energía para que reaccionaran entre sí, ya que, si no, la velocidad de reacción sería nula o demasiado lenta. Para acelerar la reacción en un laboratorio bastaría con aumentar la temperatura o bien con añadir un catalizador, es decir, una sustancia que aumente la velocidad de la reacción.

2. ¿Cómo se prueba que hay hidrolisis péptida? Boca: lipasa bucal estómago: lipasa gástrica Intestino delgado: lipasa pancreática-colipasa, esterasa del colesterol, lipasa pancreática dependiente de sales biliares. Estas últimas son la que producen la mayor hidrolisis, las provenientes del páncreas y las sales biliares

3. ¿Cómo actúa cada enzima de la mezcla enzimática? En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas moléculas denominadas Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo la energía de Cada secuencia de aminoácidos es única y por tanto da lugar a una y se mide la concentración de la mezcla en un breve espacio de tiempo.

4. ¿Cuáles fueron los fundamentos de cada reacción efectuada?- Descomposición del agua oxigenada en sus elementos básicos por acción de la

catalasa.- Comprobación de la concentración enzimática a una mayor o menor velocidad de

reacción. - Tener una temperatura óptima para evitar la desnaturalización de la catalasa por

temperaturas frías o muy calientes. - Se comprueba la acción de la catalasa frente a los cambios d pH.- Una mayor concentración del sustrato cuando se es proporcional.

5. Escriba la reacción de la catalasa La reacción de la catalasa sobre el H2O2, es la siguiente:La catalasa es una enzima que se encuentra en las células de los tejidos animales y vegetales. La función de esta enzima en los tejidos es necesaria porque durante el metabolismo celular, se forma una molécula tóxica que es el peróxido de hidrógeno, H2O2 (agua oxigenada.) Esta enzima, la catalasa, lo descompone en agua y oxígeno, por lo que se soluciona el problema.

6. Defina los siguientes términos: - Actividad enzimática: Una unidad de actividad enzimática (símbolo U) es la cantidad

de enzima que catalizarla conversión de1µmoldesustratoporminuto.Se utiliza también en combinación con otras unidades (para señalar, respectivamente, la actividad enzimática específica o la concentración de actividad enzimática.

- Vmax: Esa es la velocidad máxima (Vmax) de la enzima. En ese caso, los sitios activos de la enzima están saturados con sustrato.

- Inhibición enzimática: La inhibición no competitiva (o alostérica) es un tipo de inhibición que reduce la tasa máxima de una reacción química (Vmax) sin cambiar la afinidad aparente de unión del catalizador por el sustrato inhibidor competitivo es muy similar al sustrato normal de la enzima. Dada esa similitud estructural, este tipo de inhibidor se une reversiblemente al foco activo de la enzima.