Profesora: María Antonia Rojas Serrano

CATALIZADORES BIOLÓGICOS

Los catalizadores biológicos o biocatalizadores de las reacciones metabólicas del organismo son las enzimas.

Todas las enzimas son proteínas, pero pueden estar formadas únicamente por cadenas polipeptídicas o contener, además otro grupo no proteico.

La parte proteica se denomina apoenzima; mientras que la parte no proteica puede denominarse grupo prostético si la unión con la enzima es fuerte (covalente) o cofactor si la unión con la apoenzima es débil.

Este cofactor puede ser un catión metálico (Zn+2 , Ca+2 , Mg+2,

Fe+2 ) o una molécula orgánica, denominándose en este caso coenzima. Las coenzimas constituyen un grupo molecular muy diverso que comprende numerosos derivados de las vitaminas, como: NAD+, NADP+, FAD y coenzima A.

ENZIMASCatalizadores

biológicos

Parte proteica: APOENZIMA

Parte no proteica

GRUPO PROSTÉTICO (unión fuertes)

COFACTOR (unión débil)

ION METÁLICO (Mg+2 , Fe+2 , Ca+2)

COENZIMA(molécula orgánica)

La apoenzima es la parte encargada de proporcionar la estructura espacial de la enzima que permite la unión con el sustrato.

El cofactor o grupo prostético es la parte de la enzima encargada de llevar a cabo la reacción.

La enzimas, al igual que las proteínas, se desnaturalizan al ser sometidas a cambios de pH, a variaciones de temperatura y a elevadas concentraciones salinas.

Presentan un alto grado de especificidad, pueden ser específicas para un determinado sustrato o para una reacción concreta.

Las enzimas no se consumen en el transcurso de las reacciones. Por lo que una misma enzima puede actuar de manera repetida y se necesita poca cantidad de enzima para producir grandes cantidades de productos.

MECANISMOS DE LAS REACCIONES ENZIMÁTICAS

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 los productos.

Este estado en el que los enlaces de los reactivos están debilitados o rotos, pero aún no se han formado los nuevos, se conoce como estado de transición o estado activado.

La acción catalizadora de la enzimas consiste en rebajar la energía de activación para llegar fácilmente al estado de transición y permitir que la reacción se lleve a cabo.

En definitiva, las enzimas únicamente ayudan a que se produzca la reacción.

Cuando un sustrato se encuentra con la enzima correspondiente, la reacción se desarrolla de la siguiente manera:

En primer lugar, el sustrato se une a la apoenzima formando el complejo enzima-sustrato (ES). Esta unión se caracteriza por un alto grado de especificidad, de modo que para cada tipo de sustrato se necesita una enzima concreta.

La especificidad enzimática se debe a la estructura proteica de la enzima, la cual presenta una zona denominada centro activo, en donde se acopla el sustrato. Este acoplamiento se ha comparado con el que existe entre una llave y su cerradura (sólo es posible abrirla si los salientes y entrantes de una y otra encajan).

En la actualidad, se ha comprobado que en algunas enzimas el centro activo es capaz de modificar su forma para adaptarse al sustrato, a este proceso se denomina acoplamiento inducido. Sería algo parecido a la introducción de una mano en un guante.

Los radicales de los aminoácidos del centro activo se unen al sustrato y consiguen debilitar sus enlaces provocando cambios energéticos que permiten alcanzar el estado de transición.

E + S ES

La unión es reversible, pues una parte del complejo enzima-sustrato se disocia, y precisamente esta reversibilidad es la que hace que esta etapa sea tan lenta.

Una vez formado el complejo enzima sustrato (ES), el cofactor lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final (P). Esta etapa es muy rápida e irreversible.

E + S ES E + P

En el caso de que no existan cofactores, la acción catalítica la realizan algunos aminoácidos del propio centro activo.

El producto se libera del centro activo y la enzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas sustrato.

CINÉTICA ENZIMÁTICA

Si se representa gráficamente la velocidad con que aparece el producto de una reacción, en función de la concentración de sustrato, para una cantidad constante de enzima, se obtiene una gráfica del siguiente tipo:

Al aumentar la concentración de sustrato, aumenta también la velocidad de la reacción. Esto resulta lógico, ya que mientras existe enzima libre, a mayor número de moléculas de sustrato, más moléculas de producto aparecerán. Pero llega un momento en que, a pesar de que la concentración de sustrato aumente, la velocidad no varía, esto ocurre cuando todas las enzimas están unidas al sustrato.

En la reacción enzimática, la etapa limitante (más lenta) corresponde a la unión del sustrato al centro activo para formar el complejo ES, pues como se ha visto es reversible.

Existe, por tanto una constante de equilibrio (ke) que se calcula mediante la ecuación:

Para calcular dicha constante, es preciso conocer la concentración de enzima libre y la concentración de enzima que forma el complejo ES, valores que no se pueden establecer directamente.

Sin embargo, cuando la velocidad de la reacción es la mitad de la máxima, el número de moléculas de enzima libre es igual al de enzimas ocupadas.

[E] = [ES]

La expresión de la constante de equilibrio en esta situación es:

Ke = [S]

A esta constante se le denomina como KM o constante de Michaelis-Menten y se define como la concentración de sustrato para la cual la reacción alcanza la velocidad semimáxima.

La 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.

La KM se calcula observando en la gráfica a qué concentración de sustrato corresponde la mitad del valor de velocidad máxima.

FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD ENZIMÁTICA

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

Entre los factores que pueden modificar la velocidad de dichas reacciones están:

La concentración del sustrato: la velocidad aumenta conforme aumenta la concentración de sustrato, hasta que la enzima se satura, alcanzándose en ese momento la velocidad máxima.

El pH: cada enzima tiene un pH óptimo de actuación. Los valores por encima o por debajo de ese valor óptimo disminuyen la velocidad enzimática. Por debajo de un pH mínimo y por encima de un pH máximo, se produce la desnaturalización de la enzima.

La temperatura: al igual que con el pH, existe una temperatura óptima en la que la actividad enzimática es máxima. Las temperaturas inferiores a ese valor óptimo dan lugar a una disminución de la vibración molecular (energía cinética) que hace más lento el proceso, mientras que temperaturas superiores pueden provocar la desnaturalización de la enzima.

EFICACIA ENZIMÁTICALos procesos metabólicos se componen generalmente de secuencias de reacciones encadenadas llamadas rutas metabólicas. De tal forma, que el producto final de una reacción es el sustrato de la siguiente. Cada una de las sustancias que intervienen en una ruta metabólica, y sufre transformaciones durante el proceso recibe el nombre de metabolito.

Estas rutas pueden ser largas, por lo que el tiempo para llevarlas a cabo sería elevado. Esto se soluciona mediante una serie de mecanismos que permiten aumentar la eficacia de las enzimas, como:

Compartimentación celular: las enzimas implicadas en algunos procesos metabólicos se localizan juntas dentro de orgánulos celulares, aquí se encuentran más concentradas que si estuvieran dispersas por el citoplasma.

Reacciones en cascada: cuando el producto de una reacción actúa como enzima de otra; cuyo producto es una enzima que interviene en una reacción nueva, y así sucesivamente. Aumentando considerablemente la eficacia enzimática.

Complejos multienzimáticos: es una agrupación de enzimas que llevan a cabo reacciones consecutivas de una ruta metabólica. Por ejemplo, la enzima piruvato deshidrogenasa que está formada por tres enzimas y cinco coenzimas.

Existencia de isoenzimas: son moléculas enzimáticas que, aun teniendo la misma acción catalítica, poseen KM diferente, lo que hace que su velocidad sea distinta. Cada una de ellas se localiza en aquellos orgánulos donde se precisa una determinada velocidad.

Piruvato

REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

Las reacciones enzimáticas constituyen la clave de la actividad vital de una célula.

Esta actividad, sin embargo, no es siempre la misma. En un momento dado puede interesar aumentar la síntesis de un determinado producto, y en otro metabolizar un sustrato que acaba de aparecer; por lo que se deberá aumentar la actividad de las enzimas implicadas en uno u otro proceso.

Por otro lado, una vez conseguida la cantidad precisa del producto, la actividad enzimática debe cesar.

Para ello la célula dispone de una serie de mecanismos de regulación enzimática como la activación enzimática, la inhibición y el alosterismo.

Activación enzimática

La presencia de activadores permite que ciertas enzimas que se mantenían inactivas lleven a cabo su acción, es decir, se activen. Normalmente, la unión del activador hace que el centro activo adquiera la estructura adecuada para el acoplamiento del sustrato. Algunos cationes, como Mg+2 o Ca+2, desempeñan un papel importante como activadores enzimáticos.

También pueden actuar como activadores diversas molécula orgánicas, incluso el propio sustrato. Este último es un caso muy interesante y frecuente. La enzima permanece inactiva hasta que aparece el sustrato; es decir, si no hay sustrato, no es necesaria la actividad de la enzima correspondiente, pero si lo hay se produce la activación para que ese sustrato lleve a cabo la reacción, es decir, el sustrato activa su propia metabolización.

Inhibición enzimática

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

La inhibición puede ser irreversible, cuando el inhibidor se une a la enzima de forma covalente, alterando su estructura e inutilizándola permanentemente; a estos inhibidores irreversibles también se les denomina venenos metabólicos.

La inhibición reversible, tiene lugar cuando la enzima recupera su actividad una vez eliminada la sustancia inhibidora. Según el lugar de unión a la enzima se diferencian dos tipos: competitiva y no competitiva.

Inhibición reversible competitiva: en este caso el inhibidor se une al centro activo, impidiendo la unión de la enzima con el sustrato.

Inhibición reversible no competitiva: el inhibidor se une a otra zona de la enzima distinta del centro activo.

Alosterismo

Las enzimas alostéricas están formadas por varias subunidades (tienen estructura cuaternaria) y poseen varios centros de regulación (en ellos se pueden unir activadores o inhibidores).

Presentan dos conformaciones distintas: forma R (activa) o forma T (inactiva).

La activación o inhibición de una subunidad de la enzima alostérica provoca el mismo efecto en el resto de subunidades que la forman, por lo que actúan de forma cooperativa; permitiendo una regulación más rápida y se requiere menor cantidad de activador o inhibidor.

Esta cooperatividad es la responsable de que se vea modificada la cinética de Michaelis-Menten y presenten una gráfica sigmoidea.

CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMASPara denominar una enzima, primero se menciona el nombre del sustrato; a continuación, el nombre de la coenzima (si hay), y finalmente, la función que desempeña con la terminación -asa.

Aunque, genéricamente se emplea el nombre que indica el sutratoo el tipo de reacción que realiza, con la teminación –asa. Por ejemplo: sacarasa, enzima que hidroliza la sacarosa.

Según el tipo de reacción catalizada, las enzimas se clasifican en seis tipos:

OXIDORREDUCTASAS: reacciones de oxidación-reducción.

TRANSFERASAS: reacciones de transferencia de un grupo.

HIDROLASAS: reacciones de hidrólisis.

LIASAS: reacciones en las cuales se forman o se rompen enlaces dobles.

ISOMERASAS: reacciones de isomerización.

LIGASAS: reacciones de síntesis, formación de enlaces acoplados a hidrólisis de ATP

VITAMINASLas vitaminas son moléculas imprescindibles para el correcto funcionamiento orgánico.

Aunque no constituyen un grupo químico unitario( ya que tienen composiciones variadas) estos compuestos comparten dos características: se presentan en cantidades más pequeñasque otras moléculas biológicas y no pueden ser sintetizadaspor los animales, por lo que hemos de ingerirlas con la dieta (son esenciales). En otros casos, la flora bacteriana es la que aporta las vitaminas, como sucede con la vitamina K y algunas vitaminas B (B8 y B12) sintetizadas por las bacterias de nuestra flora intestinal.

Las provitaminas, son moléculas, contenidas en los alimentos que tras un cambio químico, producido en el organismo, dan lugar a la vitamina activa (como las vitaminas A y D).

Muchas vitaminas tienen función coenzimática, por lo que su carencia impide una adecuada actuación enzimática originando alteraciones metabólicas.

Las vitaminas se clasifican atendiendo a su solubilidad en:

Hidrosolubles: son solubles en agua y generalmente actúan como coenzimas o precursores de coenzimas. A este grupo pertenecen todas las vitaminas del complejo B y la vitamina C.

Liposolubles: son insolubles en agua, pero solubles en disolventes no polares. Son lípidos insaponificables. En este grupo se encuentran las vitaminas A, D, E y K.

En función de si existe carencia o exceso de vitaminas en el organismo, hablamos de:

• Avitaminosis: ausencia total de una o varias vitaminas.

• Hipovitaminosis: presencia insuficiente en la dieta de una determinada vitamina.

• Hipervitaminosis: exceso de vitaminas. Se debe a la acumulación de estas en el organismo, debido a que no pueden eliminarse por la orina. Son todas liposolubles.