Tema 12 -Introducción al metabolismo

Tema 12

Introducción al metabolismo

Tema 12.- Introducción al metabolismo

1.- Introducción

2.- Concepto de metabolismo

2.1.- Tipos de metabolismo

2.2.- Estructura de las rutas metabólicas

2.3.- Control del metabolismo

3.- Estudio de las reacciones químicas

3.1.- Termodinámica química

3.2.- Cinética química

4.- Enzimas

4.1.- Propiedades

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4.2.- Composición

4.2.1.- Apoenzima

4.2.2.- Coenzimas

4.3.- Mecanismo de acción

4.4.- Cinética enzimática

4.5.- Factores que afectan la actividad enzimática

4.6.- Regulación de la actividad enzimática

4.7.- Clasificación

4.8.- Nomenclatura

1.- Introducción

En los seres vivos se producen constantemente miles de reacciones químicas de forma ordenada y rápida conocidas como metabolismo, conocer los mecanismos que emplean para realizarlo es crucial para comprender cómo funcionan los organismos.

Toda reacción química se rige por leyes físicas y químicas a las cuales los seres vivos han tenido que adaptarse, desarrollando toda una serie de moléculas orgánicas que facilitarán su funcionamiento interno. En este tema veremos primero las leyes generales que hay detrás de toda reacción química para pasar a estudiar los mecanismos empleados por las células.

Las moléculas que ocupan un lugar central en la consecución de toda reacción son las enzimas, las cuales permiten y controlan de forma específica todos los pasos necesarios. Junto con ellas existen otras sustancias que ayudarán a realizar la función de los enzimas, controlarán su actividad o intervendrán a su producción y formación como los coenzimas, las vitaminas o las hormonas.

Todas ellas, en su conjunto, son las responsables del metabolismo de los seres vivos y por esta razón su producción, su regulación y el lugar que ocupan en las células está fuertemente controlado para que cada una de las reacciones que se dan en la célula se efectúe con la máxima precisión.

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2.- Concepto de metabolismo

Una de las tres funciones vitales de los seres vivos es la nutrición, en ella se dan toda una serie de procesos químicos catalizados por enzimas con la finalidad de obtener materia y/o energía. El mecanismo es tomar materia y energía del exterior, después la materia se transforma en nuevas moléculas propias del organismo utilizando energía, que también puede ser almacena para usarla cuando y donde sea necesario.

El metabolismo se define como el conjunto de todos los procesos químicos, catalizados por enzimas, que se producen en el interior celular. Las moléculas que intervienen en el metabolismo se llaman metabolitos.

Los metabolitos iniciales se llaman sustratos y los finales productos, la transformación de unos a otros se consigue mediante la acción de enzimas específicos tanto del sustrato como de la reacción que llevan a cabo. Para la obtención de los productos finales normalmente se necesitan varias reacciones químicas encadenadas donde el producto de una reacción se convierte en sustrato de la siguiente, todas estas reacciones sucesivas se llaman rutas o vías metabólicas y las conexiones existentes entre diferentes vías metabólicas reciben el nombre de metabolismo intermediario.

Sustrato inicial

BA C D E

Producto final

Enzima 1 Enzima 2 Enzima 3 Enzima 4


El metabolismo está compuesto por miles de reacciones químicas pero todas ellas están ordenadas y coordinadas para conseguir una correcta manipulación de la materia y la energía, de esta forma se mantiene el estado vital de la célula.


Como el metabolismo es tan complejo se divide en dos fases principales atendiendo a los objetivos que cumple:

Catabolismo: Es una fase destructiva en la que moléculas complejas (glúcidos, ácidos grasos o proteínas) se degradan a moléculas más sencillas y menos energéticas mediante toda una serie de reacciones sucesivas. En esta degradación se libera energía (reacciones exergónicas) que se almacena en forma de ATP. Se divide en tres fases:

– Fase I: Las macromoléculas ingeridas en la dieta o acumuladas como sustancias de reserva (lípidos, polisacáridos y proteínas) se rompen o hidrolizan hasta sus monómeros (ácidos grasos y glicerina, monosacáridos y aminoácidos).

– Fase II: Los monómeros se transforman en moléculas más simples hasta converger todos ellos en acetil coenzima A (acetil-CoA) de forma que todas las moléculas orgánicas tienen un producto común que unificará, a partir de ahora, el final del catabolismo. Por esta razón se dice que las rutas catabólicas son convergentes.

– Fase III: El acetil-CoA se oxida totalmente hasta transformarlo en CO2 y H

2O.

La energía se va obteniendo a lo largo de las tres fases y se almacena en forma de ATP para utilizarla en el mantenimiento celular, en la producción de biomoléculas propias de la célula o para ser almacenarla.


Anabolismo: Es la fase constructiva, aquí se utilizan moléculas sencillas y poco energéticas para formar moléculas complejas. En estos procesos se requiere energía (reacciones endergónicas) en forma de ATP que se almacenará en las moléculas complejas producidas. Gracias a este proceso se fabrican moléculas propias del organismo y se producen sustancias de reserva que se usarán cuando sea necesario. Al igual que en el catabolismo se divide en tres fases:

– Fase I: A partir de moléculas inorgánicas como el CO2 o el NH

3 se forman unas

pocas moléculas orgánicas sencillas.

– Fase II: Las moléculas sencillas dan paso a un amplio número de monómeros.

– Fase III: La unión de los monómeros produce una gran variedad de polisacáridos, lípidos y proteínas. Por esta razón se dice que las rutas anabólicas son divergentes.

La división entre catabolismo y anabolismo se realiza para estudiar mejor todos los procesos pero hay que aclarar que no existe tal separación. Las dos fases se producen constantemente en la célula sin separación de tiempo o espacio. Además, las rutas metabólicas no son independientes de manera que un mismo metabolito podrá seguir un proceso u otro dependiendo del estado de la célula.

También hay que tener en cuenta que todas las reacciones se producen en medio acuoso (los reactivos y los productos están en disolución) y están acopladas (la energía liberada en una reacción exergónica es captada por una reacción endergónica).



Las rutas catabólicas son convergentes.

Las rutas anabólicasson divergentes.

Reacciones catabólicas Reacciones anabólicas● Reacciones de degradación. ● Reacciones de síntesis.

● Reacciones de oxidación. ● Reacciones de reducción.

● La reacción desprende energía. ● La reacción necesita energía.

● A partir de muchos sustratos diferentes se forman casi siempre los mismos productos (CO2, ácido pirúvico o etanol). Hay convergencia de productos.

● A partir de pocos sustratos se obtienen multitud de productos diferentes. Hay divergencia de productos.


2.1.- Tipos de metabolismo: Todos los procesos metabólicos han de empezar con la captación de materia y energía, en función del tipo de incorporación tendremos:

– Formas de obtener la materia:

● Autótrofa: Obtienen el C a partir de CO2 y los otros elementos como el N o el

S mediante sales minerales (adquieren la materia a partir de materia inorgánica). Lo hacen plantas, algas y bacterias.

● Heterótrofa: Obtienen la materia a partir de la ingesta de materia orgánica. Propio de animales, hongos, protozoos y bacterias.

– Formas de obtener la energía:

● Fotosintéticos: Obtienen la energía a partir de la luz.● Quimiosintéticos: Obtienen la energía a partir de las reacciones químicas

exergónicas, concretamente reacciones redox.

Atendiendo a estas formas de asimilar materia y energía dividiremos a las células en cuatro grandes grupos:


Fuente de materia

Autótrofos● Fuente de materia: Materia

inorgánica

Heterótrofos● Fuente de materia: Materia

orgánica

Fuente de

energía

Quimiosintéticos● Fuente de energía:

Reacciones redox

Quimiolitotrofos● Organismos: - Bacterias nitrificantes - Bacterias del azufre, del hidrógeno y del hierro

Quimioorganotrofos● Organismos: - Animales - Protozoos - Hongos - La mayoría de las bacterias

Fotosintéticos● Fuente de energía:

Luz solar

Fotolitotrofos● Organismos: - Plantas - Algas - Bacterias fotosintéticas como las cianobacterias

Fotoorganotrofos● Organismos: - Bacterias purpúreas


2.2.- Estructura de las rutas metabólicas: Con la complejidad que supone el metabolismo podemos encontrar rutas muy diferentes, con direcciones opuestas en función del estado celular e incluso compartimentadas en orgánulos celulares para controlar mejor las distintas rutas, si nos fijamos en la estructura que tienen se dividen en tres grupos:

– Rutas lineales: Un metabolito se irá transformando hasta llegar a un producto final pero sus intermediarios solo se emplean en esta ruta.

– Rutas ramificadas: Aquí los intermediarios se podrán emplear en varias rutas, en función de los estados celulares seguirá un camino u otro. En función del tipo de metabolismo tendremos:

● Rutas convergentes: Propias del catabolismo, aquí muchos metabolitos iniciales darán lugar a unos pocos productos.

● Rutas divergentes: Propias del anabolismo, a partir de unos pocos productos iniciales se forman multitud de productos finales.

– Rutas cíclicas: El metabolito inicial se une a otro (B en la figura) para formar un intermediario (C) que se irá transformando para obtener el producto a la vez que el metabolito B se regenera. Tendremos una ruta en la que se obtiene un producto a partir de un sustrato con intermediarios que no se consumen.


Ruta lineal

Ruta cíclica

Rutaramificada



2.3.- Control del metabolismo: La importancia del metabolismo se refleja en su control ya que todas las reacciones que se producen en la célula están fuertemente reguladas para evitar pérdidas energéticas, para evitar producir o eliminar productos no deseados o simplemente para mantener el medio interno en las condiciones óptimas. Las múltiples formas de control se pueden clasificar en tres grandes grupos:

– Control bioquímico: Todas las reacciones químicas que se producen en la célula ocurren gracias a la presencia de las enzimas las cuales permiten la reacción de compuestos que en condiciones ambientales no se darían. La regulación de las enzimas supone controlar el metabolismo.

– Control hormonal: Actúan sobre las células como mensajeros químicos regulando el metabolismo a nivel enzimático con la activación o inhibición de determinadas enzimas y, por ello, de las rutas metabólicas en las que intervienen o a nivel genético mediante la inducción o represión de genes que sintetizan enzimas.

– Control por compartimentación: Las rutas metabólicas se desarrollan en lugares específicos de las células para mejorar su eficacia y para que no interfieran unas con otras. Mientras la síntesis de lípidos se lleva a cabo en el retículo endoplasmático, la oxidación de los ácidos grasos se realiza en las mitocondrias y así procesos opuestos no se obstaculizan.

Antes de estudiar los procesos que se dan en el catabolismo y en el anabolismo se tienen que ver dos puntos claves:

– Hay que estudiar las características físico-químicas de las reacciones químicas para comprender cómo ocurre el proceso.

– Conocer las moléculas implicadas en realizar y permitir cada paso. Como el metabolismo es tan complejo, aparecen muchos compuestos orgánicos que permitirán la realización de cada paso a la vez que lo controlan para que todo funcione correctamente.

Todas las reacciones metabólicas están catalizadas por enzimas por lo que tienen un papel central en todos los pasos, pero además tendremos los coenzimas, moléculas orgánicas de naturaleza no proteica que se unen a los enzimas para que puedan ser funcionales (con esta unión la enzima alcanza la forma catalítica activa).

Coenzimas

Transportanenergía

Transportanelectrones

Transportangrupos químicos

Vitaminas

- ATP - GTP

- NAD - NADP - FAD

- Coenzima A(CoA)

- Liposolubles- Hidrosolubles


3.- Estudio de las reacciones químicas

A la hora de estudiar una reacción química, se pueden tener en cuenta dos factores:

– Termodinámica química: En todas las reacciones químicas se produce una transferencia de energía, normalmente en forma de calor, aquí se estudian estos cambios energéticos.

– Cinética química: El factor más importante en este caso es la velocidad de la reacción, su estudio es muy importante porque define cómo se produce la transformación de sustratos en productos.

3.1.- Termodinámica química: Los seres vivos son sistemas abiertos donde se produce constantemente un intercambio de materia y energía con el exterior, además, cada proceso que ocurra en el interior de una célula implica un manejo de la energía. Esto les ha permitido optimizar su metabolismo de forma que aprovecharán la mayor parte de la energía que se desprende de cada reacción al transformarla en energía química y una pequeña parte la pierden en forma de calor.

Pese a que las células son los sistemas más complejos y más optimizados que existen (mucho más que las máquinas actuales) están sujetos a una serie de leyes termodinámicas que no se pueden incumplir puesto que rigen las transformaciones energéticas de la materia.

Vamos a ver una pequeña introducción y las dos leyes fundamentales implicadas:


Los seres vivos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con el entorno. Esto significa que son capaces, por diferentes métodos, de captar materia y energía del medio que les rodea y transformarla para realizar un trabajo que les permita mantener su equilibrio interno:

– Obtención de energía: Si lo hacen a partir de la luz son fotosintéticos y si lo hacen a partir de compuestos químicos del entorno (nutrientes) quimiosintéticos.

– Transformación y utilización de la energía para realizar un trabajo biológico: La energía captada la almacenan en forma de energía química (ATP). Cuando la necesitan


Materia

Energía

Materia

Energía

necesitan pueden usarla como ocurre durante la biosíntesis de moléculas (anabolismo) o en los gradientes osmóticos (transporte contra gradiente). Pero también pueden convertirla en energía mecánica (contracción muscular) o en energía eléctrica (impulso nervioso).

– Los productos finales del metabolismo son el calor y moléculas simples como el CO

2 o el H

2O que se

expulsarán al exterior.

Primera ley de la termodinámica o de la conservación de la energía: La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Esto significa que la energía de un sistema y su ambiente permanecerá constante a pesar de los cambios de forma que se produzcan, por lo que la variación de energía del sistema será igual y de signo contrario a la variación de energía del entorno.

Si en un sistema se produce una transformación, la cantidad de energía variará, en esta variación intervienen dos factores:

También hay que definir la Energía interna (U) que es la energía total (energía cinética y energía potencial) de los componentes de un sistema. Este parámetro es una función de estado y por lo tanto su variación (ΔU) solo depende del estado inicial y final del sistema, o lo que es lo mismo, de las variaciones del Q y del W. De esta forma se extrae la ecuación del primer principio de la termodinámica:

Calor (Q): Transferencia de energía de un sistema a otro por una diferencia de temperatura entre ellos

Trabajo (W): Transferencia de energía de un sistema a otro por la acción de una fuerza.

La variación de la energía interna dependerá de las transferencias de energía en forma de calor y trabajo.

El signo de Q y W dependerá del sistema de referencia que se tome, es decir, si el calor y el trabajo lo transfiere el sistema o el entorno.

ΔU = Q + W


Segunda ley de la termodinámica: Esta ley determina la dirección que tomarán los procesos termodinámicos, por lo que impone restricciones a las transferencias de energía que se pudieran producir con la primera ley. La ley se puede formular de varias formas pero en general se dice que en un proceso espontáneo, el desorden del sistema y de su entorno siempre aumenta.

El desorden de un sistema se mide con la Entropía (S) y tal y como dice la ley, cuando su valor sea mayor que “0”, será un proceso espontáneo. Al ser una función de estado calcularemos sus variaciones (ΔS), la fórmula será:

La entropía es un factor muy importante para los seres vivos ya que en los organismos no hay desorden y siempre conservan su estructura con el paso del tiempo. Esto significa que el entorno tendrá que sufrir este desorden.

En los seres vivos se producirá un continuo consumo de energía aportado por la energía solar o por reacciones redox para mantener su orden interno y en el proceso se desprenderá al entorno una cantidad de energía igual pero en otro estado (normalmente en forma de calor), por lo que en el proceso global aumentará la entropía. Este factor determina el gran aporte energético que necesitan los organismos para mantener su estructura.


ΔStotal

= (ΔSsistema

+ ΔSentorno

) > 0 Si ΔS > 0: Aumenta la entropía en el sistema.Si ΔS < 0: Disminuye la entropía del sistema.

Otro concepto importante derivado de esta ley es la Entalpía (H), que se define como el contenido calórico de un sistema y por ello, su variación (ΔH) será el calor que se desprende o se absorbe del sistema:

La entropía no puede usarse para realizar un trabajo útil, la energía que puede usarse para tal fin se conoce como Energía libre o Energía de Gibbs (G) y se define como la parte de energía de un sistema capaz de realizar un trabajo biológico. Las variaciones en la energía libre (ΔG) nos indicarán si una reacción es factible o no y la dirección de dicha reacción. La dirección de una reacción espontánea será hacia donde la energía libre sea más baja.


Si ΔH > 0: Reacción endotérmica (absorbe calor).Si ΔH < 0: Reacción exotérmica (libera calor).

ΔG = 0: Proceso en equilibrio.ΔG > 0: Reacción endergónica. Consume energía y no es espontánea.ΔG < 0: Reacción exergónica. Genera energía y es espontánea.

Reactivos Productos G

r G

p

ΔG = Gp – G

r

ΔG = ΔH – T · ΔS

T = Temperatura absoluta en grados Kelvin


Proceso exergónico Proceso endergónico

Como la energía libre o sus variaciones dependen de la energía de los reactivos y de los productos implicados en una reacción, podremos definir ΔG atendiendo a sus concentraciones y a las condiciones en las que se desarrolla. Esto nos permitirá aplicar las leyes generales de la termodinámica a las condiciones particulares que tienen lugar dentro de las células y relacionarlas con sus constantes de equilibrio:

Si la reacción se encuentra en condiciones estándar, definidas a una temperatura de 25ºC, 1 atm de presión y las concentraciones iniciales de reactivos y de productos a 1M, entonces ΔG se define como ΔG0. Si tenemos en cuenta, además, las condiciones fisiológicas en las que se dan la mayor parte de las reacciones biológicas: el pH = 7, entonces la variación de la energía libre la expresaremos como ΔG0´ y la constante de equilibrio como K´

eq. La fórmula será:


[C] · [D]

[A] · [B]

Si definimos una reacción como:

Su constante de equilibrio será: Keq

=

Quedando la energía libre como:

A + B C + D

ΔG = - RT ln Keq

R es la constante de los gasesR = 8,314 J mol-1 K-1

T es la temperaturaSe mide en Kelvin (ºK)

ΔG0´ = - RT ln K´eq

Si recapitulamos los tres conceptos de energía libre vemos que:

● ΔG = Variación de la energía libre real. Es variable y depende de R, de la temperatura y de la concentración de los reactivos y de los productos.

● ΔG0 = Variación de la energía libre en condiciones estándar. Es un valor fijo para cada reacción. ΔG0 es el valor de ΔG de una reacción a 25ºC, 1 atm y [R y P] = 1M.

● ΔG0´ = Variación de la energía libre en condiciones estándar y fisiológicas. Es una constante con un valor fijo para cada reacción y una forma de expresar su constante de equilibrio (K´

eq) que también será constante y característica de cada reacción. ΔG0´ es el

valor de ΔG de una reacción a 25ºC, 1 atm, [R y P] = 1M y pH=7.

Por último, hay que tener en cuenta dos cosas: (1) que las células normalmente no están en condiciones estándar porque las concentraciones de reactivos y productos no son 1M y (2) que cuando la reacción está en equilibrio ΔG= 0. Por estas razones:


[C] · [D]

[A] · [B]ΔG = ΔG0 + RT ln

[C]eq

· [D]eq

[A]eq

· [B]eq

0 = ΔG0 + RT lnSi ΔG= 0

Equilibrio

ΔG0´ = - RT ln K´eq

ΔG0 = - RT ln Keq

Con estos datos podemos sacar una relación entre ΔG0´ y Kéq

y deducir la dirección en la que se produce una reacción:

● Kéq

< 1 ΔG0´ > 0 (+) Reacción endergónica R P

● Kéq

= 1 ΔG0´ = 0 Reacción en equilibrio R P

● Kéq

> 1 ΔG0´ < 0 (-) Reacción exergónica R P


Relación entre las constantes de equilibrio de reacciones químicas y sus

variaciones de energía estándar

La última característica que vamos a ver con respecto a la energía libre se centra en que las ΔG0´ de reacciones secuenciales son aditivas, por lo que la ΔG0´

total requerida para un

proceso de transformación en varios pasos será la suma de todas las ΔG0´ intermedias:

Por esta razón, las reacciones exergónicas se acoplan a las reacciones endergónicas para que puedan producirse, es decir, que la energía liberada en las primeras se utiliza para que puedan darse las segundas. El metabolismo funciona de esta forma para permitir todos aquellos procesos que no se dan espontáneamente y por esta razón el ATP es tan importante ya que aporta la energía necesaria para que ocurra una reacción y en el momento adecuado:


ΔG0´1

ΔG0´2

ΔG0´3

ΔG0´total

A B C D

A D

ΔG0´total

= ΔG0´1 + ΔG0´

2 + ΔG0´

3

A B

C D

ExergónicaΔG0´

1 < 0

ΔG0´2 > 0

Endergónica

ΔG0´total

= ΔG0´1 + ΔG0´

2

ΔG0´total

< 0 Reacción exergónica

Un ejemplo de acoplamiento energético es la fosforilación de la glucosa. La reacción de adición de un grupo fosfato requiere energía para poder producirse (reacción endergónica), esta energía se obtiene gracias al acoplamiento de la reacción de hidrólisis del ATP en ADP que es una reacción muy exergónica.

Al sumar las ΔG de ambas reacciones el resultado es negativo, o lo que es lo mismo, la reacción global de las dos es exergónica y por ello el proceso es favorable.


3.2.- Cinética química: Es el estudio de las velocidades de las reacciones químicas y de los mecanismos mediante los cuales tienen lugar. Al introducir la variable del tiempo introducimos el concepto de velocidad de reacción que se define como la rapidez a la que se modifica la concentración de reactivos en productos por unidad de tiempo.

Para analizar mejor la velocidad de una reacción podemos representar gráficamente la variación de las concentraciones de reactivos y productos a lo largo del tiempo, viendo que dicha velocidad varía a lo largo del proceso (cuanto menor es la concentración más lentamente reacciona):


d[R]

dtv = - = k[R]

k = Constante de velocidad que depende de la temperatura y de la propia reacción. Es un factor que relaciona la probabilidad de que los reactivos se transformen en productos.

Para entender correctamente el proceso que estamos viendo hay que tener presente dos conceptos:

Teoría de las colisiones: Las reacciones químicas se producen porque las moléculas implicadas chocan entre sí y en este proceso se forman moléculas nuevas como consecuencia de la rotura de sus enlaces, de la formación de enlaces nuevos o por ambas cosas a la vez. Pero un choque entre moléculas no implica necesariamente que se produzca la reacción, son necesarias dos condiciones:

– Orientación adecuada: Las moléculas han de chocar con la orientación adecuada para que el producto de la colisión sea el deseado.

– Energía suficiente: La energía cinética de las moléculas ha de ser la suficiente para producir el cambio en los reactivos. La energía mínima necesaria se denomina Energía de activación (Ea) y cuando la alcanzan se dice que las moléculas están activadas.


Estado de transición: Se relaciona con la energía de activación vista en el punto anterior ya que alcanzar el estado activado de las moléculas implica la adquisición de energía (Ea). Cuando las moléculas la adquieren llegan al denominado estado de transición y en este momento se debilitan algunos enlaces que poseen y empiezan a formarse unos nuevos lo que hace que su estructura sea muy inestable y se transformen en los productos.


Cuando la energía de activación sea pequeña la mayoría de las colisiones serán eficaces, los reactivos se transformarán en productos y aumentará la velocidad de la reacción. Si por el contrario la Ea es muy alta, la reacción ocurrirá más lentamente al ser ineficaces los choques producidos. Esto hace que algunas reacciones, aunque termodinámicamente sean favorables (ΔG < 0), no se producirán en determinadas condiciones o se dan muy lentamente.

Si la energía de los productos es menor que la de los reactivos estaremos ante una reacción exotérmica. Cuando la energía es mayor será endotérmica.


Como la velocidad de una reacción depende de la cantidad de choques eficaces entre los reactivos, se puede modificar si varían los siguientes factores:

– Estado físico del reactivo: La velocidad será mayor si el reactivo está en estado gaseoso o en disolución.

– Concentración del reactivo: Si hay más moléculas aumenta la probabilidad de que choquen entre ellas, aumentando la velocidad de la reacción.

– Temperatura: Si aumenta la temperatura lo hace también la energía cinética de las moléculas, por lo que habrá más moléculas que hayan alcanzado su energía de activación y la velocidad aumenta.

– Catalizadores: Disminuyen la energía de activación de manera que favorecen la reacción tal y como ocurre con la temperatura.

Es la función que desempeñan las enzimas puesto que los seres vivos (1) solo pueden desarrollar su metabolismo en medio acuoso, (2) no pueden variar la concentración de los reactivos a voluntad y (3) no pueden aumentar la temperatura a los límites requeridos por algunas reacciones. Esta es la razón de que las enzimas sean tan importantes para la vida, son las moléculas implicadas en permitir que se lleven a cabo en los seres vivos todas las reacciones químicas y en tiempos compatibles con la vida.



Efecto de la temperatura

Efecto de un catalizador

4.- Enzimas

Se definen como biocatalizadores de acción específica, es decir, son los catalizadores de las reacciones biológicas. Exceptuando a los ribozimas1, las enzimas son proteínas globulares solubles en agua y activas en condiciones intracelulares y extracelulares por lo que intervienen en prácticamente todas las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos. Su especificidad es muy alta, llegando a diferenciar entre esteroisómeros, lo que permite controlar cada una de las reacciones del metabolismo sin interferir entre ellas.

Los enzimas, al ser catalizadores, tienen la función de acelerar las reacciones químicas y lo hacen rebajando la energía de activación de los sustratos. Esto significa que no modifican la constante de equilibrio sino la velocidad a la que se consigue y sin modificar las condiciones de temperatura o concentración.

La capacidad de catalizador también implica que no se modifican durante su intervención en la reacción química ya que no son un reactivo de la misma, por lo que pueden actuar indefinidamente de forma que al terminar la reacción le liberan y vuelven a utilizarse. Por esta razón las enzimas se encuentran en pequeñas cantidades en la célula.

1 Ribozima: No son proteínas, son moléculas de ARN que actúan sobre sí mismos o sobre otros ARNs catalizando procesos de maduración (añaden, eliminan o modifican nucleótidos).


4.1.- Propiedades: Son las comentadas en la definición anterior, se derivan del hecho de ser proteínas y de actuar como catalizadores:

– Al ser proteínas:

● Son solubles en agua y activas a condiciones de temperatura y pH fisiológicas.● Peso molecular muy elevado, superan en tamaño a los sustratos que catalizan.● Al ser proteínas, su síntesis está regulada genéticamente.● Son muy específicas, actúan sobre una reacción sin interferir en otras.● Son muy activas, algunas consiguen aumentar la velocidad de la reacción más de

un millón de veces.

– Al actuar como catalizadores:

● Aceleran la reacción sin variar la constante de equilibrio. Se produce la misma cantidad de producto pero en menos tiempo.

● Son capaces de acelerar la reacción porque disminuyen la energía de activación de los reactivos.

● No se consumen durante la reacción, cuando finaliza vuelven a actuar.

¿Una reacción química catalizada por una enzima utiliza la misma cantidad de sustrato y genera la misma cantidad de producto que una reacción no catalizada?


4.2.- Composición: Podemos distinguir dos tipos de enzimas:

– Holoproteínas: Enzimas estrictamente proteicas, están compuestas exclusivamente por una o varias cadenas de aminoácidos.

– Holoenzimas: Enzimas formadas por:

● Apoenzima: Fracción proteica.● Cofactor: Fracción no proteica, pueden ser de dos tipos:

– Cofactor de naturaleza inorgánica: Como los iones Mg2+ y Cu2+.– Cofactor de naturaleza orgánica. Aquí encontramos los coenzimas, que se

unen mediante enlaces débiles como el NAD o FAD y los grupos prostéticos, que se unen covalentemente a la apoenzima como el grupo hemo de la hemoglobina.


Enzimas

Holoenzimas

Holoproteínas

Apoenzima

Cofactor

De naturalezainorgánica

De naturalezaorgánica

Coenzima

Grupoprostético


+

La apoenzima y el cofactor son inactivos si están separados, cuando se juntan la holoenzima ya está activa y tiene función catalítica. La especificidad de las enzimas viene determinada por la apoenzima (parte proteica), delimitando el sustrato al que se unirá. El cofactor permite la reacción química (dependiendo del tipo de cofactor funcionará de una forma u otra) y puede unirse a diferentes holoenzimas.

4.2.1.- Apoenzima: Las cadenas de aminoácidos que forman el apoenzima están dispuestas en estructura terciaria o cuaternaria y su conformación espacial permitirá que puedan realizar su función pero no todos los aminoácidos cumplen con las mismas tareas, podemos distinguir tres tipos según su cometido:

– Estructurales: Son los aminoácidos más abundantes y los encargados de dar forma a la proteína. No establecen enlaces químicos con el sustrato.

– De unión: Se encargan de permitir la unión del sustrato al enzima mediante enlaces débiles.

– Catalíticos: Aminoácidos implicados directamente con la actividad enzimática y por ello, de la transformación del sustrato en producto. La forma de conseguirlo será mediante el establecimiento de enlaces débiles o fuertes que provocarán la rotura o formación de nuevos enlaces.

Los aminoácidos catalíticos y de unión forman el denominado centro activo. Se trata de un hueco o repliegue cuya estructura tridimensional encaja perfectamente a la estructura complementaria del sustrato, fijándolo y acelerando la reacción química, es decir, el centro activo es el encargado de realizar la función de enzima pero sin los aminoácidos estructurales no se podría formar el centro activo así que todas las partes serán esenciales para que la enzima sea activa y pueda desempeñar su función.



Aminoácidosestructurales

Centro activo Sustrato

Los aminoácidos que forman el centro activo están dispersos en la secuencia peptídica pero al adquirir la estructura terciaria se aproximan y dan lugar a un hueco único para un sustrato específico. Por esta razón es tan importante la secuencia de aminoácidos (estructura primaria) ya que errores que cambien un aminoácido o la posición del mismo provocarán que el enzima no sea funcional. De igual modo, si se produce una desnaturalización de la proteína perderá su estructura terciaria y no podrá realizar su función.

Las características del centro activo son las siguientes:

– Es el hueco o hendidura de la enzima por la que se une específicamente al sustrato.

– Es una región muy pequeña del enzima.

– Los aminoácidos que lo forman están dispersos por toda la secuencia proteica.

– Los aminoácidos de unión fijan el sustrato y los catalíticos realizan la actividad enzimática.



Cada enzima posee un centro activo específico para unirse a un sustrato específico

4.2.2.- Coenzimas: Son los cofactores orgánicos de naturaleza no proteica que se unen a la apoenzima para formar las holoenzimas que son, en último término, las formas activas de las enzimas. Son muy pequeños con respecto a la apoenzima y son los responsables de realizar la función que transformará al sustrato en producto mediante diferentes procesos como aportar energía o transportar electrones.

Los coenzimas no son específicos, se unen a multitud de apoenzimas diferentes, y tampoco son catalizadores por lo que se modifican, de forma reversible, durante la reacción química y tendrán que alcanzar su estado inicial para volver a actuar.

Veremos los principales coenzimas que intervienen en todas las rutas metabólicas que se estudiarán en el catabolismo y anabolismo. Sin ellos el metabolismo no tendría lugar tal y como lo conocemos y algunos procesos como la fotosíntesis o la glucólisis no serían posibles.


Coenzimas

Transportanenergía

Transportanelectrones

Transportangrupos químicos

Vitaminas

- ATP - GTP

- NAD - NADP - FAD

- Coenzima A(CoA)

- Liposolubles- Hidrosolubles

Coenzimas transportadores de energía. El sistema ATP/ADP: Al principio de la unidad se veía que el metabolismo se divide en catabolismo (procesos que liberan energía) y anabolismo (procesos que necesitan energía). Como cada proceso ocurre en lugares y momentos diferentes ha de existir un mecanismo que capte la energía liberada en el catabolismo, la almacene, la transporte y la libere donde sea necesitada. Esta función la desempeña la molécula Adenosín trifosfato (ATP) acoplándose a las reacciones catalizadas por enzimas para aceptar o ceder energía.

El ATP es un nucleótido formado por ribosa, adenina y tres grupos fosfato aunque también podemos encontrarlo con las otras bases nitrogenadas como uracilo (UTP), citosina (CTP) y guanosina (GTP). La función energética se localiza en los grupos fosfato pudiendo tener uno (AMP), dos (ADP) o tres (ATP).


ATP AMPADP

Ribosa

Adenina

Grupos fosfato

Las células no pueden utilizar el calor como fuente de energía, lo hacen mediante la energía química que hay en los enlaces. En el sistema ATP/ADP se utiliza la energía contenida en los enlaces de sus grupos fosfato de forma que el ADP se acopla a las reacciones que desprenden energía y la utiliza para formar un nuevo enlace (fosforilación), quedando almacenada dicha energía. Cuando está en forma de ATP se acopla a las reacciones que necesitan energía y la aportará rompiendo el enlace y quedando otra vez en forma de ADP. Por esta razón se dice que el ATP es la moneda energética de los seres vivos ya que es un sistema universal que hace de intermediario entre los procesos exergónicos y endergónicos del metabolismo.


En la desfosforilación del ATP a ADP se necesita una molécula de agua y se desprenden 7,3 kcal/mol

Los procesos que requieren energía y que supondrán la desfosforilación del ATP son muchos como el anabolismo, el transporte activo o el movimiento celular. La regeneración del ATP supone la fosforilación del ADP y esto ocurre en los procesos donde se libera energía como en el catabolismo, la respiración celular o la fase fotoquímica de la fotosíntesis.

El ATP es un intermediario de estos procesos y no un almacén energético ya que el número de moléculas presentes en la célula es limitado. Las células utilizan como reserva energética los glúcidos y las grasas ya que pueden sintetizarlas o degradarlas dependiendo de las condiciones celulares y el ATP capta y transfiere esa energía mediante acoplamiento energético en las reacciones químicas. Por esto es uno de los coenzimas más importantes y su presencia en el metabolismo es vital para el correcto funcionamiento de los seres vivos.


Comprender el funcionamiento del sistema ATP/ADP como coenzima acoplándose a las reacciones químicas supone entender el metabolismo intermediario, pudiendo decir que el objetivo del catabolismo es la obtención de ATP para que pueda ser utilizado en el anabolismo.

El ATP es la molécula que se utiliza mayoritariamente pero también están el UTP, CTP y GTP utilizados en la síntesis de glúcidos, lípidos y proteínas respectivamente. Todos ellos son energéticamente equivalentes.


La síntesis de ATP o su regeneración a partir de ADP o la forma de acoplar el desprendimiento de energía durante el catabolismo se puede realizar de dos formas:

Fosforilación a nivel de sustrato: Reacción acoplada en la que interviene una molécula o sustrato con un grupo fosfato y el ADP. En la reacción se desfosforila el sustrato y la energía desprendida se utiliza para fosforilar el ADP. Este proceso está mediado por una enzima de tipo quinasa y es el principal método de regeneración de ATP en los organismos heterótrofos, utilizándose en la glucólisis y en el ciclo de Krebs.


Fosforilación en el trasporte de electrones: Se produce gracias al transporte electrónico producido por una serie de proteínas situadas en las membranas de mitocondrias y cloroplastos. La energía que se desprende de estos procesos se utiliza por el complejo ATP-sintetasa para fosforilar el ADP y transformarlo en ATP. Este sistema requiere un flujo de protones (H+).

El proceso que ocurre en las mitocondrias se llama fosforilación oxidativa y el que se da en los cloroplastos se llama fotofosforilación, ambos se verán ampliamente en los temas siguientes.


Coenzimas transportadores de electrones: Los electrones son otra forma de canalizar la energía química. Esto ocurre porque las reacciones del catabolismo suponen una oxidación de los sustratos que se degradan (pérdida de electrones) y, por otra parte, las reacciones del anabolismo requieren su reducción (ganancia de electrones). Al igual que ocurría con la transferencia de energía mediada por el ATP, existen coenzimas que se encargan de aceptar los electrones producidos en el catabolismo, transportarlos y cederlos en el anabolismo ya que cada proceso ocurre en un lugar y momento determinado.

Existen varios coenzimas que realizan esta función y su característica será la de aceptar o ceder electrones (oxidarse o reducirse) de forma reversible; no son específicos y por ello se unen a diversas enzimas en los denominados procesos de oxidorreducción: reacciones acopladas en las que un compuesto libera electrones (se oxida) al mismo tiempo que otro los acepta (se reduce).

Si el coenzima está cargado con electrones estará en su estado reducirdo, en esta situación puede ceder electrones haciendo que otra molécula se reduzca al mismo tiempo que ella se oxida. En su estado oxidado podrá captar electrones para oxidar otra molécula, pasando otra vez a su estado reducido. De esta forma se van cediendo electrones de unas moléculas a otras.

El poder reductor se define como la capacidad de actuar como donadores de electrones (de reducir otras moléculas). Los coenzimas tendrán poder reductor en su estado reducido.



A+ + e-

B+ + e-

A + B+ A+ + B

Reducido

Oxidado

Reducido

Oxidado

Reducido

Oxidado

A

B

ReducidoOxidado

Se oxida

Se reduce

Oxidorreducción

Hay varios coenzimas pero destacan tres que serán los que veremos durante los temas de metabolismo: NAD, NADP y FAD. Todos ellos son nucleótidos formados por una ribosa, una base nitrogenada de adenina y un grupo fosfato pero además poseen otra base nitrogenada que será de nicotinamida en el NAD y NADP y de flavina en el FAD. Estas bases nitrogenadas son las que poseen la capacidad de aceptar o ceder electrones.

Estas bases nitrogenadas proceden, en el caso de la nicotinamida, del ácido nicotínico o vitamina B

3 y en el caso de la flavina de la riboflavina o vitamina B

2, por ello no pueden ser

producidas por el organismo y tendrán que ser incorporadas en la dieta.

Los electrones y protones que transportan los coenzimas pueden tener dos destinos: a sustratos del anabolismo para reducirlos y a la cadena de transporte electrónico de mitocondrias y cloroplastos para generar energía en forma de ATP.


Moléculas complejasy reducidas

Moléculas complejasy reducidas

Moléculas simplesy oxidadas

Moléculas simplesy oxidadas

Coenzimas reducidos

NADH, NADPH y FADH2

Coenzimas oxidados

NAD+, NADP+ y FAD

e- y H+ e- y H+

Catab

olismo A

nab

olis

mo


NAD: Su nombre completo es Nicotinamida Adenina Dinucleótido, su abreviatura es NAD+ para su forma oxidada y NADH para su forma reducida. Se compone por dos nucleótidos unidos por los grupos fosfato que poseen las ribosas, que a su vez están unidas a una base nitrogenada de adenina y a una base nitrogenada de nicotinamida.

NAD+

(oxidado)

NADH(reducido)

Nicotinamida


NADP: Su nombre completo es Nicotinamida Adenina Dinucleótido Fosfato, su abreviatura es NADP+ para su forma oxidada y NADPH para su forma reducida. Es un derivado del NAD al que se le añade un grupo fosfato a la ribosa del primer nucleótido. Su papel es muy importante en los cloroplastos, tanto en su cadena de transporte electrónico como en el ciclo de Calvin.

NADP+

(oxidado)

NADPH(reducido)


FAD: Su nombre completo es Flavin Adenin Dinucleótido, su abreviatura es FAD para su forma oxidada y FADH

2 para su forma reducida. Este coenzima es

capaz de aceptar dos átomos de hidrógeno y por lo tanto dos protones y dos electrones. Su papel en las mitocondrias es muy importante, tanto en el ciclo de Krebs como en la cadena de transporte electrónico.

FAD(oxidado)

FADH2

(totalmente reducido)FADH●

(semiquinona)

Flavina

La molécula FMN, cuyo nombre es Flavín Mononucleótido, es otro coenzima que deriva de la riboflavina y no posee el nucleótido del FAD. También es importante en las reacciones de oxidorreducción.

Riboflavina


Adenosín difosfato

Vitamina B5

β-Mercaptoetilamina

Grupo tiol

Coenzima A

Coenzimas transportadores de grupos químicos. El coenzima A: En su forma abreviada podemos verlo como CoA o HSCoA por el grupo SH que posee. Se trata de un coenzima formado por un nucleótido de adenosín difosfato, el ácido pantoténico (vitamina B

5) y una cisteamina. Gracias al grupo SH de la cisteamina puede reaccionar con ácidos

carboxílicos formando tioésteres, actuando como un transportador de grupos acetilo (componente de muchos compuestos orgánicos).

Cuando se une a un grupo acetilo se forma el Acetil-CoA que es una molécula intermediaria clave en el metabolismo, tanto en rutas catabólicas (como el ciclo de Krebs) como en rutas anabólicas (como en la gluconeogénesis).

Acetil-CoA

Tioéster

Coenzima A

Grupoacetilo


Vitaminas: Moléculas orgánicas que actúan como catalizadoras de la mayoría de las rutas metabólicas, tanto directa como indirectamente. Son precursoras de la mayoría de los coenzimas y por ello necesarias para la actuación de muchas enzimas. Por esta razón las deficiencias en una vitamina causan grandes trastornos metabólicos que se reflejan en graves enfermedades.

La mayoría de las vitaminas no pueden ser sintetizadas por los animales, han de ser incorporadas a través de la dieta y en cantidades equilibradas ya que tanto su carencia como su exceso puede producir enfermedades e incluso la muerte. Se necesitan en cantidades pequeñas y por ello los trastornos que pueden presentarse son:

– Hipovitaminosis o avitaminosis: Carencia parcial o total de una vitamina.

– Hipervitaminosis: Exceso de una vitamina.

Las vitaminas se clasifican en dos grandes grupos atendiendo a su solubilidad:

– Liposolubles: Son solubles en lípidos y no en agua. Se pueden acumular en tejidos grasos y su eliminación por la orina es más dificultosa. Por esta razón no es necesaria su ingesta diaria y el trastorno más frecuente es la hipervitaminosis. Pertenecen a este grupo las vitaminas A, D, E y K.

– Hidrosolubles: Solubles en agua e insolubles en lípidos, son precursores de coenzimas. No se pueden acumular al secretarse en la orina y por ello se requiere una ingesta diaria de ellas. Normalmente, los trastornos que se presentan se deben a hipovitaminosis. En este grupo se incluyen las vitaminas del grupo B (B

1, B

2, B

3, B

5, B

6, B

8, B

9 y B

12) y la vitamina C.


4.3.- Mecanismo de acción: La reacción que produce la enzima empieza con la presencia de la molécula sobre la que va a actuar llamada sustrato (S) y su posterior unión al centro activo de la enzima. En este momento se forma el denominado complejo enzima-sustrato (ES) y se producirá la reacción específica para formar el producto (P). El último paso será la separación de los productos del centro activo, la enzima no habrá sufrido ningún cambio y podrá volver a empezar con un nuevo sustrato. Si la reacción requiere una coenzima formará parte del complejo enzima-sustrato y se soltará con los productos, modificándose en el proceso de forma reversible.

E + S ES E + P


k1

k-1

kcat

Unión del sustrato,es una reacción

rápida y reversible.

Etapa catalítica,es una reacciónlenta e irreversible.

biologiabachiller.wikispaces.comTema 12.- Introducción al metabolismo

Hay que recordar que la función de los enzimas es la de rebajar la energía de activación de los productos para que se produzca una reacción química sin elevar la temperatura. La forma de hacerlo es mediante los enlaces débiles que establecen los radicales de los aminoácidos de unión del centro activo con el sustrato y posteriormente con los aminoácidos catalíticos que favorecerán la rotura o formación de nuevos enlaces, obteniendo los productos. Las coenzimas, si es necesario, aportarán energía química o permitirán la transferencia de electrones o grupos químicos.


La reacción enzimática puede ir en ambas direcciones, de hecho, en muchas reacciones es la misma enzima la que cataliza ambos procesos y por ello las enzimas actúan de forma diferente si la reacción requiere uno o dos sustratos:

– Un sustrato: La energía de activación se rebaja con la fijación del sustrato al centro activo mediante enlaces débiles ya que la formación del complejo enzima-sustrato genera tensiones que debilitan los enlaces del sustrato y con ello se requiere menor energía para alcanzar el estado de transición.

– Dos sustratos: En estas reacciones la energía de activación disminuye porque al atraer los sustratos favorece la posibilidad de que se encuentren y se facilita la reacción.



Reacción con un sustrato Reacción con dos sustratos

El mecanismo de acción de las enzimas también implica que la reacción ha de ser específica y este hecho determina que tanto los mecanismos de unión como los tipos de especificidad sean diversos:

Mecanismos de unión: Las enzimas presentes en los seres vivos y los sustratos que catalizan son tan diversos que las uniones entre ellos son muy variadas:

– Complementariedad química: Las características químicas de enzima y sustrato se complementan para favorecer primero su acercamiento y después su unión. Si el sustrato posee carga positiva los aminoácidos del centro activo tendrán carga negativa, si el sustrato posee átomos aceptores de puentes de hidrógeno el centro activo tendrá aminoácidos con grupos donadores, etc.


Diversas interacciones establecidas en la unión del enzima RuBisCo con su sutrato, la ribulosa-1,5-bifosfato.

– Complementariedad estérica: La forma del centro activo de la enzima ha de ser complementaria al del sustrato para que pueda encajar en ella y para impedir que otros sustratos se unan. En base a este principio se postularon dos modelos sobre cómo se acoplaban para formar el complejo enzima-sustrato:

● Modelo de la “llave-cerradura”: El químico Fischer propuso que el centro activo de la enzima debía tener una forma complementaria fija y exacta a la del sustrato de manera que ambos encajarían específicamente como una cerradura (el enzima) y su llave (sustrato).

● Modelo del ajuste inducido: Postulado por Koshland y vigente en la actualidad. La conformación espacial de la enzima no es fija y los aminoácidos de unión que hay en el centro activo tienen cierta flexibilidad para adaptarse a la forma del sustrato. El ajuste inducido que propone este modelo se conoce como el modelo de “guante-mano” ya que para que ambos encajen deben tener cierta movilidad, sobre todo por parte del enzima debido a la flexibilidad conformacional de las proteínas.

Hoy en día, gracias a las representaciones en 3D de las estructuras terciarias y cuaternarias de las proteínas, se conoce muy bien el cambio conformacional que sufren al unirse a un sustrato. Las atracciones por complementariedad química así como el asentamiento del sustrato en el centro activo hacen que se puedan distinguir perfectamente dos formas enzimáticas, una sin sustrato y otra con él.



Modelo “llave-cerradura” Modelo del ajuste inducido


Cambio conformacional que sufre la hemoglobina al unirse a una molécula de oxígeno.

Tipos de especificidad: Determina si la enzima se unirá a un único sustrato o a varios y por tanto nos indica los procesos en los que está involucrada:

– Especificidad absoluta: Cuando la enzima actúa sobre un único sustrato. En estos casos son capaces de discriminar entre estereoisómeros. Un ejemplo son las β-amilasas que solo actúan sobre los extremos reductores del almidón para producir maltosa.

– Especificidad de grupo: La enzima reconoce varios sustratos que tienen estructuras muy similares y el mismo enlace sobre el cual actuar como la β-glucosidasa que puede actuar sobre varios β-D-glucósidos para producir glucosa.

– Especificidad de clase: La enzima actúa sobre un amplio grupo de sustratos ya que no reconoce una molécula sino un tipo de enlace y actuará sobre todos los sustratos que lo tengan como en el caso de las lipasas que catalizan la hidrólisis de los triacilglicéridos sin importar los ácidos grasos que contengan.

Una vez estudiada la composición y el mecanismo de acción de las enzimas hay que ver su comportamiento en las células para entender cómo funcionan y cómo se puede regular su funcionamiento. Con este fin se estudia el siguiente punto: la cinética enzimática.


4.4.- Cinética enzimática: Estudia la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas, analizando todos los factores físicos y químicos que intervienen y los mecanismos de acción y de especificidad de los enzimas.

Una reacción enzimática está condicionada por las concentraciones de enzima y sustrato y de la temperatura, factores que determinarán la probabilidad de encontrarse mutuamente. También influirá la presencia de cofactores si se requieren en la reacción.


A mayor concentración mayor velocidad tendrá la reacción pero ésta irá descendiendo a medida que vaya disminuyendo el sustrato puesto que se está transformando en producto. Si la concentración no es un factor limitante y representamos gráficamente la velocidad con respecto a la concentración de sustrato tampoco obtenemos una gráfica lineal, la velocidad de la reacción varía con el tiempo.

Como la enzima no se modifica, su concentración será la misma a lo largo del proceso, lo que cambia son los sustratos que, a medida que pasa el tiempo, serán catalizados y transformados en productos. Si nos fijamos en la gráfica, la velocidad (V) va aumentando con la concentración de sustrato ([S]) hasta un determinado valor a partir del cual la velocidad deja de crecer y se mantiene constante, es la llamada velocidad máxima (V

max).

El punto de Vmax

es el denominado punto de saturación ya que es el momento en el que todas


todas las enzimas están unidas a su sustrato formando el complejo enzima-sustrato (los centros activos de los enzimas están ocupados). En este momento se dice que la enzima está saturada.

Con esta gráfica, cuyos valores son diferentes para cada enzima, se pueden calcular otros parámetros importantes:

En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten estudiaron la variación de una reacción enzimática en función de la concentración de sustrato y desarrollaron una ecuación para explicar el comportamiento de los enzimas:


Donde:

V = Velocidad de la reacción para una determinada concentración de sustrato.

Vmax

= Velocidad máxima de la reacción.

[S] = Concentración de sustrato.

Km = Es una constante concida

como constante de Michaelis-Menten y es la concentración de sustrato a la cual la velocidad de la reacción es la mitad que la velocidad máxima. Es una medida de la afinidad de la enzima por el sustrato.

¿Qué significa que Km es una medida de afinidad del enzima? Si K

m es alta nos indica

que el enzima tiene poca afinidad por el sustrato ya que necesita mucha concentración para alcanzar la mitad de la velocidad máxima. Si por el contrario la K

m es baja nos indica que el

enzima tiene mucha afinidad por el sustrato porque necesita poca concentración para alcanzar la mitad de la velocidad máxima.

La importancia de la ecuación descrita por Michaelis-Menten radica en que nos permite explicar


La enzima que posee la K

m1 tiene más afinidad por su

sustrato que las enzimas con K

m2 y K

m3.

explicar cómo funciona una enzima y predecir cómo se comportará en las células.

Todo ello gracias a los valores de K

m y V

max que nos

muestran el control que ejercen las enzimas en el metabolismo: la diferente afinidad de las enzimas explica el destino de un sustrato (entrar en unas rutas metabólicas u otras) en función de su concentración.

Como la gráfica de la ecuación de Michaelis-Menten es una hipérbola, curvándose a medida que aumenta la concentración de sustrato, el cálculo de K

m y V

max puede resultar

dificultoso. Por esta razón, se realiza una linearización en la denominada representación de Lineweaver-Burk, de esta forma es más fácil calcular las constantes deseadas y deducir el comportamiento del enzima. Esto hace que la ecuación quede de la siguiente forma:


Si nos fijamos en la representación de Lineweaver-Burk, se corresponde a la ecuación de la recta: y = mx + b

Esto significa que la recta tendrá una pendiente m cuyo valor es K

m/V

max, una ordenada

en el origen que corresponde a 1/V

max y una abcisa en el origen

con valor -1/Km.

Con esta recta es más fácil calcular la K

m y V

max de una

enzima para diversas concen-traciones de sustrato.

y = mx + b

4.5.- Factores que afectan la actividad enzimática: Como las enzimas son proteínas, todos los factores que cambien su estructura implican la pérdida de su función. Como también son catalizadores, quedarán afectadas por la concentración de las moléculas implicadas:

Concentración de sustrato: Cuando la concentración de enzima no varía, la velocidad de la reacción aumenta a medida que aumenta la concentración de sustrato ya que hay más probabilidad de que ambos se encuentren y se forme el complejo enzima-sustrato.

Como ya se ha comentado, este aumento tiene un límite conocido como velocidad máxima (V

max) que es cuando la enzima está saturada, es decir, cuando todas las enzimas

están unidas a un sustrato. En este punto, aunque se aumente la concentración de sustrato, la velocidad se mantendrá.


Concentración de enzima: Se deduce del punto anterior: si hay sustrato disponible y se aumenta la concentración de enzima existirán más centros activos capaces de unirse al sustrato y por ello aumenta la velocidad de la reacción hasta otro punto de V

max.

Temperatura: Al aumentar la temperatura se aumenta la velocidad de la reacción puesto que las moléculas ganan movilidad y con ello la probabilidad de encontrarse enzima y sustrato y que su colisión sea eficaz.

En general, cada 10ºC de aumento la reacción se acelera de 2 a 4 veces hasta llegar a un valor máximo conocido como temperatura óptima que será específico para cada enzima. Si se sigue aumentando la temperatura, la velocidad de la reacción empezará a disminuir y terminará paralizándose porque provoca la desnaturalización de la enzima y como pierde las estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria pierde su función.


La complejidad de las proteínas en su composición y estructura hace que cada una se desnaturalice a partir de una temperatura y lo mismo ocurre con las enzimas por lo que cada una posee una temperatura óptima específica. La temperatura óptima de las enzimas humanas suele estar en los 37ºC.

En animales poiquilotermos, al no poder regular su temperatura corporal, necesitan hibernar porque a bajas temperaturas la actividad de sus enzimas se reduce mucho.


pH: La estructura proteica de las enzimas implica todo tipo de grupos ionizables en las cadenas laterales de sus aminoácidos y por ello, al estar en una solución acuosa, reaccionarán y cambiarán sus cargas positivas, negativas o neutras en función del pH del medio. Por este motivo la mayoría de las enzimas son muy sensibles a los cambios de pH y tendrán dos valores límite entre los cuales son efectivas, si se traspasan estos valores la enzima se desnaturaliza y deja de ser funcional. Por la misma razón, entre los dos límites, cada enzima posee el llamado pH óptimo en el cual la conformación de la enzima es la más adecuada para su actividad, siendo el valor de máxima eficacia.


4.6.- Regulación de la actividad enzimática: Pese a que la concentración, la temperatura y el pH modifican la actividad de la enzima, son mecanismos que la célula no puede alterar en amplios rangos porque no puede disponer del sustrato que quiera, no puede desnaturalizar las enzimas para que dejen de actuar y no puede modificar el medio interno constantemente. Por estas razones existen otros mecanismos por los cuales la célula regula su actividad para que actúen en el momento y lugar adecuados del metabolismo:

Activadores: Son sustancias que estimulan la actividad catalítica haciendo que el centro activo adquiera la estructura adecuada para unirse al sustrato (son los cofactores de naturaleza inorgánica que se veían en el punto de composición de las enzimas). Al contrario que los cofactores, los activadores no participan en la reacción. Suelen ser moléculas pequeñas como iones inorgánicos, destacando el papel del Mg2+, del Ca2+ o del Cl-; éste último es el responsable de activar la amilasa de la saliva.


Inhibidores: Son sustancias que disminuyen o neutralizan la actividad enzimática y constituyen un mecanismo de control de las reacciones metabólicas.

En función del lugar donde se unan y del tipo de unión que establezcan con el enzima tendremos diferentes tipos de inhibidores:

– Inhibición irreversible o envenenamiento de la enzima: El inhibidor o veneno se fija permanentemente a la enzima alterando su estructura y, por tanto, inutilizándola. Normalmente lo hacen por medio de modificaciones covalentes en el centro activo de la enzima como las penicilinas o el gas mostaza.

– Inhibición reversible: El inhibidor se une de forma temporal al enzima por lo que no se establecen enlaces covalentes y al soltarse la enzima recupera su función. Pueden ser de tres tipos:

● Inhibición competitiva: Ocupan de forma temporal el centro activo porque estructuralmente son similares al sustrato.

● Inhibición no competitiva: Alteran la conformación de la enzima impidiendo que el centro activo pueda transformar el sustrato en producto.

● Inhibición acompetitiva: Se unen al complejo enzima-sustrato e impiden la reacción catalítica.



Sustrato

Inhibidorcompetitivo

Inhibidor nocompetitivo

Inhibidoracompetitivo

Tipos de inhibición reversible: El inhibidor puede unirse, mediante enlaces débiles, al centro activo o a otro lugar de la enzima (puede competir con el sustrato o no).

Inhibición competitiva: Como el inhibidor es similar al sustrato ambos compiten para fijarse al centro activo de la enzima. Si se une el inhibidor la enzima queda bloqueada y no funcionará hasta que se suelte, por lo que la velocidad de la reacción disminuirá en función de la concentración del inhibidor. Si se representa gráficamente se puede apreciar que la V

max no se modifica pero sí la K

m que aumenta, lo que significa que se reduce la

afinidad de la enzima por el sustrato. Se forman los complejos ES y EI.


[I] = Km


Inhibición no competitiva: En este caso el inhibidor no se une al mismo sitio que el sustrato (no compite con él porque no se une al centro activo) y provoca un cambio en la forma del enzima de manera que, aunque se forme el complejo enzima-sustrato, no se produce la reacción, este mecanismo de acción es típico de enzimas alostéricos (se verán después). En esta inhibición no se modifica la afinidad por lo que el valor de K

m se

mantiene, lo que cambia es la Vmax

que disminuye. Se forman los complejos ES, EI y ESI.

[I] = Vmax


[I] = Vmax

y Km

Inhibición acompetitiva: El inhibidor no se une al enzima libre por lo que no afecta a la reacción con el sustrato pero se combina con el complejo enzima-sustrato (uniéndose en un lugar diferente al del sustrato) para producir un complejo enzima-sustrato-inhibidor (ESI) que impide la catálisis y la formación de los productos. En esta inhibición disminuye tanto la K

m como la V

max pero lo hacen de forma proporcional y por ello la pendiente no se

modifica. Se forman los complejos ES y ESI.


Enzimas alostéricas: Son enzimas que pueden tener dos conformaciones estables: una activa y otra inactiva. Adoptar una u otra depende de otro espacio que tienen, distinto al centro activo, llamado centro regulador al que puede unirse, de forma no covalente, otra sustancia diferente al sustrato llamada ligando.

Si la unión con el ligando da paso a la forma activa de la proteína será un activador alostérico, si da lugar a la forma inactiva será un inhibidor alostérico. Algunas enzimas poseen dos centros reguladores, uno para un activador y el otro para un inhibidor.

Las enzimas alostéricas normalmente están formadas por varias subunidades llamadas protómeros, es decir, que son proteínas con estructura cuaternaria o proteínas con varias cadenas de aminoácidos. Como cada protómero posee un centro activo y al menos un centro regulador, lo que ocurre en la enzima es que al unirse un ligando al centro regulador de un protómero cambia su conformación y esta señal se transmite al resto de subunidades para que también cambien su estructura por lo que un solo ligando ha permitido el cambio conformacional de toda la enzima. Este fenómeno se conoce como cooperatividad y la señal que induce el cambio en los protómeros se denomina transmisión alostérica.


Si la cooperatividad se produce por la unión del sustrato al centro activo de un protómero se llama homoalosterismo, si se produce por la unión de un activador o inhibidor alostérico al unirse al centro regulador se llama heteroalosterismo.


Evolución en la conformación de los protómeros de una enzimaalostérica durante la transmisión alostérica.


Activadores e inhibidores alostéricos

La cooperatividad es otro tipode activación alostérica

Una característica de las enzimas alostéricas es que no cumplen la cinética de Michaelis-Menten, su representación gráfica muestra una curva sigmoidea en lugar de una hipérbola. Esto ocurre porque la afinidad de la enzima por el sustrato cambia con la presencia y concentración del ligando (tanto si es un inhibidor como un activador), y si a este hecho le añadimos el efecto de la cooperatividad podemos explicar su comportamiento:


La enzima alostérica tendrá que unirse primero al ligando, por esto la velocidad de la reacción en los primeros momentos no aumenta tan rápido como en las enzimas no alostéricas. Cuando se une el ligando, por cooperatividad, toda la enzima pasa a su forma activa y aumenta rápidamente la velocidad, es la llamada “ley del todo o nada”.

En estas curvas, pequeñas variaciones en la [S] en las regiones próximas a la K

m provocan grandes

cambios en la velocidad de la reacción.

La cooperatividad es muy frecuente ya que existen muchas enzimas con varias subunidades o protómeros y su comportamiento es muy usado en las células para regular la respuesta enzimática frente a cambios en la concentración del sustrato. Un ejemplo es la diferencia en el funcionamiento de la mioglobina (enzima no alostérica con un centro activo) y la hemoglobina (enzima alostérica que presenta cooperatividad por homoalosterismo con cuatro protómeros y cuatro centros activos):


La actividad de la mioglobina aumenta con la concentración de O

2

siguiendo la cinética de Michaelis-Menten pero la hemoglobina sigue una cinética sigmoidea. Esto ocurre porque cuando los centros activos están vacíos presentan poca afinidad por el O

2 pero cuando una molécula

se une a un protómero cambia la afinidad del resto debido a un cambio conformacional y con ello se aumenta la velocidad de la reacción.


Hb + O2 HBO

2

Desoxihemoglobina Oxihemoglobina

El cambio conformacional ha hecho que cada forma reciba un nombre: la hemoglobina sin O

2 se

llama desoxihemoglobina y la forma con O

2 es la

oxihemoglobina.

Como las enzimas alostéricas poseen un ligando que cambia su estado activo, las células utilizan este mecanismo para regular la actividad enzimática. Lo consiguen haciendo que los sustratos y productos de unas enzimas sean los ligandos de otras que pertenecen a la misma ruta metabólica, induciendo su activación o inhibición:

– Regulación por retroinhibición o feed-back negativo: Ocurre en las enzimas cuya conformación inicial es la activa. Aquí los productos finales de la ruta metabólica serán los ligandos inhibidores de las enzimas que hay al principio de la ruta. Con este mecanismo se autorregulan las rutas ya que una vez obtenido el producto se detiene el proceso por inhibición de las primeras enzimas y cuando no hay producto estarán activas y volverán a producirlo.

– Regulación por inducción enzimática o feed-back positivo: Se da en enzimas cuya conformación inicial es la inactiva. En estos casos los productos finales de una ruta metabólica son el ligando activador de las enzimas de otra ruta. De esta forma, muchas rutas solo funcionarán cuando existan en la célula determinadas sustancias y no siempre.


Modificación covalente reversible: Algunas enzimas se activan o inactivan (cambian su conformación) uniéndose covalentemente a un grupo químico como un grupo fosfato o el AMPc:

Activación proteolítica: Algunos enzimas no se sintetizan en su forma activa, lo hacen en forma de precursores llamados proenzimas o zimógenos. Esto se debe a que en muchas ocasiones la acción de la enzima se requiere en un lugar diferente al de síntesis así que se activarán cuando lleguen al lugar adecuado (es un mecanismo de protección). La forma de activarse es mediante un ataque hidrolítico que provoca la eliminación de varios péptidos y esto hace que la enzima adopte su conformación correcta y el centro activo sea funcional.

Hay muchos ejemplos como los enzimas digestivos que todos ellos se sintetizan como zimógenos y se activarán en el lugar del tubo digestivo que actúen como el pepsinógeno o el tripsinógeno. Si se sintetizaran activos destruirían la célula que los produce.


El enzima no fosforiladoes inactivo

El enzima fosforiladoes activo

Isozimas: Son enzimas con pequeños cambios en su estructura pero que catalizan la misma reacción. Esto hace que se modifique su cinética y con ello su afinidad y velocidad frente al sustrato para adaptarse a diferentes condiciones de pH, temperatura o concentración, es decir, para regular su función en cada tejido o compartimento celular. Encontramos isozimas en función de:

– Tipo de tejido: La lactato deshidrogenasa posee isozimas distintos en músculo y corazón.

– Compartimento celular: Existen isozimas diferentes de malato deshidrogenasa en el citoplasma y en la mitocondria.

– Momento del desarrollo: Algunos de los enzimas implicados en la glucólisis son isozimas distintos en el feto y en el individuo adulto.


Perfil de isozimas LDH del corazón de rata a lo largo de su desarrollo (en días).

Perfil de isozimas LDH de rata en diferentes tejidos.

Otros mecanismos de regulación: Los mecanismos de regulación que se han visto controlan la actividad enzimática a nivel molecular y se usan en los diferentes espacios celulares para controlar el metabolismo pero existen otros a nivel celular que sirven para aumentar la eficiencia de los sistemas:

– Regulación de la síntesis enzimática: Como la producción de las enzimas depende de la expresión de los genes que las codifican se puede regular su actividad produciendo enzima solo cuando se requiera. Uno de los principales inductores de la síntesis enzimática son las hormonas.

– Compartimentación: Se separan las enzimas mediante membranas para localizar su función en lugares específicos sin interferir con otras rutas metabólicas.

– Complejos multienzimáticos: Existen complejos de varias enzimas que intervienen en pasos sucesivos de una ruta metabólica. Con la proximidad es más fácil encontrar los sustratos ya que son los productos de la enzima vecina.

– Inclusión en membranas: Algunas enzimas se insertan de forma ordenada en las membranas para que se puedan llevar a cabo reacciones sucesivas.



a) Compartimentalización: Los enzimas localizados dentro de membranas realizan su función en estos lugares específicos sin interferir en el resto de la célula

b) Complejos multienzimáticos: Las enzimas están unidas físicamente mediante enlaces, de esta forma el proceso se realiza más rápido porque el complejo es más eficaz que si las enzimas estuvieran dispersas.

c) Inclusión en membranas: La ordenación de las enzimas a lo largo de la membrana aumenta la eficacia al ser más fácil el intercambio de sustratos y productos entre ellas.


4.7.- Clasificación: Las enzimas se clasifican en base a su mecanismo de acción:

Oxidorreductasas: Regulan reacciones de transferencia de electrones y siempre tienen que estar juntos el dador y el aceptor electrónico por lo que se producirá una oxidación y una reducción (reacción redox).

Transferasas: Catalizan la transferencia de un grupo químico (distinto del hidrógeno) de un sustrato a otro sin que en ningún momento quede libre dicho radical. Si el grupo transferido es un grupo fosfato se llaman quinasas.

Ared

+ Box

Aox

+ Bred

AB + C c

A + BC


Hidrolasas: Rompen enlaces con la introducción de los componentes de una molécula de agua, se denomina rotura hidrolítica. El sustrato inicial se convierte en dos moléculas.

Liasas: Catalizan reacciones de rotura o unión de sustratos sin la intervención del agua. Estas reacciones son reversibles y rompen enlaces C-C, C-N o C-O con pérdida de grupos funcionales y con la aparición de dobles enlaces.

AB + H2O AH + BOH

AAB A + B

b


Isomerasas: Transforman el sustrato en otra molécula isómera por lo que se realizan transferencias internas en una molécula.

Ligasas o sintetasas: Catalizan la unión de dos sustratos (formación de enlaces) mediante la energía aportada por un nucleótido trifosfato (ATP, GTP,…). La hidrólisis puede ser de uno o dos fosfatos, formando XDP + P

i o XMP + PP

i.

ABC ACB A+B+XTP AB+XDP+Pi

4.8.- Nomenclatura: La forma de nombrar las enzimas ha cambiado a lo largo de la historia, al principio recibían nombres particulares asignados por su descubridor como la ptialina o la tripsina. Después, a medida que aumentaba el número de enzimas conocidos, se nombraron con el nombre del sustrato al que se unían o mediante el tipo de reacción que catalizaban más la terminación -asa como maltasa o hidrolasa. Pese a que esta terminología se sigue utilizando, hoy se requiere una nomenclatura más adecuada, hay dos formas:

– Nomenclatura sistemática: Describe qué enzima es mediante dos nombres:

1.- Nombre del sustrato: Lactato

2.- Función que realiza: Deshidrogenación Lactato deshidrogenasa

3.- Terminación -asa

– Nomenclatura actual: Establecida científicamente por la “International Union of Biochemistry and Molecular Biology”, es una clasificación mediante cuatro números separados por puntos. Cada número indica:


EC 1.1.1.27Todas las enzimas tienen el

mismo código inicial:Enzyme Comission

Indica a cuál de los seisgrupos pertenece:Oxidorreductasa

Indica el sub-grupo; en este caso el cofactor utilizado: Con NAD o NADP como aceptor

Indica la proteína a la que nos estamos refiriendo:

Lactato deshidrogenasa

Indica la clase dentro del grupo: Actúa sobre el grupo CH-OH

de los donadores

Resumen final de las partes que podemos encontrar en las proteínas:

– La enzima posee un cofactor y un coenzima:

¿Qué es el cofactor representado? ¿Qué composición tiene?

¿Qué función desempeña en la enzima? Pon dos ejemplos


Tema 12 -Introducción al metabolismo

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