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Biología - 12 - Enzimas

1 diciembre 2015, 12:00 por Arturo J. Murias

Función

  • Catalizadores biológicos de las reacciones metabólicas => Control de todos los procesos vitales.

Composición y Estructura

  • Son proteínas:
    • Holoproteínas.
    • Heteroproteínas:
      • Parte proteica: apoenzima: fija los sustratos.
      • Parte no proteica: modifica los sustratos en productos.
        • Grupo prostético: permanente.
        • Cofactor: no permanente.
          • Metálico: Mg2+, Ca2+...
          • Orgánico: coenzimas: vitaminas:
            • Son nutrientes esenciales: han de venir en la dieta.
            • Son micronutrientes: basta con una dieta variada y equilibrada, no específica.
            • Su déficit origina enfermedades carenciales = hipovitaminosis.
            • Su exceso (más fácil en las liposolubles que en las hidrosolubles) da hipervitaminosis.
            • Muy lábiles ante temperatura, O2, luz, pH.
            • Tipos:
              • Liposolubles:
                • Se acumuan en el hígado y demás tejidos/órganos grasos.
                • A (antioxidante; visión), D (calcificación de huesos), E (antioxidante), K (coagulación).
              • Hidrosolubles:
                • Se eliminan con facilidad por la orina.
                • B3 (pelagra), B6 (trastornos nerviosos), B12 (anemia), C (escorbuto).

Propiedades

  • Desnaturalizables: por calor, variaciones del pH, variaciones de la salinidad.
  • Son específicos de sustratos:
    • De una molécula concreta (ATPasa);
    • De una familia de moléculas con un enlace concreto (esterasas, nucleasas).
  • Son específicas respecto de la reacción que catalizan:
    • Cada enzima cataliza sólo un tipo de reacción y cada tipo reacción es catalizada por un enzima diferente.
  • No se consumen durante la reacción, ni se alteran tras ella => son reutilizables.

Mecanismo de Acción

  • En cualquier reacción química:
    • Para avanzar del sustrato al producto se pasa por 2 etapas:
      • Se forma un estado transicional llamado complejo de activación, en que los enlaces iniciales del sustrato están rotos, debilitados o alterados;
      • Se forman unos enlaces nuevos entre los mismos átomos, dando lugar a moléculas nuevas: los productos.
    • Si la G de los sustratos es mayor que la de los productos, la reacción es exergónica (~ exotérmica). Si la G de los productos es mayor, la reacción es endergónica (~ endotérmica). En cualquiera de los 2 casos hay que hacer un aporte inicial de E para alcanzar el complejo de activación.
    • Si la Ea es muy baja, la reacción puede ser espontánea, porque bastará con la propia Ek de las moléculas o el eventual aporte externo de E lumínica para alcanzarla.
  • En una reacción enzimática:
    • El sustrato se une al enzima por las cadenas laterales de los aminoácidos del centro activo de éste, del mismo modo que una llave encaja en una cerradura, o una mano en un guante. La unión se denomina complejo enzima-sustrato. Esta unión debilita los enlaces del sustrato, haciendo que alcanzar el estado de activación requiera mucha menos energía. De este modo se consigue que sean espontáneas reacciones que, de otro modo, apenas tendrían lugar.
    • Todas las reacciones metabólicas están catalizadas por enzimas. El modo que tiene el organismo de controlar el metabolismo es el de expresar o no los genes que codifican para cada enzima, activando o desactivando así cada una de las reacciones metabólicas.

Cinética Enzimática

  • La velocidad de una reacción enzimática aumenta de modo proporcional a la [S] hasta un determinado punto: aquel en el que todas las moléculas del enzima están ocupadas. A partir de aquí, la velocidad de reacción se mantiene constante.
  • El incremento de velocidad inicial (la pendiente de una gráfica v/[S]) puede ser mayor o menor, dependiendo de la mayor o menor afinidad del enzima por el sustrato. Y se expresa a través de la constante de Michaelis-Menten, KM, que es la [S] a la que se alcanza la mitad de la velocidad máxima. Cuanto más baja sea la KM de un enzima, mayor será su afinidad por el sustrato.

Factores que Influyen en la Velocidad de las Reacciones Enzimáticas

  • [S]. Aumenta la velocidad de reacción hasta un determinado punto, en el que la cantidad de S excede de la que los enzimas pueden procesar simultáneamente.
  • pH. Según nos alejamos del pH óptimo del enzima, se empiezan a alterar las cargas eléctricas de las cadenas laterales de sus aminoácidos (que se ven forzadas a aceptar o a ceder H+, según baje o suba el pH). Esto hace que...
    • Se deshagan los enlaces entre ellos que permitían mantener la conformación del enzima, llegándose incluso a producirse su desnaturalización;
    • Se deshagan los enlaces que unen el centro activo del enzima con el sustrato.
  • Temperatura. Por debajo del óptimo disminuye la vibración de las moléculas de E y S, por lo que disminuyen sus posibilidades de encuentro, y de que se forme el complejo ES. Por encima del óptimo se empiezan a romper los enlaces que ayudan a mantener la conformación del enzima, perjudicando a su funcionalidad, y llegando a desnaturalizarlo.

Mecanismos que Aumentan la Eficacia Enzimatica

  • Compartimentalización celular. La presencia de orgánulos de membrana en las células eucarióticas (p.e. lisosomas, peroxisomas) permite crear ambientes que favorezcan de forma específica la actuación de determinadas enzimas:
    • porque tengan un pH o una salinidad óptimas para dichas enzimas;
    • porque abunden en ellos los cofactores propios de esos enzimas;
    • porque abunden en ellos los sustratos sobre los que actúan esos enzimas.
  • Reacciones en cascada. Cuando se necesita una respuesta muy masiva (como en la coagulación de la sangre), la enzima que produce el producto que se busca (como la fibrina), no es la primera ni la única en producirse, sino la última de una serie de enzimas, cada una de las cuales activa a la siguiente. Aunque pudiera parecer mejor, por ser más rápido, depender de una sola enzima para fabricar el producto final, lo que se consigue con la cascada es un aumento geométrico en la producción del enzima final a costa de un pequeño retardo, con lo que se acaba produciendo mucha mayor cantidad de producto en el mismo tiempo.
  • Complejos multienzimáticos. Cuando sobre un sustrato hay que realizar varias transformaciones químicas consecutivas, el proceso se puede acelerar agrupando los enzimas que catalizan esas transformaciones, de modo que cada uno le pasa su producto al de al lado, del cual es el sustrato.
  • Isozimas. Catalizan la misma reacción, pero a velocidades diferentes, adaptándose a las diferentes necesidades que puedan tener distintos orgánulos, o distintas clases de células.

Regulación de la Actividad Enzimatica

La necesidad que tiene una célula de realizar una determinada reacción metabólica, es cambiante. Por ejemplo, la lactólisis sólo es necesaria cuando hay lactosa; y la glucogénesis cuando hace falta energía. El resto del tiempo, para evitar un gasto innecesario de energía, los enzimas que catalizan estas reacciones ni deben de sintetizarse, ni deben de estar activos. Lo último puede conseguirse de las siguientes formas:

  • Activación Enzimática:

    • El enzima tiene inicialmente una conformación inactiva (con el centro activo incapaz de aceptar al sustrato).
    • Sólo alcanza su conformación activa tras asociarse a una molécula activadora.
    • Estas pueden ser cofactores (Ca2+, Mg2+...) o incluso el propio sustrato.
  • Inhibición Enzimática:

    • El enzima tiene inicialmente una conformación activa (con el centro activo capaz de aceptar al sustrato).
    • Esta conformación activa se pierde tras la unión de una molécula inhibidora al enzima.
    • Estos pueden ser diversas moléculas, entre ellas el propio producto del enzima = retroinhibición metabólica.
    • La unión del inhibidor al enzima puede ser por enlaces covalentes. Entonces es irreversible: el inhibidor se llama veneno metabólico.
    • La unión del inhibidor al enzima puede ser por enlaces iónicos o puentes de H. Entonces es reversible, y el enzima recuperará su conformación activa cuando el inhibidor desaparezca. Y puede ser:
      • Competitiva:
        • El inhibidor es un análogo metabólico del sustrato (tiene una forma similar), y por ello se puede unir al centro activo del enzima, desplazando al sustrato.
        • Ej.: las sulfamidas son análogos competitivos del ácido aminobenzoico, necesario de la síntesis del ácido fólico, necesario para la síntesis de los ácidos nucleicos. Como las bacterias se dividen mucho más rápidamente que nuestras células, las sulfamidas pueden usarse para acabar con una infección bacteriana, aunque con efectos secundarios notables.
      • No Competitiva:
        • El inhibidor puede unirse a una región del enzima distinta del centro activo, aunque tras la unión, éste se ve alterado, y es incapaz de unirse al sustrato.
        • El inhibidor puede unirse al complejo ES, impidiendo la formación y liberación del producto.

Nomenclatura

  • Isomerasas: Transforman una molécula en un isómero suyo: glucosa -> galactosa.
  • Hidrolasas: Hidrólisis: péptido -> aminoácidos
  • Ligasas: Unen moléculas, consumiendo ATP: nucleótidos -> ADN.
  • Transferasas: transfieren grupos funcionales de una moléculas a otras: quinasas, transaminasas...
  • Oxidorreductasas: transfieren electrones de unos átomos a otros.
  • Liasas: añaden moléculas sencillas a enlaces dobles.