Curso de Bioquímica

Ingeniería Bioquímica

Dr. Cesar Soria Fregozo

Enzimas

FUNCIÓN DE LAS ENZIMAS

Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad o rapidez de una reacción química, sin verse alterada ella misma en el proceso global. La mayor parte de los catalizadores biológicos (aunque no todos ellos) son proteínas, y se denominan enzimas.

Prácticamente todas las reacciones bioquímicas de los sistemas biológicos requieren de una cantidad de energía que permita su inicio. La función de un catalizador es la de disminuir el requerimiento de energía inicial necesaria para que un proceso se lleve a cabo.

ENERGÍA DE ACTIVACIÓN

Un catalizador reduce la barrera de energia para una reacción, con lo que aumenta la fracción de moléculas que tienen la energía suficiente para alcanzar un estado de transición y hacer que la reacción se vaya mas rapido.

Energía libre: cantidad de energía necesaria para llevar los reactivos al estado de transición.

Estado de transición: energía necesaria y acomodo correcto de los átomos para generar los productos.

DIFERENCIAS ENTRE CÁTALISIS QUÍMICA Y ENZIMATICA

Las enzimas están sujetas a las mismas leyes de la naturaleza que gobiernan otras sustancias; sin embargo, aquellas difieren de las catálisis químicas en varios aspectos, tales como:

1. Gran capacidad de reacción

2. Condiciones especificas de reacción (pH neutro, T menores a 100 C)

3. Especificidad

4. Capacidad de regulación (control alostérico, modificaciones covalentes).

INTERACCIÓN ENZIMA SUSTRATO

Modelo de llave y cerradura; supone un alto grado de semejanza entre la forma del sustrato y la geometría del sitio de unión en la enzima.

Modelo de ajuste inducido: la unión del sustrato induce un cambio conformacional en la enzima cuyo resultado es un embonamiento complementario una vez que el sustrato se ha unido. La distorsión de la enzima y el sustrato indican conformaciones que se aproximan al estado de transición.

CARACTERISTICAS COMUNES DE LOS SITIOS ACTIVOS DE LAS ENZIMAS

El sitio activo de una enzima al ser la región que se une al sustrato, contiene los residuos que participan directamente en la producción y ruptura de enlaces. Grupos catalíticos.

1. Es de tamaño pequeño, constituido por una región de pocos aminoácidos.

2. Es una entidad tridimencional: algunos aminoácidos interactúan mas frecuentemente que otros con el sustrato debido a la carga o característica de sus grupos funcionales libres de la cadena polipeptidica.

3. La unión E+S se da por numerosos fuerzas débiles.

4. Los sitios activos son hoyos o hendiduras: formación de un complejo muy compacto.

5. Especificidad: un sustrato debe de tener una forma muy adecuada para introducirse en el centro. Proceso de reconocimiento dinamico.

FACTORES QUE CONTRIBUYEN A LA CATÁLISIS ENZIMATICA

EFECTO DE PROXIMIDAD Y TENSIÓN

El sustrato debe de acercarse y orientarse de manera precisa a los grupos catalíticos del lugar activo.

EFECTOS ELECTROSTÁTICOS

Las interacciones débiles reducen las fuerzas de atracción entre las moléculas del complejo E+S, por lo que hay una disminución en la energía libre, lo cual acelera la reacción.

CATÁLISIS ÁCIDO BÁSICA

Los grupos químicos pueden hacerse mas reactivos añadiendo o eliminando un protón (transferencia de protones en las sustituciones necleofilicas). Los sitios activos de las enzimas tienen grupos de cadenas laterales que actúan como donadores o aceptores de protones.

CATÁLISIS COVALENTE

En las enzimas el grupo nucleofilico de la cadena lateral forma un enlace covalente inestable con el sustrato. Entonces el complejo E+S forma el producto.

CONSTITUYENTES NO PROTEICOS EN LAS REACCIONES ENZIMATICAS

Además del componente proteico, muchas enzimas requieren la presencia de ciertos constituyentes no proteicos para funcionar como catalizadores.

Grupos prosteticos; porción no aminoácida de una proteína que le confiera alguna propiedad particular. Este se mantiene unido por fuerzas no covalentes. Grupo hemo de la hemoglobina.

Cofactores; pequeños iones orgánicos.

Coenzimas: moléculas orgánicas, derivadas de vitaminas, esenciales para la actividad de numerosas enzimas. Se obtienen a partir de la alimentación.

holoenzima: la proteína y todos los factores.

apoenzima: parte proteica libre de cofactores.

FUNCIÓN DE LOS COFACTORES EN LA CATÁLISIS ENZIMATICA

Para la catálisis las enzimas requieren de factores no proteicos, es decir cationes metálicos y coenzimas.

Metales: debido a sus estructuras electrónicas los metales de transición suelen participar en la catálisis (Fe 2+, Cu 2+).

Estos iones proporcionan una concentración elevada de cargas positivas que es especialmente útil para la unión de las moléculas pequeñas. Debido a que sus valencias diigidas les permiten interaccionar con dos o mas ligandos, los iones metálicos ayudan al sustrato a orientarse en el sitio activo.

El complejo sustrato-ion metálico polariza al sustrato y estimula la catálisis.

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS COENZIMAS

Tienen afinidad por la enzima igual que el sustrato.

Se considera un segundo sustrato.

Funciona cerca del centro activo en el proceso catalítico.

Algunas coenzimas, no todas, se sintetizan a partir de las vitaminas del grupo B. La vitamina B6, piridoxina, requiere de una pequeña modificación para

transformarse en la coenzima activa, el piridoxal fosfato.

ADENOSIN TRIFOSFATO (ATP).

Actua como segundo sustrato o como cofactor. Efector alostérico.

COENZIMAS DE LA NICOTINAMIDA

El ácido nicotínico da origen a dos coenzimas principales implicadas en las enzimas oxidoreductasas;

Dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD)

Dinucluótido de nicotinamida y adenina fosfato (NADP).

Formas oxidadas NAD + y NADP +

Formas reducidas NADH y NADPH

Ambas formas (oxidadas) transportan electrones para varias enzimas de un grupo denominado deshidrogenasas.

COENZIMAS DE LA RIBOFLAVINA

Las dos formas características de la riboflavina son;

FMN (riboflavina 5-fosfato).

FAD (flavina adenina dinucleótido)

Estas funcionan en reacciones de oxidación-reducción aceptando y donando electrones.

Succinato Fumarato

succinato deshidrogenasas

EFECTO DE LA TEMPERATURA Y EL pH SOBRE LAS REACCIONES ENZIMATICAS

Cualquier factor ambiental que distorsione la estructura proteica puede alterar la actividad enzimatica. Especialmente la temperatura y el pH.

Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la velocidad de la reacción, debido a que hay mas moléculas con la energía suficiente para entrar en estado de transición. Sin embargo, las enzimas son proteínas que se desnaturalizan con temperaturas altas.

Variaciones en la concentración del ion hidrógeno pueden afectar a la ionización de los grupos del sitio activo.

Si un sustato contiene un grupo ionizable, un cambio en el pH puede alterar su capacidad para unirse al sitio activo.

Cambios en el pH conducen a su desnaturalización.

CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS OXIDOREDUCTASAS

Este tipo de enzimas catalizan la transferencia de electrones de un compuesto a otro. Casi siempre los electrones van acompañados de protones.Reacciones de oxido-reducción.

Deshidrogenasas, oxidasas, oxigenasas, reductasas, peroxidasas e hidrolasas.

H2A + B A + H2B

Una oxidoreductasa transfiere un par de

electrones de uncompuesto a otro.

TRANSFERASAS: catalizan reacciones en las que hay trasferencia de grupos de una molécula a otra. Ejemplo: Grupo amino, carbonilo, metilo, fosforilo y acilo (RC=O). Transcarboxilasas, transmetilasas y transaminasas.

AX + B A + BX

Las transferasas pasan un grupo químico de un compuesto a

otro.

HIDROLASAS: estas catalizan reacciones en las que se producen la ruptura de enlaces por la adición de agua. Estereasas, fosfatasas y peptidasas.

AB + H2O AH + BOH

LIASAS: catalizan reacciones en las que se eliminan grupos (H2O, CO2, y NH3) para formar un doble enlace o se añade un doble enlace. Desacarboxilasas, hidratasas, deshidrogenasas, desaminasas y sintasas.

Las liasas son enzimas que

rompen dobles ligaduras.

ISOMERASAS: Estas enzimas transforman un compuesto en alguno de sus isómeros. (Recuerde que los isómeros son compuestos que tienen los mismos átomos pero diferente arreglo en el espacio). Conversión de la glucosa en fructosa. Epimerasas, mutasas.

LIGASAS: Estas enzimas forman uniones covalentes entre dos compuestos, la reacción es endergónica y requieren de la ruptura de moléculas de ATP que proporcionen energía.