Tema 9: Enzimas

1. Definir enzimas y caracterizarlas desde el punto de vista químico: La mayoría de las enzimas son proteínas, con excepción de un pequeño grupo de moléculas de RNA catalítico, su actividad catalítica depende de la integridad de su conformación nativa. Si se desnaturaliza o disocia un enzima en subunidades, se suele perder la actividad catalítica. Si se descompone un enzima en sus AA constituyentes siempre se destruye su actividad catalítica. Así, las estructuras, primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas enzimáticas son esenciales para su actividad catalítica, los enzimas al igual que otras proteínas, tienen masas moleculares relativas que van desde unos 12.000 hasta más de un millón. Algunos enzimas no necesitan para su actividad más grupos químicos que sus AA, otros requieren un componente químico adicional llamado cofactor. el que puede ser Fe2+, Mg2+, Mn2+ o Zn2+, o alguna molécula orgánica. o metaloorganica llamada coenzima. algunas requieren tanto de coenzimas como uno o más iones metálicos para su actividad, una coenzima o ion unido covalentemente o de manera muy fuerte a un enzima se le denomina grupo protético.

Propiedades:

· Aumentan la velocidad de la reacción.

· Condiciones de reacción moderada por: temperatura, presiones y pH. Cada enzima trabajará en un medio ideal para el trabajo, ej.: la peptidasa ella actúa en un medio ácido, en los jugos gástricos, y en otro medio no trabajará, se inactivará o no hará su función.

· Especificidad de Acción, trabajan sobre un sustrato o grupo de sustratos muy específico.

· Mayor eficiencia.

· Capacidad de regulación. Su actividad está controlada por procesos celulares, genéticos y alostéricos, y muchas veces por segmentos mensajeros y sustancia adicionales a su estructura.

Características:

· Son efectivas en pequeñas cantidades. La misma enzima puede dar todos los productos necesarios.

· No sufre modificaciones químicas irreversibles, pero si puede sufrir modificaciones reversibles ya que ellas se pueden adaptar al sustrato y al culminar el proceso vuelve a su estado original.

· No afecta la posición del equilibrio de la catálisis enzimática. Ellos hacen lo que están codificadas a hacer, no van a recibir 1 sustrato y va a dar 2 productos, al menos de enzimas reductores, el resto está codificado para realizar exactamente su tarea sin afectar el equilibrio.

· La sintetizan seres autótrofos y heterótrofos.

· Actúan en el mismo sitio o lugar donde se segregan, pero pueden viajar a otro sitio. Pueden actuar a nivel intracelular y extracelular. Ej.: Los lisosomas, poseen unas 350 enzimas c/u y estas pueden actuar tanto dentro del lisosoma como puede salir para el exterior del lisosoma como por ejemplo en la fecundación.

· Según su composición se distinguen dos tipos de enzimas (proteínas): Una son las enzimas estrictamente proteicas, que solo en su estructura está constituida por aa, y otra son las enzimas que son proteínas conjugadas, que aparte de tener aa tienen otro elemento o compuesto que necesitan para que sean activadas.

· Son solubles en agua y tienen gran difusibilidad en los líquidos orgánicos.

· La característica más sobresaliente es la especificidad.

1. Representar las dos fases en las que se cumple toda reacción catalizada por enzimas, precisando los términos: Sustrato, complejo enzima sustrato, y producto:

Para entender este punto hay que tener en cuenta que en una reacción enzimática intervienen varios factores, que debemos conocer para estudiarlas:

1. Sustrato: Es donde va a actuar la enzima.

1. Superficie Ideal: Sitio de reconocimiento que debe tener la enzima para que el sustrato pueda llegar. Es donde el sustrato se reconoce con esa enzima. Trabaja de manera complementaria con el centro activo.

1. Centro Activo: Trabaja complementario con la superficie ideal.

1. Complejo Enzima-Sustrato (E-S): Es cuando la enzima está perfectamente acoplada con el sustrato, es cuando estos están unidos y se produce la reacción catalítica.

1. Producto: Es lo último de la reacción, lo que se quiere obtener después de la catálisis.

reconocimiento

La primera etapa de catalisis enzimatica es la formación de un complejo enzima-sustrato, la mayor parte de la capacidad catalitica de las enzimas procede de yuxtaponer sus sustratos en orientaciones favorables dentro de los complejos "enzima sustrato", para facilitar los estados de transicion. Los sustratos quedan unidos a una region especifica del enzima denominado "centro activo", la mayoria de los enzimas son muy selectivos en su union a los sustratos, ciertamente. la capacidad catalitica de las enzimas depende en gran parte de la especifidad de la union. Las caracteristicas espectroscopicas de muchas enzimas y sustratos cambian con la formacion del complejo E-S. estos cambios son particularmente llamativos cuando los enzimas contienen un grupo prostetico coloreado, por ejemplo la triptofano sintetasa, un enzima bacteriano cuyo grupo prostetico contiene pridoxa fosfato, esta enzima sintetiza triptofano a partir de serina y derivado del indol, al añadirse la serina la fluorescencia del pridoxal fosfato aumenta, al añadirse el derivado del indol, la misma disminuye.

La segunda etapa La molecula de sustrato fijada a la enzima sufre una deformación en los enlaces que han de ser afectados por la reacción y adquiere un estado "tenso", desde el cual pasa facilmente a formar el o los productos. este estado de tension o activacion es llamado intermediarion de transicion y explica porque la enzima reduce la energia de activacion. Sin embargo en muchas reacciones quimicas catalizadas por enzimas participan dos o más moleculas de sustratos diferentes. en estos caso, el sitio activo ofrece un nicho en el cual cada sustrato es ubicado en la posicion y orientacion más favorable para reaccionar; promoviendose así la reduccion de la energia de activacion y el incremento de la velocidad de reaccion. Que implica entonces la formacion del producto y la perdida de afinidad de la enzima por el otrora sustrato, de dicha forma se separan, rompiendo con el compleo E-S, la enzima al separase del o los productos, recobra su conformacion inical y queda lista para catalizar otra reaccion.

1. Explicar a que se le denomina: a) afinidad enzimatica, b) actividad molar c) Especifidad de una enzima

· Afinidad: es la característica o elemento que debe tener el sustrato (S) y la enzima (E) para que se complementen. Para que se unan debe haber afinidad.

· Actividad Molar: es el número de producto que se obtiene en una unidad de tiempo.

· Especificidad: Se refiere a la capacidad de una enzima de discriminar entre un sustrato y una molécula competitiva. Puede ser absoluta o relativa.

1. La especificidad de Sustrato: se refiere a que cada enzima necesita un sustrato específico para actuar. El sustrato (S) es la molécula sobre la que la enzima ejerce su acción catalítica. Ej.: Glucoquinasa, fosforila a la glucosa, el sustrato es la glucosa, ella actuará allí solamente, específicamente, en más ninguna otra. Por otro lado, la especificidad de sustrato puede ser:

1. Relativa: consiste en que hay enzimas que pueden actuar sobre diversos sustratos pero con características similares. Ej.: Hexoquinasa, fosforila a las hexosas (Lactosa, Manosa, Galactosa, Glucosa, etc.), ella reconoce a todas las que sean hexosas y le puede agregar un grupo fosfato para catalizarla, por eso es una especificidad relativa porque no es específica para una sola sino que actúa en un grupo de sustrato bien situado tengan compuestos o características similares.

1. Absoluta: se refiere a las enzimas que solo pueden actuar sobre un único sustrato específico. Ej.: Glucosa-6-Fosfato, ella solo fosforila a la glucosa, a más ninguna otra.

1. La especificidad de Acción: se trata de que cada enzima es específica para una función y no puede desempeñar otra que no sea la de ella. Ej.: Gucosa-6-Fosfato, ella fosforila a la glucosa, le transfiere un grupo fosfato a la molécula para catalizarla y solamente podrá hacer eso, cada enzima será específica para cada reacción química.

Especificidad Enzimática: Se explica por:

· Modelo Llave-Cerradura: es cuando la enzima tiene sitios específicos que sean complementarios al sustrato. En este modelo no debe haber margen de error, todo es complementario, son perfectos. Ej.: Glucosa-6-Fosfatasa con la glucosa 6 fosfato.

· Modelo de Ajuste Inducido: es cuando la enzima debe adaptarse al sustrato. Aquí la enzima puede sufrir modificaciones para aceptar al sustrato. Ej.: Hexoquinasa, debe cambiar y sufrir modificaciones para ajustarse a cualquiera de las hexosas.

1. Describir el centro activo o sitio catalitico de una enzima, señalando: A) relacion entre la forma del centro activo y la forma del sustrato y B) Residuos AA que lo delimitan y la funcion que cumplen

El centro activo de la enzima es la region que une a los sustratos y a los cofactores de ser ese el caso y contiene los residuos que participan directamente en la produccion y ruptura de enlaces. Estos residuos se denominan grupos cataliticos. en escencia la interaccion del enzima y el sustrato en el centro activo hace posible la formacion del estado de transicion. el centro activo es la region del enzima que reduce más directamente la energia libre positiva de la reaccion, lo cual tiene por resultado el caracteristico aumento de velocidad. debido a la accion enzimatica, aunque los enzimas difieren ampliamente en la estructura, especificidad y modo de catalisis, se pueden establecer alguas generalidades respecto a sus centros activos:

1) el centro activo es una hendidura tridimensional formada por grupos que provienen de diferentes partes de la secuencia de AA. incluso, residuos muy alejados de diferentes partes de la secuencia de AA pueden interaccionar más fuertemente que los residuos adyacentes.

2) el centro activo supone una porcion relativamente pequeña del volumen toal del enzima, muchos de los residuos de AA de un enzima no están en contacto con el sustrato.

3) los centros activos son microentornos unicos, en todas las enzimas de estructura conocida, las moleculas de sustrato quedan ligadas a un hoyo o hendidura de la cual el agua ha quedado normalmente excluida, salvo que sea un componente de la reaccion, el microcentro no polar de esta endidura (vease AA no polares( favorece la union con el sustrato, asi como su catalisis, ademas, la hendidura contiene tambien residuos polares, en el microentorno apolar del centro activo, ciertos residuos polares adquieren propiedades especiales para la union del sustrato o la catalisis, las posiciones internas de estos residuos polares, son desde el punto de vista biologico, excepciones a la regla general de que los residuos polares están expuestos al agua.

4) los sustratos se unen a los enzimas por numerosas fuerzas debiles. las interacciones no covalentes en los complejos E-S son mucho más debiles que los enlaces covalentes. estas interacciones reversibles debiles entre biomoleculas se realizan por enlaces electrostaticos, puentes de H, fuerzas de van der Waals e interacciones hidrofobicas. las fuerzas de van der Waals llegan a ser importantes en la union solo cuando varios Atomos del sustrato se acercan a varios atomos de la enzima simultaneamente, el caracter direccional de los puentes de hidrogeno entre el enzima y el sustrato obliga a menudo a un alto grado de especificidad.

5) la especificidad del enlace depende de la disposicion exactamente definida de los atomos del centro activo, un sustrato debe tener una forma adecuada para introducirse en dicho centro ya que el enzima y el sustrato interaccionan por medio de fuerzas de corto alcance que necesitan un contacto cercano, los centros activos de estos sutratos tienen formas que son complementarias a la del sustrato solamente despues de que el sustrato se haya unido. este proceso de reconocimiento dinamico se denomina ajuste inducido, mientras que hay otro modelo en el cual la enzima tiene en su centro activo la forma tridimensional de su sutrato especifico.

1. Definir apoenzima y holoenzima:

Las enzimas pueden estar formadas tan solo por residuos aminoácidos (parte proteica) y funcionar, o bien, pueden requerir de un cofactor, coenzima u grupo prostético para funcionar en dicho caso se conoce como:

· Apoenzima: Es la parte proteica de la enzima, también llamada apoproteína.

· Holoenzima: Es la enzima completa catalíticamente activa junto con su cofactor, ya sea coenzima o grupo prostético.

· Grupo prostético: Un coenzima o ion metálico unido covalentemente a la enzima.

1. Definir cofactores y clasificarlos según su naturaleza quimica:

+Cofactor: Es el componente químico adicional que se le agrega a la Apoenzima para permitir la correcta funcionalidad de la enzima. Este cofactor puede ser uno o varios átomos, iones o moléculas que participan en el proceso catalítico sin ser enzima ni sustrato. Y según su naturaleza puede ser una coenzima o un grupo prostético.

-Coenzima: Cofactor que son moléculas orgánicas que se requieren en la enzima para su actividad.

-Grupo Prostético: Cofactor de uno o varios iones o moléculas inorgánicas, unido covalentemente o de manera muy fuerte a la Apoenzima.

1. Definir vitaminas y clasificarlas según su solubilidad:

Son compuestos heterogéneos imprescindibles para la vida, que al ingerirlos de forma equilibrada y en dosis esenciales promueven el correcto funcionamiento fisiológico. La mayoría de las vitaminas esenciales no pueden ser sintetizadas (elaboradas) por el organismo, por lo que éste no puede obtenerlas más que a través de la ingesta equilibrada de vitaminas contenidas en los alimentos naturales. Las vitaminas son nutrientes que junto con otros elementos nutricionales actúan como catalizadoras de todos los procesos fisiológicos (directa e indirectamente) y pueden clasificarse en vitaminas hidrosolubles (Las vitaminas B y la vitamina C) y liposolubles (Vitaminas A, D, E y K).

1. Explicar la relación existente entre las vitaminas y las coenzimas resaltando la importancia biomédica de las vitaminas:

Pese a su carácter de nutrientes esenciales, las vitaminas no desempeñan funciones plásticas ni energéticas. Su notable actividad en concentraciones muy pequeñas asemeja su acción a la de hormonas, catalizadoras y otros reguladores metabólicos. Las vitaminas participan en numerosos procesos fisiológicos, muchas integran sistemas enzimáticos en carácter de coenzimas, otras cumplen su papel de modo similar al hormonal.

como por ejemplo la tiamina, la cual desempeña un papel muy importante en el metabolismo intermediario de todas las células, su forma metabólicamente activa "pirofosfato de tiamina", es una de las coenzimas de sistemas multienzimaticos que catalizan la descarboxilación oxidativa de αcetoacidos (Piruvato Deshidrogenasa, α cetoglutarato deshidrogenasa), dichos complejos enzimáticos son complejos compuestos por tres enzimas, A) Descarboxilasa, que requiere de pirofosfato de tiamina, B) Lipoamida aciltransferasa y C) Dihidroliopil deshidrogenasa, el complejo utiliza cinco coenzimas (Esto es importante para el ciclo de Krebs) 1) prifosfato de tiamina 2) Acido Lipoico 3) CoA 4) Flavina Adenina Dinucleotido (FAD) y 5) Nicotinamida Adenina Dinucleotido (NAD).

Otro ejemplo es la Coenzima FAD que son grupos prostéticos de flavoproteinas que funcionan con papeles oxidoreductores, se encuentra en distintas flavoproteinas en mitocondrias, en el sistema de transporte de electrones, en los complejos I y II y por último ejemplo el ácido pantoténico, La importancia del mismo proviene de su participación en la constitución de la CoA-SH (coenzima A) y la proteína transportadora de acilos (del complejo ácido graso sintasa). La coenzima A, y por ende el Ácido pantoténico, tiene un papel muy importante en el metabolismo, puesto que interviene en una gran cantidad de reacciones metabólicas importantes.

1. Relacionar mediante un cuadro las vitaminas hidrosolubles con las diversas formas coenzimaticas que actúan en las principales rutas metabólicas

Vitamina

Compuesto derivado de la vitamina

Tipo de reacción enzimáticas donde actúan

Enzima

B1 Tiamina

Pirofosfato de tiamina

Descarboxilación oxidativa (de los αcetoacidos) y transferencias de grupo

Piruvato DH

αcetoglutarato DH

Transcetolasa

B2 Riboflavina

coenzima FAD y FMN

Oxido reducción

NADH-Ubiquinona reductasa, NADH DH

Succinato DH

B3 Acido pantoténico

Coenzima A

Contrasacilasa

αcetoglutarato DH

B5 Acido nicotínico

Coenzimas NAD y NADP

Oxidoreduccion

Glucosa-6P-DH

Isocitrato DH

B6 Piridoxina

Piridoxal Fosfato

Transaminacion, Descarboxilación, Desaminación de Serina y treonina, metabolismo del triptófano, interconversion de AA, biosíntesis de Hemo, Glucogenólisis

Glutámico Descarboxilasa

H Biotina

Biotina

Carboxilacion

Acetil-CoA carboxilasa

Ácido fólico

Ácido tetrahidrofolico

metabolismo de restos hidrocarbonados, síntesis de purina y timina, metabolismo de AA

B12 Cobalamina

Vitamina B12

Conversión de homocisteina en metionina, Isomerización de L-metilmalonil-CoA a succinil-CoA

homocisteina metiltransferasa

C Ácido Ascorbico

Ácido Ascorbico

Hidroxilacion, Aminacion de hormonas polipeptidas, algunas reacciones de oxidoreduccion (Como la reducción del glutatión oxidado)

Prolina monoxigenasa

INFORMACION QUE PODRIA SER DE AYUDA:

Clasificación de las enzimas: según las reacciones que catalizan.

· Clase 1: Oxidorreductasas: Son aquellas enzimas que participen en los procesos de óxido reducción, estas se encargan de la transferencia de electrones, dan o quitan electrones. Pero estas necesitan de la colaboración de cofactores de óxido reducción como lo son el NAD+, NADP+ y el FAD. Ej.: Deshidrogenasas, transfieren hidrogeniones.

· Clase 2: Transferasas: Son las enzimas con capacidad de transferir grupos activos. Ej.: Transaminasas, transfieren grupos amino.

· Clase 3: Hidrolasas: Son las enzimas que tienen la capacidad de romper compuestos o moléculas grandes en reacciones de hidrólisis (transferencia de grupos funcionales al agua).

· Clase 4: Liasas: Son las enzimas que realizan degradación o síntesis de los enlaces denominados fuertes (dobles enlaces) sin ser acoplados a sustancias de alto valor energético (sin gastar energía), éstos pueden convertir los enlaces sencillos (-) en dobles enlaces (=) y viceversa también pueden convertir los doble enlaces en enlaces simples. Asimismo se considera que son capaces de adicionar grupos a dobles enlaces, o formación de dobles enlaces por eliminación de grupos. Ej.: Descarboxilasas.

· Clase 5: Isomerasas: Son las enzimas que cambian de posición a un grupo activo, por lo que actúan sobre moléculas obteniendo de ellas sus isómeros de función o de posición. También se dice que transfieren grupos dentro de moléculas dándole formas isoméricas. Ej.: Epimerasas.

· Clase 6: Ligasas: Son las enzimas que realizan la degradación o síntesis de los enlaces fuertes (dobles enlaces) mediante el acoplamiento a sustancias de alto valor energético (ruptura del ATP - con gasto de energía). Ej.: Sintetasas, éstas últimas rompen enlaces y forman otros nuevos y aceptan un compuesto del grupo amonio.

· Clase 7: Quinasas: son aquellas enzimas que realizan el transporte de un grupo fosfato desde el sustrato o hacia el sustrato.

IMPORTANTE:

En la creación de esta guía se ha utilizado material didáctico obtenido de los libros:

· Bioquímica Lehninger 4taEd

· Harper Bioquímica Ilustrada 28Ed

· Bioquímica de Blanco 8ed.

· Lubert Styer Bioquímica 6ta ed.