INTRODUCCIÓN A ENZIMAS

INTRoducción a enzimas

Bioquímica

	En el siguiente trabajo se presenta la información citada, que fue usada como base para nuestra presentación “Introducción a las Enzimas” en el seminario “Enzimas”, celebrado la semana del 10 al 14 de marzo, por motivos de la evaluación de la tercera unidad del curso de bioquímica, en las instalaciones del Instituto Tecnológico de La Paz.

INTRODUCCION A LAS ENZIMAS

Definición de enzima:

Un enzima es una proteína (a excepción de un pequeño grupo de RNA catalítico), que se combina con uno o más compuestos de forma que reaccionan mucho más rápido que lo harían sin la enzima.

Gran parte de la historia de la bioquímica es la historia de la investigación enzimática, los catalizadores biológicos se reconocieron como tales, y fueron descritos por primera vez  en el siglo XVIII, en estudios sobre la digestión de la carne por secreciones del estómago; la investigación duro  el siglo XIX  con el examen de la conversión del almidón en azúcar por la saliva y diversos extractos vegetales.

Los enzimas son como las demás proteínas, tienen estructura primaria  se pliegan en una conformación particular en la que sus grupo reactivos están dispuestos del modo apropiado para dar al conjunto actividad biológica.

Los grupos reactivos tienen dos misiones, la primera es unir los compuestos particulares en proximidad al sitio donde tiene lugar la catálisis, el enzima tiene así cierta especificidad para un cierto número de compuestos; la segunda función es realizar el mecanismo catalítico.

En 1850 Louis Pasteur llego a la conclusión de que la fermentación del azúcar a alcohol por la levadura estaba catalizada por “fermentos”. Postuló que tales fermentos son inseparables de la  estructura de las células de levaduras vivas; este punto de vista fue denominado como Vitalismo, el cual se mantuvo durante décadas, hasta que el descubrimiento de Eduard Buchner en 1897; de que los extractos de levadura al fermentar el azúcar a alcohol demostró que las células continuaban funcionando cuando se separaban de la estructura de células vivas. Este experimento significaba el fin de las nociones vitalistas y el alumbramiento a la ciencia de la Bioquímica.

Más tarde Frederick Kühne dio el nombre de enzimas a las moléculas detectadas por Buchner.

James Sumner en 1926, aisló y cristalizo ureasa, lo que proporcionó un gran impulso a los primeros estudios sobre las enzimas. Sumner encontró que los cristales de ureasa consistían exclusivamente en proteínas y postuló que todos los enzimas son proteínas. Como no existían ejemplos, esta idea fue muy discutida durante un tiempo. Lo que postuló Sumner solo fue aceptado cuando John Northrop y Moses Kunitz aislaron y cristalizaron pepsina, tripsina y otros enzimas digestivos y encontraron que también eran proteínas.

Durante este periodo John Burdon Sanderson Haldane, escribió un tratado denominado Enzymes (enzimas), a pesar de que no estaba muy clara la naturaleza molecular de los enzimas, Haldane opinó que las interacciones por enlaces débiles entre el enzima y su sustrato podrían ser utilizadas para catalizar una reacción, esta brillante idea está en el centro de nuestro conocimiento actual sobre la catálisis enzimática.

Desde las últimas décadas del siglo XX se han purificado millones de enzimas, de los que se han explicado su estructura, función y mecanismo de acción.

Estructura

Más del 90% de las enzimas son proteínas globulares o escleroproteínas y el resto se encuentran conjugadas a un grupo prostético. Los estudios recientes y otras técnicas han permitido un mejor conocimiento sobre la estructura de las enzimas y han proporcionado cierta evidencia de las hipótesis de la llave y la cerradura y del ajuste inducido.

Una enzima puede estar asociada a otras sustancias no proteicas para ejercer su actividad en condiciones óptimas, estas sustancias se denominan cofactores y pueden ser compuestos inorgánicos, iones metálicos o compuestos orgánicos unidos fuerte o débilmente a la fracción proteica.

·                     Cuando el cofactor es un compuesto orgánico se denomina coenzima    y suele pertenecer en muchas ocasiones al grupo de las vitaminas.

·                     Cuando se trata de un ion metálico se denominan activadores

·                     Cuando el cofactor se encuentra fuertemente unido a la estructura proteica se denomina grupo prostético, como por ejemplo: el grupo hemo de la hemoglobina

A la parte proteica sin el cofactor se le llama apoenzima, y al complejo enzima-cofactor holoenzima.
 

También existen enzimas que se sintetizan en forma de un precursor inactivo llamado proenzima. Cuando se dan las condiciones adecuadas en las que la enzima debe actuar, se segrega un segundo compuesto que activa la enzima. Por ejemplo: el tripsinógeno segregado por el páncreas activa a la tripsina en el intestino delgado, el pepsinógeno activa a la pepsina en el estómago, etc.
 
Las enzimas actúan generalmente sobre un sustrato específico, como la ureasa, o bien sobre un conjunto de compuestos con un grupo funcional específico, como la lipasa o las transaminasas. La parte de la enzima que "encaja" con el sustrato para activarlo es denominada centro activo, y es el responsable de la especificidad de la enzima. En algunos casos, compuestos diferentes actúan sobre el mismo sustrato provocando una misma reacción, por lo que se les llama isoenzimas.

Mecanismos de Catálisis.

Ácido-Básica

La catálisis acida general es un proceso en el que la transferencia parcial del protón de un ácido de bronsted disminuye la energía libre del estado de transición de una reacción. Por ejemplo la tautomerización cetoenólica no catalizada se produce con bastante lentitud como resultado de la energía elevada de su estado de transición similar al carbanion. Sin embargo, la donación del protón de oxigeno reduce el carácter del carbanion del estado de transición, que por eso cataliza la reacción.

Covalente.
La catálisis covalente implica la aceleración de la velocidad a través de la formación de un enlace covalente transitorio sustrato-catalizador. Un ejemplo de este tipo de proceso es la descarboxilación de acetoacetato, catalizado en forma química por las aminas primarias.

Por iones metálicos.

Casi la tercera parte de todas las enzimas conocidas requiere la presencia de iones metálicos para la actividad catalítica. Hay dos clases de enzimas que requieren Iones metálicos y se diferencian por las fuerzas de interacciones Ion-proteína:

·         Metaloenzimas: Contienen iones metálicos unidos con firmeza, con más frecuencia iones metálicos de transición, como Fe²⁺, Fe³⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Mn²⁺ o Co³⁺.

Enzimas activadas por metales.

Se unen en forma débil con iones metálicos de la solución, por lo general iones metálicos alcalinos y de tierra alcalinos como Na⁺, K⁺, Mg²⁺ o Ca²⁺.

Catálisis mediante efectos de proximidad y orientación.

Si bien las enzimas emplean mecanismos catalíticos que se asemejan a los de las reacciones con modelo orgánico, desde el punto de vista catalítico son mucho más eficaces que estos modelos. Esta eficacia debe originarse en las condiciones en las condiciones físicas específicas en los sitios catalíticos de las enzimas que estimulan las reacciones químicas correspondientes. Los efectos más obvios son proximidad y orientación; para que una reacción se produzca, los reactantes deben tener la relación espacial adecuada.

Catálisis por fijación preferencial del estado de transición.

Las intensificaciones de la velocidad efectuadas por las enzimas a menudo son mayores que las que pueden considerarse por los mecanismos católicos descritos hasta ahora. Sin embargo aún no consideramos uno de los mecanismos más importantes de la catálisis enzimática: la fijación del estado de sustratos o productos correspondientes. Cuando se considera junto con los mecanismos catalíticos descritos antes, la fijación preferencial del estado de transición racionaliza las velocidades observadas de las reacciones enzimáticas.

El concepto original de fijación del estado de transición se propuso que las enzimas fuerzan en forma mecánica a sus sustratos hacia la geometría del estado de transición a través de los sitios de unión en los que los sustratos sin distorsión encajan de manera adecuada. Este es el denominado mecanismo poteo basado en la evidencia extensa del papel de la extensión en la estimulación de las reacciones orgánicas. Por ejemplo la velocidad de reaccion de

es 350 veces más rápida cuando R es un CH₃ en lugar de un H.

Co-enzimas

La capacidad catalítica de los enzimas está limitada por las propiedades de los grupos funcionales de los aminoácidos del centro activo:

-          Ácidos y basesà transferencia de H+

-          Nucleófilosà transferencia de grupos

-          Cuando los cambios químicos no pueden ser producidos por los residuos de los aminoácidos, los enzimas actúan con la cooperación de pequeñas molécula orgánica o iones metálicos llamados cofactores enzimáticos o coenzimas.

Un cofactor enzimáticos se define como un componente no proteico que actúa coordinadamente con un enzima para catalizar una reacción bioquímica: 

Unido por un enlace covalenteàgrupo prostético.

Algunos de los grupos funcionales son:

-          Grupo prostético: coenzima o metal unido covalentemente a la enzima. De características no proteicas.

-          Holoenzima: es una enzima cuya actividad catalítica depende de tener unido de manera covalente  a su grupo prostético. Esto quiere decir que bajo ciertas condiciones el grupo prostético puede ser removido de la enzima, por motivos regulatorios, o bien existen estados en los cuales la enzima carece de este grupo, por ejemplo recién sintetizada la cadena de aminoácidos; la presencia del grupo prostético es una modificación postraduccional. Al estado de la enzima que carece del grupo prostético se le denomina apoenzima.

Características generales de lo coenzimas:

-          Bajo peso molecular, similar a los sustratos metabólicos.

-          Termoestables.

-          Se encuentran en baja concentración en las células.

-          Pueden ser compartidos por muchos enzimas diferentes.

-          Pueden modificarse y no recuperarse en la misma reacción.

-          Son heterocíclicos o ciclos con electrones muy móviles.

-          Poseen una extraordinaria reactividad.

-          En su mayoría son de origen vitamínico.

Clasificación de coenzimas:

v  Criterio nutricional:

§  Origen vitamínico

§  Origen no vitamínico

v  Criterio funcional:

§  Coenzimas de transporte de grupos

§  Coenzimas de transporte de electrones

v  Criterio enzimológico:

§  Según el tipo de reacción en que participen

Las vitaminas:

Son sustancias presentes en los alimentos naturales, que no pueden ser sintetizadas significativamente por el organismo y que se requieren en pequeñas cantidades para el funcionamiento metabólico.

Las vitaminas no producen energía y por tanto no implican calorías. Intervienen como catalizador en las reacciones bioquímicas provocando la liberación de energía. En otras palabras, la función de las vitaminas es la de facilitar la transformación que siguen los sustratos a través de las vías metabólicas.

Identificar las vitaminas ha llevado a que hoy se reconozca, por ejemplo, que en el caso de los deportistas haya una mayor demanda vitamínica por el incremento en el esfuerzo físico, probándose también que su exceso puede influir negativamente en el rendimiento.

Conociendo la relación entre el aporte de nutrientes y el aporte energético, para asegurar el estado vitamínico correcto, es siempre más seguro privilegiar los alimentos de fuerte densidad nutricional (legumbres, cereales y frutas) por sobre los alimentos meramente calóricos.

Cofactores metálicos:

§  Presenta elevada concentración de carga positiva.

§  Poseen valencias dirigidas: interacción con varios ligandos.

§  Pueden poseer dos estados o más de valencias.

§  Los más importantes cofactores metálicos son metales de transición (Mn,Fe,Zn,Co,Cu,Mo)

Inhibidores enzimáticos

Los inhibidores enzimáticos son moléculas que se unen a enzimas y disminuyen su actividad.

La unión de un inhibidor puede impedir la entrada del sustrato al sitio activo de la enzima y/u obstaculizar que la enzima catalice su reacción correspondiente. La unión del inhibidor puede ser reversible o irreversible. Normalmente, los inhibidores irreversibles reaccionan con la enzima de forma covalente y modifican su estructura química a nivel de residuos esenciales de los aminoácidos necesarios para la actividad enzimática.

 En cambio, los inhibidores reversibles se unen a la enzima de forma no covalente, dando lugar a diferentes tipos de inhibiciones, dependiendo de si el inhibidor se une a la enzima, al complejo enzima-sustrato o a ambos.

Existen 3 tipos de inhibiciones.

-Inhibición competitiva: El sustrato y el inhibidor no se pueden unir a la misma enzima al mismo tiempo, como se muestra en la figura de la derecha. Esto generalmente ocurre cuando el inhibidor tiene afinidad por el sitio activo de una enzima en el que también se une el sustrato; el sustrato y el inhibidor compiten para el acceso al sitio activo de la enzima. Este tipo de inhibición se puede superar con concentraciones suficientemente altas del sustrato, es decir, dejando fuera de competición al inhibidor. Los inhibidores competitivos son a menudo similares en estructura al sustrato verdadero.

En la inhibición competitiva la velocidad máxima de la reacción no varía, pero se necesitan concentraciones más elevadas de sustrato para alcanzar una determinada velocidad

-Inhibición acompetitiva: el inhibidor no puede unirse a la enzima libre, sino únicamente al complejo enzima-sustrato (ES). Una vez formado el complejo con el inhibidor (EIS) la enzima queda inactiva.

-Inhibición mixta: el inhibidor se puede unir a la enzima al mismo tiempo que el sustrato. Sin embargo, la unión del inhibidor afecta la unión del sustrato, y viceversa. Este tipo de inhibición se puede reducir, pero no superar al aumentar las concentraciones del sustrato. Aunque es posible que los inhibidores de tipo mixto se unan en el sitio activo, este tipo de inhibición resulta generalmente de un efecto alostérico donde el inhibidor se une a otro sitio que no es el sitio activo de la enzima. La unión del inhibidor con el sitio alostérico cambia la conformación (es decir, la estructura terciaria o la forma tridimensional) de la enzima de modo que la afinidad del sustrato por el sitio activo se reduce.

-En la inhibición no competitiva, es una forma de inhibición mixta donde la unión del inhibidor con la enzima reduce su actividad pero no afecta la unión con el sustrato. Como resultado, el grado de inhibición depende solamente de la concentración de inhibidor.

Los inhibidores irreversibles

Los inhibidores irreversibles se unen de manera covalente, destruyen un grupo funcional del enzima que es esencial para su actividad o forman una asociación no covalente entre un inhibidor irreversible y un enzima.

Los residuos modificados son aquellos que contienen en sus cadenas laterales nucleófilos como por ejemplo un grupo hidroxilo o un grupo sulfhidrilo.

Aplicaciones de los inhibidores

Los inhibidores enzimáticos pueden ser encontrados en la naturaleza, pero también son diseñados y producidos como parte de la farmacología y la bioquímica. Los venenos naturales son a menudo inhibidores enzimáticos que han evolucionado para defender a una planta o animal contra sus depredadores.

 Los inhibidores artificiales son a menudo usados como medicamentos, pero también existen algunos utilizados como insecticidas (como el malathion), herbicidas (como el glifosato) o desinfectantes, (como el triclosán).

Función biológica y regulación.

Las reacciones bioquímicas se pueden subdividir en varias etapas microscópicas, cada una con una pequeña energía de activación, el que dicha subdivisión ocurra se demuestra por la recuperación de intermediarios covalentes; compuestos formados por la reacción de una enzima con un sustrato antes de liberar el último producto de la reacción. Las enzimas reúnen los sustratos en un lugar especial de la superficie denominado centro activo o centro catalítico para formar un complejo enzima sustrato. La formación de este complejo puede reducir la energía de activación de muchas formas. Por ejemplo, al reunir los sustratos en el centro activo, la enzima los concentra y acelera la reacción, sin embargo, una enzima no solo concentra sus sustratos, sino que también se une a ellos de forma que se orienten correctamente entre  sí para formar un complejo del estado de transición. Esta orientación reduce la cantidad de energía que necesitan los sustratos para alcanzar el estado de transición, estas y otras actividades de los centros catalíticos aceleran una reacción en cientos de miles de veces, aunque la reacción suele te lugar a temperaturas que varían entre 0 y 37°C. Estas temperaturas no son suficientes altas para favorecer la mayoría de las reacciones orgánicas en ausencia de catálisis enzimática, pero las células no pueden sobrevivir a las altas temperaturas empleadas por los químicos orgánicos en  reacciones orgánicas sistemáticas. Las enzimas hacen posible la vida al a acelerar reacciones especificas a bajas temperaturas. Cabe aclarar, que ninguna reacción química puede alcanzar un rendimiento del cien por ciento, sea o no catalizada por una enzima. Cuando se trata de duplicar la información durante la división celular, que tiene lugar a través de proceso catalizados por enzimas, un error equivalente a una pequeña fracción de uno por ciento es inaceptable. Las enzimas presentan una amplia variedad de funciones en los organismos vivos. Son indispensables en la transducción de señales y en procesos de regulación, normalmente por medio de quinasas y fosfatasas.

También son capaces de producir movimiento, como es el caso de la miosina al hidrolizar ATP para generar la contracción muscular o el movimiento de vesículas por medio del citoesqueleto.70 Otro tipo de ATPasas en la membrana celular son las bombas de iones implicadas en procesos de transporte activo. Además, las enzimas también están implicadas en funciones mucho más exóticas, como la producción de luz por la luciferasa en las luciérnagas.

Los virus también pueden contener enzimas implicadas en la infección celular, como es el caso de la integrasa del virus HIV y de la transcriptasa inversa, o en la liberación viral, como la neuraminidasa del virus de la gripe.

Una importante función de las enzimas es la que presentan en el sistema digestivo de los animales. Enzimas tales como las amilasas y las proteasas son capaces de degradar moléculas grandes (almidón o proteínas, respectivamente) en otras más pequeñas, de forma que puedan ser absorbidas en el intestino. Las moléculas de almidón, por ejemplo, que son demasiado grandes para ser absorbidas, son degradadas por diversas enzimas a moléculas más pequeñas como la maltosa, y finalmente a glucosa, la cual sí puede ser absorbida a través de las células del intestino. Diferentes enzimas digestivas son capaces de degradar diferentes tipos de alimentos. Los rumiantes que tienen una dieta herbívora, poseen en sus intestinos una serie de microorganismos que producen otra enzima, la celulasa, capaz de degradar la celulosa presente en la pared celular de las plantas.

Varias enzimas pueden actuar conjuntamente en un orden específico, creando así una ruta metabólica. En una ruta metabólica, una enzima toma como sustrato el producto de otra enzima. Tras la reacción catalítica, el producto se transfiere a la siguiente enzima y así sucesivamente. En ocasiones, existe más de una enzima capaz de catalizar la misma reacción en paralelo, lo que permite establecer una regulación más sofisticada: por ejemplo, en el caso en que una enzima presenta una actividad constitutiva pero con una baja constante de actividad y una segunda enzima cuya actividad es inducible, pero presenta una mayor constante de actividad. Las enzimas determinan los pasos que siguen estas rutas metabólicas. Sin las enzimas, el metabolismo no se produciría a través de los mismos pasos, ni sería lo suficientemente rápido para atender las necesidades de la célula. De hecho, una ruta metabólica como la glucólisis no podría existir sin enzimas. La glucosa, por ejemplo, puede reaccionar directamente con el ATP de forma que quede fosforilada en uno o más carbonos. En ausencia de enzimas, esta reacción se produciría tan lentamente que sería insignificante. Sin embargo, si se añade la enzima hexoquinasa que fosforila el carbono 6 de la glucosa y se mide la concentración de la mezcla en un breve espacio de tiempo se podrá encontrar únicamente glucosa-6-fosfato a niveles significativos. Por tanto, las redes de rutas metabólicas dentro de la célula dependen del conjunto de enzimas funcionales que presenten.

Control de la actividad enzimática

Las células pueden controlar la actividad de la enzima de estas cinco formas

Producción de la enzima (a nivel de la transcripción o la traducción): la síntesis de una enzima puede ser favorecida o desfavorecida en respuesta a determinados estímulos recibidos por la célula. Esta forma de regulación génica se denomina inducción e inhibición enzimática. Por ejemplo, las bacterias podrían adquirir resistencia a antibióticos como la penicilina gracias a la inducción de unas enzimas llamadas beta-lactamasas, que hidrolizan el anillo beta-lactámico de la molécula de penicilina. Otro ejemplo, son las enzimas presentes en el hígado denominadas citocromo P450 oxidasas, las cuales son de vital importancia en el metabolismo de drogas y fármacos. La inducción o inhibición de estas enzimas puede dar lugar a la aparición de interacciones farmacológicas.

Compartimentalización de la enzima: las enzimas pueden localizarse en diferentes compartimentos celulares, de modo que puedan tener lugar diferentes rutas metabólicas de forma independiente. Por ejemplo, los ácidos grasos son sintetizados por un conjunto de enzimas localizadas en el citosol, en el retículo endoplasmático y en el aparato de Golgi, y posteriormente, dichos ácidos grasos son utilizados por otro conjunto de enzimas diferentes como fuente energética en la mitocondria, a través de la β-oxidación.

Inhibidores y activadores enzimáticos: las enzimas pueden ser activadas o inhibidas por ciertas moléculas. Por ejemplo, el producto final de una ruta metabólica suele actuar como inhibidor de alguna de las enzimas implicadas en las primeras reacciones de la ruta, estableciendo así una realimentación negativa que regula la cantidad de producto final obtenido por esa ruta. Este mecanismo de realimentación negativa permite ajustar efectivamente la velocidad de síntesis de los metabolitos intermedios con la demanda de la célula, y permite distribuir económicamente materiales y energía para evitar exceso o escasez de los productos finales. Este control enzimático permite mantener un ambiente relativamente estable en el interior de los organismos vivos.

Modificación postraduccional de enzimas: las enzimas pueden sufrir diversas modificaciones postraduccionales como la fosforilación, la miristoilación y la glicosilación. Por ejemplo, en la respuesta a insulina, se produce la fosforilación de multitud de enzimas, como la de la glucógeno sintasa, que ayuda en el control de la síntesis o degradación del glucógeno y permite a la célula responder a las variaciones de los niveles de azúcar en sangre.

Otro ejemplo de modificación postraduccional es la degradación de la cadena polipeptídica. La quimiotripsina, una proteasa digestiva, es sintetizada en una forma inactiva, quimiotripsinógeno, en el páncreas y transportada en este estado hasta el estómago, donde será activada. De este modo se evita que la enzima digiera el páncreas y los demás tejidos por los que pasa antes de llegar al estómago. Este tipo de precursor inactivo de una enzima es denominado zimógeno.

Activación dependiente del ambiente: algunas enzimas pueden ser activadas cuando pasan de un ambiente con unas condiciones a otro con condiciones diferentes, como puede ser el paso del ambiente reductor del citoplasma al ambiente oxidativo del periplasma, el paso de un ambiente con elevado pH a otro con bajo pH, etc. Por ejemplo, la hemaglutinina del virus de la gripe es activada mediante un cambio conformacional que se produce cuando el pH del medio es suficientemente ácido, lo cual ocurre cuando el virus entra en el interior de la célula a través de un lisosoma.

 

 

 

 

 

 

 

 

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