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ENZIMAS
RESEÑA HISTORICA Y ETIMOLOGICA
Desde finales del Siglo XVIII y principios del Siglo XIX, se tenía conocimiento sobre la digestión de la carne de las secreciones del estómago y la conversión del almidón en azúcar por la saliva y extractos de plantas; sin embargo, el mecanismo por el cual esto ocurría no había sido identificado. En el Siglo XIX, cuando se estudiaba la fermentación del azúcar al alcohol, utilizando levaduras; Louis Pasteur concluye que esta fermentación estaba catalizada por una fuerza vital contenida en las células de levadura, denominadas fermentos y cuya actividad, se pensó de estar relacionada con el estado vital de los organismos. Así mismo, escribió “la fermentación del alcohol es un acto relacionado con la vida y la organización de las células de las levaduras y no con la muerte y la putrefacción de las células”. En 1878, el fisiólogo Wilhelm Kuhne (1837-1900) acuño el termino de enzima, que proviene del griego “en
levadura”, para describir el mencionado proceso. Posteriormente, el termino enzima fue usado, para referirse a sustancias inertes como la pepsina. Por otro lado la palabra “fermento” solía referirse a la actividad química producida por organismos vivientes. En 1897, Eduard Buchner inicio estudios sobre la capacidad de los extractos de levadura para fermentar azúcar en ausencia de células vivientes de levadura. Luego de una serie de experimentos llevados a cabo en la Universidad Humbolt de Berlin, descubrió que el azúcar era fermentado inclusive cuando no había elementos vivos en la mezcla con células de levadura. Menciono a la enzima “zimasa”, causante de la fermentación de la sucrosa. En 1907 recibió el Premio Nobel de Química por sus investigaciones bioquímicas y el haber descubierto la fermentación libre de células vivas. Habiéndose demostrado que las enzimas pueden funcionar fuera de una célula viva, el próximo paso era determinar su naturaleza bioquímica. En muchos de los trabajos iniciales se había observado que la actividad enzimática estaba asociada con proteínas, sin embargo,
liderado por David Chilton Phillips y publicada en 1965. Este hecho marco el inicio de las investigaciones en el campo de la biología estructural y el esfuerzo por entender como las enzimas operan a un nivel anatómico de detalles. CONCEPTO.- Las enzimas son catalizadores biológicos de elevada especificidad de naturaleza proteica (aunque ha habido estudios cerca de enzimas de naturaleza glucosídica); es decir, son sustancias que aceleran la velocidad de las reacciones químicas en los seres vivos sin modificarse, lo que significa que pueden ser utilizados una y otra vez y casi siempre actúan sobre un único sustrato o sobre un grupo muy reducido de ellos. Las enzimas son muy potentes y eficaces ya que actúan en pequeñas cantidades y se recuperan indefinidamente. No llevan a cabo reacciones que sean enérgicamente desfavorables y no modifican el sentido de los equilibrios químicos. Si no que aceleran su consecución. Las enzimas son usualmente nombrados de acuerdo a la reacción que producen. Típicamente el sufijo “-asa” es agregado al nombre del sustrato (ej. La lactasa es la
enzima que actúa sobre la lactosa) o el tipo de reacción (ej. La ADN polimerasa que añade monómeros al polímero de ADN). En una reacción catalizada por una enzima:
- La sustancia sobre la cual actúa la enzima se llama sustrato
- El sustrato se una a una región catalítica, que favorece la orientación de los grupos químicos). Este último comprende: Sitio de unión (zona de fijación), formando por los aminoácidos que están en contacto directo con el sustrato. Sitio catalítico (zona de catálisis), formando por los aminoácidos directamente implicados en el mecanismo de la reacción (algunas veces pueden corresponder a grupos prostéticos). La energía necesaria para transformar un sustrato en producto se denomina energía de activación, el tiempo que demora en transformarse un sustrato en producto es el tiempo de reacción.
Cofactor: Cuando se trata de iones metálicos como el Fe
, Mg ++ , Mn ++ , Zn ++ , Cu ++ , etc o moléculas inorgánicas. Coenzimas: Cuando es la molecula orgánica como por ejemplo fosfatos de azucares, pirofosfato de tiamina, fosfato de pirodoxal, Co ASH, ácido lipoico, biotina, NAD
, FMN, FAD, coenzima Q, etc. Aquí se puede señalar, que muchas vitaminas funcionan como coenzimas y realmente las deficiencias producidas por la falla de vitaminas responde más bien a que no se pueda activar una determinada enzima en el que la vitamina es la coenzima. El complejo enzima-cofactor recibe el nombre de holoenzima (forma catalíticamente activa). A la fracción proteica aislada del cofactor que es inactiva se la denomina apoenzima. Los cofactores participan de manera importante en la función de la enzima y casi siempre cumplen tareas para las cuales los aminoácidos son inadecuados. Cuando los cofactores y las coenzimas se encuentran unidos
covalentemente a la enzima, se denominan grupos prostéticos. Algunas vitaminas son necesarias para la activación de determinadas enzimas, ya que funcionan como coenzimas que intervienen en distintas rutas metabólicas y por ello, una deficiencia en una vitamina puede originar importantes defectos metabólicos. VITAMINAS FUNCIONES ENFERMEDADE S CARENCIALES C (ácido ascórbico) Coenzima de algunas peptidasas. Interviene en la síntesis de colágeno. Escorbuto B (tiamina) Coenzima de las descarboxilasas y de las enzimas que transfieren grupos aldehídos. Beriberi B (riboflavina ) Constituyente de los coenzimas FAD y FMN Dermatitis y lesiones en las mucosas B (niacina) Constituyente de la CoA Fatiga y trastornos del sueño. B5 (ácido Constituyente de los Pelagra
son incapaces de actuar sobre sustancias estrechamente relacionadas, por ejemplo sobre un estereoisómero de la misma molecula.
- Especificidad de acción: Cada reacción esta catalizada por una enzima específica. PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS Las propiedades de las enzimas derivan del hecho de ser proteínas y de actuar como catalizadores y son:
- Gran capacidad catalítica, lo que hace que estén presentes en pequeñas cantidades es decir las cantidades infinitésimas son suficientes para la transformación de una sustancia reactante en producto.
- No sufren modificaciones químicas durante la catálisis. Es decir que luego de la reacción enzimática, las moléculas de enzimas que reaccionaron son distinguibles de las que no han realizado (la estructura de la molecula se mantiene exactamente igual al principio y final), lo que significa que puede ser utilizada una y otra vez.
- Las enzimas pueden tener sitios activos ligeramente flexibles, los cuales se adaptan a la conformación molecular del sustrato.
- Presentan sensibilidad, es decir debido a su naturaleza proteica las enzimas están sujetas a la desnaturalización y pérdida de su actividad catalítica.
- No tienen efecto sobre la termodinámica de la reacción, es decir no determinan si una reacción es termodinámicamente favorable (exergonica) o desfavorable (endergonica) y tampoco determinan cual es la relación en el equilibrio entre productos y reactantes.
- Las enzimas son termolábiles y su actividad depende en ciertos casos del pH del medio; es decir, la actividad catalítica de una enzima suele ir asociada a cambios conformación en su estructura debido a la influencia de factores como pH, temperatura y cofactores. MECANISMO DE ACCIÓN En las reacciones catalizadas por las enzimas se distinguen las siguientes etapas:
conformación idónea solo en presencia del sustrato. La unión del sustrato al centro activo de la enzima desencadena un cambio conformacional que da lugar a la formación del producto. C.ACCIÓN CATALITICA.- Opera mediante la catálisis acida o básica; es decir, los aminoácidos catalíticos, donan o aceptan protones del sustrato. D. FORMACIÓN Y LIBERACIÓN DE PRODUCTOS.- Se produce la transformación de una o más sustancias. El producto o los productos formados se separan de la enzima y esta última libre, estará en condiciones de unirse a otra molecula de sustrato. INHIBICION ENZIMATICA Por su naturaleza proteica, la actividad enzimática puede ser disminuida o eliminada por la acción de ciertos factores o inhibidores enzimáticos muy específicos. Los factores de inhibición pueden ser la temperatura, potencial de hidrogenión, concentración de sustrato y enzima y otros inhibidores.
1. Temperatura (T).- En general, los aumentos de temperatura aceleran las reacciones químicas: Por cada 10°C de incremento, la velocidad de reacción se duplica. Las reacciones catalizadas por enzimas siguen esta ley general. Sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta temperatura, se empiezan a desnaturalizar por el calor. La temperatura a la cual la actividad catalítica es maxima se llama temperatura óptima. Por encima de esta temperatura, el aumento de velocidad de la reacción debido a la temperatura es contrarrestado por la pérdida de actividad catalítica debida a la desnaturalización térmica, y la actividad enzimática decrece rápidamente hasta anularse. 2. Potencial hidrogenión (pH).- Las enzimas poseen grupos químicos ionizables (carboxilos – COOH, amino - NH2, tiol –SH, imidazol, etc) en la cadenas laterales de sus aminoácidos. Según el pH del medio, estos grupos pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o neutra. Como la formación de las proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pH en el
formación de una unión covalente entre la enzima y otra molecula. Existen dos formas de inhibición reversible. La competitiva y la no competitiva. En la primera, un compuesto de estructura similar a la del sustrato original se une al sitio activo formando un complejo con la enzima, análogo al complejo ES. En la inhibición no competitiva, el inhibidor y el sustrato no se relacionan estructuralmente, sin embargo, el inhibidor se une por dominios diferentes del sitio activo a la enzima, alterando la conformación estructural y espacial de esta ultima, este tipo de inhibición no puede anularse con altas concentraciones de sustrato. Ambas formas de inhibición, impiden la unión del sustrato al sitio activo. MODULACION ALOSTERICA DE LA ACTIVIDAD ENZIMATICA Existen enzimas que pueden adoptar dos conformaciones inter convertibles llamadas R (relajada) y T (tensa). La conformación R es la forma más activa, porque se une al
sustrato con más afinidad. Las formas R y T se encuentran en equilibrio R<-->T. Ciertas sustancias tienden a estabilizar la forma R y son denominados moduladores positivos. El propio sustrato es a menudo un modulador positivo. Las moléculas que favorecen la forma R, pero que actúan sobre una región de la enzima distinta del centro activo, son llamados activadores alostéricos. Las sustancias que favorecen la forma T y disminuyen la actividad enzimática son los moduladores negativos; si estos moduladores actúan en lugares distintos del centro activo de la enzima se denominan inhibidores alostericos. Las enzimas son mediadoras del metabolismo encargadas prácticamente de toda reacción que ocurra en la célula. Sin enzimas, las reacciones metabólicas procederían tan lentamente que serían imperceptibles; en ausencia de enzimas, la vida sería posible. En este sentido el Metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren dentro de la célula, el cual incluye gran diversidad de conversiones moleculares. Estas reacciones
en una vía se puede repartir en varias direcciones según las necesidades de la célula en ese momento. Las vías metabólicas se pueden dividir en dos tipos muy amplios: Vías catabólicas: Que conducen a la descomposición de moléculas complejas para formar productos más simples. Estas vías tienen dos funciones: poner a disponibilidad la materia prima a partir de la cual se pueden sintetizar otras moléculas y suministrar la energía química requerida para muchas actividades de la célula. La energía liberada por las vías catabólicas se almacena transitoriamente en dos formas: como fosfatos de alta energía (sobre todo ATP) y como electrones de alta energía (en particular en el NADPH). Las vías para la degradación de los diversos componentes de las macromoléculas varían según el compuesto particular que debe catabolizarse. Sin embargo, finalmente todas estas moléculas se convierten en una variedad de pequeños compuestos que se metabolizan de manera similar. Así, aunque las sustancias empiezan
como macromoléculas con estructuras muy diferentes a través de las vías catabólicas, se convierten en los mismo metabolitos de bajo peso molecular. Por esta razón se dice que las vías catabólicas son convergentes. Vías anabólicas: Que conducen a las síntesis de compuestos más complejos. Las vías anabólicas requieren energía y utilizan la energía química almacenada que se libera en las vías catabólicas exergonicas. Ambas vías, catabólica y anabólica, incluyen reacciones clave en las cuales se transfieren electrones de un reactante al otro. Las reacciones que implican cambios en el estado electrónico de los reactantes se denominan reacciones de oxidoreducción (o redox). Los cambios de este tipo se acompañan de ganancia o pérdida de electrones, cuando un átomo pierde uno o más electrones se dice que se oxida, cuando un átomo gana uno o más electrones se dice que se reduce. La oxidación de un reactante debe acompañarse de la reducción simultánea de algún otro reactante y viceversa.
