ENZIMAS
Son catalizadores biológicos que se encuentran en cada reacción metabólica específica (todas las enzimas son específicas).
Aceleran las reacciones → importancia primordial sobre la velocidad (↑ velocidad).
Los seres vivos → son como mecanismos/máquinas que funcionan mediante reacciones
químicas.
Es viable si las reacciones ocurren en tiempo real.
1) MECANISMO DE ACCIÓN (de las enzimas)
Previamente vamos a estudiar la energética y cinética de las reacciones químicas en general.Ésta se presenta mediante una ecuación química:
A + B 
C
C Sustratos producto/s
- Todas las reacciones metabólicas siempre son reversibles
(Unas sí y otras no)
→ EQUILIBRIO.
Cualquier reacción química
consiste en la formación
o rotura de enlaces
(básicamente).
→ Por lo que siempre hay
que aportar una cierta energía (Laboratorio: ↑Tª // descargas eléctricas, etc.)(a la sustancia) para que esa ↓
reacción se lleve a cabo. Incompatible con los ss.vv. (no lo soportamos).
Velocidades de las reacciones muy bajas
→ inútiles para los ss.vv.
 |
ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
Es la mínima energía necesaria para formar/romper
enlaces; para convertir un mol de sustrato en un
mol de producto.
Otra característica:
Entre el sustrato y el producto hay un compuesto intermedio de transición que se llama
→ COMPLEJO ACTIVADO (Los enlaces están medio formados o medio rotos).
Y además tienen más energía libre que el sustrato absorbido en la energía de activación.
Otra caract.:
Para que una reacción ocurra se necesita que los sustratos se encuentren y además colisionar.
Pero no todas las colisiones valen. No vale colisionar de cualquier forma, se tiene que cumplir una geometría de colisión. Solamente valen las colisiones correctas que desemboquen en la formación del complejo activado del producto.
Si la energía es suficiente y si la geometría de colisión es correcta se forma el complejo activado, producto; pero si no se dan las condiciones se vuelve otra vez al sustrato.
La velocidad de una reacción o la facilidad/dificultad con la que se lleva a cabo, depende de la energía de activación.
↓
Cuando es baja, no se necesita aportar energía a la reacción.
La temperatura ambiental es suficiente (la agitación térmica de los sustratos basta o la luz que les da).
Estas reacciones se llaman ESPONTÁNEAS.
La velocidad también depende de la energía de reacción (es la energía del sustrato menos la energía del producto) (En la gráfica anterior: 1 – 3).
Los catalizadores al igual que las enzimas actúan en muy bajas concentraciones y lo que hacen es que disminuyen la energía de activación haciendo que las reacciones sean todas espontáneas (no necesitan que se les de energía).
Toda la energía (que tiene el catalizador) se invierte en formar/romper enlaces.
Ninguna energía se pierde en colisiones incorrectas.
Otra característica que tienen las enzimas:
Las enzimas, al igual que los catalizadores, se recuperan intactas, no se consumen en la reacción. Si se gastaran ya no habría más reacción. Sin embargo, los catalizadores intervienen en la reacción.
↓
¿CÓMO?
Facilitan la geometría de colisión al unirse a los sustratos, disminuyendo la energía de activación y, además, facilitan el desarrollo de la reacción. Y todo esto sin alterar el equilibrio de la reacción.
“Actúan en bajas concentraciones, se recuperan intactos, favorecen la geometría de la colisión disminuyendo la energía de activación y el desarrollo de la reacción sin alterar el equilibrio”.
2) CARACTERÍSTICAS DE LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA
2.1) COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO Y CENTRO ACTIVO
Todo lo que hemos explicado de las reacciones químicas en general se pueden aplicar a la cinética de las reacciones químicas.
Tiene una peculiaridad → se forma un complejo E-S
E + S ES (Se da una unión)
ES (Se da una unión)→ Es un complejo intermedio/inestable que rápidamente se va a convertir en el producto.
Esta unión de da en la superficie de la enzima: existe un surco, llamado CENTRO ACTIVO.
↓
Sirve para reconocer al sustrato por
su forma (la forma del centro activo
y del sustrato son complementarios)
El CENTRO ACTIVO es lo que permite reconocer a su sustrato. Lo reconoce por ESTEREOESPECIFICIDAD (especificidad en el espacio), por complementariedad de sus formas.
Cuando el sustrato se encuentra en el centro activo
pone en contacto al sustrato con ciertos aminoácidos.
→ Produce la unión MANO-GUANTE, ya que no es un modelo rígido: cambian los dos, se modifican (el modelo LLAVE-CERRADURA no es válido).
AA DE UNIÓN:
Interaccionan débilmente con ciertos grupos químicos del S formando en laces débiles (= enlaces de la estructura de la proteína) que mantienen unidos E-S
La unión E-S: Pone en contacto al sustrato con otros Aa catalíticos (dibujo anterior, en verde, bajo el sustrato) (favorece que la reacción ocurra), mediante interacciones débiles (las mismas que dan lugar a la UNIÓN), para debilitar el enlace a romper en la reacción o exponer grupos químicos del S que se va a enlazar, y favorecer el desarrollo de la reacción.
|
Aa unión
Están dentro delKOSLAND decía: centro activo
Aa esenciales son Aa catalíticos |
Aa que sean imprescindibles para el mantenimiento
de la forma de la enzima.
Los Aa de unión y los catalíticos están seguidos en la cadena de aa. Necesariamente aparecen juntos en el centro activo por la forma que tiene la proteína, por los pliegues que tiene la cadena.
2.2) ESPECIFICIDAD
La enzima reconoce su S por su forma (complementaria del centro activo) por estereoespecificidad, se llama: ESPECIFICIDAD DE SUSTRATO
Ésta puede ser:
- TOTAL (de grupos químicos del S). → Es capaz de distinguir hasta isómeros.
- ESPECIF. DE GRUPO → Los aa unión tienen un papel muy importante. También determinan la especificidad de S.
- ESPECIF. DE ACCIÓN → Cada enzima sólo realiza un tipo de reacción química, la que le permite sus aa catalíticos.
2.3) COFACTORES Y VITAMINAS
Muchas enzimas necesitan sustancias no proteicas para su funcionamiento.
Características cofactores:
Éstos se unen débil y momentáneamente al enzima
(no confundir con los grupos prostéticos)
↓
Mantienen una unión covalente,
fuerte y permanente.
La palabra cofactor se utiliza cuando se habla de Iones Metálicos (Fe, Mg, Mn, Ca, Zn,…). Éstos colaboran en la unión E-S o en la catálisis.
En otros casos se habla de coenzimas (moléculas orgánicas) que actúan como aceptores temporales de grupos químicos (transportadores de grupos químicos entre S).
DESHIDROGENASAS
→ Quitan H al S pero no lo pueden conservar (intactos).
Eso es lo que hace las COENZIMAS REDOX (aceptar temporalmente el H).
Otras coenzimas:
QUINASAS (toman) y FOSFATASAS (ceden)
Enlaces de alta energía con el fósforo ~Pi (~: enlace de alta energía con el P). Estos enlaces aceptan coenzimas transportadoras de energía. (Pi → P inorgánico).
ADP + ~Pi ATP (Moneda energética de la cadena)
ATP (Moneda energética de la cadena)
ADENOSIN DIFOSFATO / TRIFOSFATO
UTP / GTP / TTP
… Todo esto son derivados de nucleótidos (coenzimas redox → podemos fabricarlos (todos los ss.vv.)).
Sin embargo, hay COENZIMAS A:
No es derivada de los ácidos nucleicos. No la podemos fabricar, la tenemos que tomar en la dieta → derivada de las vitaminas.
Las VITAMINAS que necesitamos, las necesitamos en pequeñas cantidades porque colaboran con las enzimas que también están en pequeñas cantidades.
Son esenciales para el metabolismo, actúan con coenzimas.
La falta (avitaminosis), produce enfermedades carenciales. Los síntomas son el resultado del déficit de ciertas reacciones metabólicas (como las que necesitan esos coenzimas). Ejemp: Pelagra / Escorbuto / Beri-Beri. Éstas desaparecen en cuanto se añaden a la dieta (estas vitaminas).
Se clasifican por su composición:
HIDROSOLUBLES: Van a actuar como coenzimas o grupos prostéticos
El exceso se elimina a través de la orina.Se dividen en
LIPOSOLUBLES: No tienen las características de las hidrosolubles.
El exceso es tóxico.
3) MECANISMO PARA AUMENTAR LA EFICACIA ENZIMÁTICA (sistemas multienzimáticos y compartimentación)
(Aumentan la velocidad de las reacciones)
La velocidad de las reacciones aumenta cuando las reacciones están acopladas:
A → B → C → D
Cuando el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente. Se consigue mayor concentración de S.
El mismo efecto se consigue con la compartimentación.
No es lo mismo que las reacciones
ocurran dentro del citoplasma
que dentro de un orgánulo.
Las enzimas están asociadas formando complejos multienzimáticos que catalizan una secuencia de reacciones
→ Consiguen que las reacciones estén acopladas.
Acopladas y compartimentadas
También están asociados a membranas, las reacciones ocurren dentro del compartimento, por lo que consiguen mayor concentración de sustratos (↑|s|)
4) CINÉTICA DE LAS REACCIONES CATALIZADAS POR ENZIMAS: ECUACIÓN DE MICHAELIS-MENTEN
Las reacciones catalizadas por enzimas tienen la misma cinética que las reacciones en general.
Peculiaridad: Presentan la saturación por el S
La cinética tiene tres fases distintas:
Las enzimas actúan en bajas concentraciones → Todo el enzima está ocupado (por más S que se le eche).
La Ecuación de Michaelis explica la cinética enzimática relacionando la V con |S| y con ciertas características de los enzimas (Vmáx, KM)
La KM → Es aquella concentración en la que la V de la reacción es la mitad de la máx.
Es una característica de cada enzima. Depende de Tª, PH, coenzima (si hay poco coef. aumenta la KM), cofact., cada S.
La KM también es la constante de equilibrio (de esa reacción).
E + S ES
ES 
Si KM↑ se necesita gran cantidad de S (↑|S|)
KM inversamente proporcional a la afinidad E por S
KM es lo contrario a la afinidad; si KM↑, la afinidad es ↓
Otra característica de cada enzima:
|
Vmáx. → también varía: Con cada S
Tª
PH
(Coenz.)
La mejor KM y Vmáx.
Hay una temperatura óptima: 37ºC
También un PH óptimo: neutro (6’5 - 7)
Se consigue los mejores resultados:
- Vmáx. aumenta
- KM más pequeña
4.1) FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD (KM) DE LAS REACCIONES ENZIMÁTICAS
FACTORES QUE AFECTAN:
§ |S| → Lo sabemos/deducimos por la ecuación M-M (Michaelis – Menten).
=|S|V |S|
≠|S| (Es porque se ha alcanzado la Vmáx., porque se da la saturación por el sustrato).
§ PH → PH óptimo (cuando tiene las cargas deseables) (6’5 – 7), porque es neutro. Si
el PH ↑ ó ↓ disminuye la velocidad de reacción (VER PK)
El cambio de PH afecta a la forma de la
enzima; a los Aa de unión; a los Aa
catalíticos y por tanto al funcionamiento
de la enzima (a la V de la reacción).
Cuando se disocian hay carga eléctrica ‾COOH 
- COO‾ + H+
- COO‾ + H+- TEMPERATURA → Existe una Tª óptima: 37ºC.
Si es mayor a 37ºC: No se alcanza la energía de activación (VER
ENERGÉT. Y CINÉT. DE LAS REACCIONES QUÍMICAS)
Si es mayor: Las enzimas son sensibles, son TERMOLÁBILES.
→ Se desnaturalizan.
- CONCENTRACIÓN DE COENZIMAS Y COFACTORES → Óptimos.
5) CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA DE LAS ENZIMAS
La clasificación de las enzimas se realiza según la acción química que realicen.
Algunos tipos:
- DESHIDROGENASAS
- HIDROLASAS
- OXIDASAS
- DESCARBOXILASA
Nomenclatura:
Los enzimas se nombran poniendo primero el nombre del S, luego la acción química y terminados en –ASA.
Ejemp.: SUCCINICO DESHIDROGENASA (quita H).
PURULICO DESCARBOXILASA (le quita dióx. de C)
GLUCÓGENO FOSFORILASA (le da P)
REGULACIÓN (MODIFICACIONES) DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA
Hemos visto que la cinética enzimática se ve modificada por una serie de parámetros generales:
|S|; |coenzimas, cofactores|; T↑; ↑PH↓.
Éstos son inespecíficos, afectan a todas las enzimas (no sirven para regular la actividad enzimática).
La verdadera regulación de las acciones metabólicas, de la actividad enzimática, se realiza a nivel de enzima, modificando la velocidad de su actuación (eso es lo que vamos a estudiar). Pero también a nivel de los genes a partir de los cuales se sintetizan los enzimas (lo veremos en ác. Nucleicos).
Razón por la que es necesaria esta regulación:
Medio cambiante / necesidades celulares varían.
Se necesita regulación de la actividad enzimática por economía celular (sólo ocurren las reacciones metabólicas necesarias a la velocidad adecuada).
Los mecanismos de regulación son la activación e inhibición enzimática y la que realizan los llamados enzimas reguladores (acostéricos y modulados covalentemente).
1) ACTIVACIÓN E INHIBICIÓN ENZIMÁTICA (Ó INHIBICIÓN)
La acción enzimática dependía de |S|, |Coenz., cofact.|.
Con ellos se ACTIVA (la enzima). Sin ellos no funcionan, pero esto no es una verdadera regulación, sí lo es la que producen ciertas sustancias, inhibidores capaces de ↓V de las reacciones e incluso hacerla cero.
1.1) INHIBICIÓN ENZIMÁTICA
Es un tipo de inhibición que es irreversible (nunca volverá a actuar correctamente), por lo que no la vamos a considerar como inhibición. Sería una intoxicación, un veneno.
Es la que produce el mercurio o los insecticidas.
Son capaces de unirse a ciertos aa esenciales del enzima (covalente y permanentemente), alterándolos irreversiblemente. Se les conoce como venenos metabólicos.
Nos vamos a referir a la reversible como única verdadera. De éstas hay diferentes tipos que se distinguen experimentalmente por su efecto sobre la cinética enzimática.
TRES GRUPOS:
1.1.1) INHIBICIÓN COMPETITIVA (La buena)
Lo que ocurre es que el inhibidor S (es muy semejante químicamente al sustrato)
S (es muy semejante químicamente al sustrato)→ Compite con el S en su unión al centro activo.
Se dan 2 tipos de reacciones:
E + S ES E + P
ES E + P
↓
V↓ la velocidad de reacción. → ↑ KM del enzima (aparentemente)
- Experimentalmente:
↑|S| y manteniendo |I| y |E|; vemos qué efectos tiene sobre la cinética:
V: aumenta
Inhibición: disminuye
1.1.2) INHIBICIÓN ACOMPETITIVA (La mala)
El inhibidor S. No compite por el centro activo.
S. No compite por el centro activo.No se combina con el enzima libre, sino con el complejo Enzima-sustrato.
E + S ES E + P
ES E + PES + I ESI 
No forma producto
ESI No forma producto- Experimentalmente:
↑|S| y mantengo constante |I| y |E| (|I|=)
E + ↑S ↑ES E + P
↑ES E + P↑ES + I ↑ESI
↑ESIV: disminuye
Inhibición: aumenta
1.1.3) INHIBICIÓN NO COMPETITIVA (Como las dos anteriores)
El inhibidor se une al enzima pero en un lugar ≠ al centro activo.
E + S ES E + P
ES E + PE + I EI
EI Y también: ES + I ESI
ESI - Lo distingo de las dos anteriores experimentalmente:
↑|S| y mantengo |I| y |E| (=)
E + S ES E + P → V↑ (Se beneficia ésta: por ↑|S|)
ES E + P → V↑ (Se beneficia ésta: por ↑|S|)E + I EI
EI↑ES + I ↑ESI → V↓
↑ESI → V↓Por lo que V =
2) ENZIMAS REGULADORAS
Hay algunos enzimas específicos diseñados para regular la actividad enzimática.
Son capaces de modificar el estado metabólico de las células en poco tiempo.
Son 2: Enzimas alostéricos y los modulados covalentemente.
2.1) ENZIMAS ALOSTÉRICOS
Etimológicamente, alostérico significa literalmente “otro sitio”.
Tienen una cinética distinta de las enzimas normales.
Son unos enzimas que además del centro activo presentan centro alostérico.
Los moduladores pueden ser positivos o negativos:
- El positivo: activa al enzima.
- El negativo: la inactiva.
Los enzimas alostéricos pueden ser monovalentes o polivalentes (más de uno).
Si es polivalente, cada uno tiene su centro alostérico distinto:
Los enzimas alostéricos se encuentran siempre al principio de una secuencia multienzimática (VER).
Ejemp.:
L-TREONINA L-ISOLEUCINA
L-ISOLEUCINA ↓
(E¹) L-TREONIN DESHIDRATASA
La L-Treonin deshidratasa es la primera enzima de una secuencia multienzimática de 5 reacciones que convierte la L-Treonina en L-Isoleucina. La L-Isoleucina actúa como modulador negativo de la L-Treonin deshidratasa.
Toda la secuencia multienzimática está controlada por el primer enzima.
Este mecanismo de control sirve para mantener constante la concentración de Isoleucina, y se llama RETROALIMENTACIÓN NEGATIVA (porque el signo de la salida es distinto al de la entrada). Es utilizado en cisternilla (del water), en termostato,… Y se utiliza para mantener constante una variable, para regular.
También puede ser un modulador positivo: RETROALIMENTACIÓN POSITIVA. Sirve para maximizar un variable, para conseguir una respuesta máxima. Ejemp.: el deseo sexual de nuestra pareja.
Se encuentra a principio de una secuencia multienzimática, de forma que un enzima alostérico regula a otros cuatro, que es la L-Treonin deshidratasa.
Cuando se encuentra en una encrucijada metabólica lo controla todo:
Forma una RED DE CONTROL con varias secuencias enzimáticas cuyo producto final actúa como modulador positivo y negativo del enzima alostérico.
2.2) ENZIMAS MODULADOS COVALENTEMENTE
Se caracterizan porque tienen dos formas:
- Una más activa (va a más velocidad).
- Otra menos activa.
Se diferencian por modificaciones covalentes de su estructura, catalizadas por otros enzimas
La conversión de una forma a otra está catalizada por otros enzimas.
Ejemp: Glucógeno fosforilasa, este enzima cataliza la siguiente función:
GLUCÓGENO + ATP → G-1-P + ADP + (Glucosa)n-1 + H2O
Esta reacción es esencial ante las situaciones de emergencia. Lo que hace es que libera la glucosa de su almacén (glucógeno) ante una emergencia.
El Glucógeno fosforilasa tiene dos formas:
La más activa: G. Fosforilasa a
Tiene 4 subunidades (cada una tiene un resto de SERINA-O-P)
La menos activa: G. Fosforilasa b
En lugar de 4 subunidades tiene 2, y las Serinas no están fosforiladas.
GLUCOSA FOSFORILASA FOSFATASA
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Fa + 4 ADP + 4 H2O 2 Fb + 4 ATP GLUCOSA FOSFORILASA QUINASA
El usar enzimas modulados covalentemente permite amplificar enorme y rápidamente una señal.
Ante una situación de emergencia segregamos adrenalina:
1 molécula de adrenalina activa a miles de FOSFORILASAS QUINASA. Ésta convierte millones de Fb en miles de Fa, y miles de Fa liberan millones de Glucosas-1-P que quedan a disposición de los músculos.
Buen trabajo.
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