Enzimas: Catalizadores Biológicos

Las enzimas son catalizadores biológicos de gran interés que determinan las pautas de las reacciones químicas. Poseen un gran poder catalítico y especificidad, uniéndose específicamente a una gran cantidad de moléculas. La catálisis tiene lugar en un centro específico de la enzima llamado centro activo.

Casi todas las enzimas conocidas son proteínas. La enzima actúa con máxima eficiencia sobre el sustrato natural y con menor eficacia sobre los sustratos análogos. Entre las enzimas poco específicas están las proteasas digestivas como la quimotripsina, que rompe los enlaces amida de proteínas y péptidos de muy diverso tipo.

Las enzimas no afectan el equilibrio de la reacción (5 a 17 órdenes de magnitud).

Factores que influyen en la actividad de una enzima:

  • pH
  • Temperatura
  • Cofactores-coenzima

Ejemplos de especificidad enzimática:

  • Sacarasa: Es muy específica, rompe el enlace β-glucosídico de la sacarosa o de compuestos muy similares. Así, para la enzima sacarasa, la sacarosa es su sustrato natural, mientras que la maltosa y la isomaltosa son sustratos análogos.
  • Pepsina: Es una enzima digestiva, su ambiente es ácido y, por lo tanto, debe tener un pH óptimo a valores muy bajos.

Definiciones importantes:

  • Cofactor: Un componente químico adicional, comúnmente iónico.
  • Coenzima: Un complejo orgánico u organometálico.
  • Grupo prostético: Es una coenzima o cofactor que se encuentra unido muy fuertemente a la enzima.
  • Holoenzima: Es una enzima unida a su cofactor o grupo prostético.
  • Intermediario de la reacción: Es cualquier especie que posea un tiempo de vida media determinado en el proceso de catálisis de la enzima.
  • Paso limitante de la reacción: Es aquel que posee el mayor nivel de energía en el diagrama de reacción.

Energía de activación:

La energía de activación (Ea) o energía del estado de transición (ΔG‡), se relaciona con la velocidad de la reacción:

Donde k es la constante de Boltzmann, h la constante de Plank.

Entropía:

El cambio en entropía favorece el incremento en la velocidad de reacción. Mientras mayor sea el cambio en entropía, mayor será el incremento en la velocidad de reacción y, por lo general, se dice que la entropía es disminuida por las enzimas.

Proteína (generalmente multimérica):

Con múltiples sitios de unión para un ligando, tal que la unión de ese ligando a un sitio afecta la unión de otro ligando en otro de los sitios.

Enzima Alostérica

Es una enzima cuya actividad es regulada por unión no covalente de un metabolito específico a un sitio distinto del sitio activo. Además del centro activo, posee otro espacio donde se enlaza de modo reversible y no covalente el efector o modulador. Tanto la inhibición como la activación son reversibles. El agente modificador actúa uniéndose a la enzima en un sitio diferente al sitio catalítico.

Estas enzimas alostéricas, además del sitio catalítico, presentan otros sitios reguladores donde se unirán moléculas que actúan sobre su actividad. Presentan modificación enzimática inmediata, comportamiento cinético sigmoideo, poseen 2 o más sitios reguladores y son homo y hetero.

Ejemplos de enzimas alostéricas:

  • Hexoquinasa
  • Fosfofructoquinasa
  • Piruvato quinasa (vía glucolítica)
  • Acetil-CoA carboxilasa (biosíntesis de lípidos)
  • Aspartato transcarbamilasa (biosíntesis de nucleótidos pirimidínicos)
  • Glutamato deshidrogenasa (degradación de aminoácidos)
  • Citrato sintasa
  • Isocitrato y α-cetoglutarato deshidrogenasa (ciclo de Krebs)

Definiciones importantes:

  • Centro alostérico: Es tan específico para la unión del modulador, como el centro catalítico lo es para unión del sustrato.
  • Efecto homotrópico: Efecto debido a las interacciones alostéricas entre ligandos idénticos.
  • Efecto heterotrópico: Efecto debido a las interacciones alostéricas entre ligandos diferentes.
  • Cooperatividad: Puede ser positiva (nH > 1,0) o negativa (nH

Cinética Enzimática

La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Proporciona información directa acerca del mecanismo de la reacción catalítica y de la especificidad del enzima. En muchos casos no es necesario purificar o aislar la enzima.

Velocidad máxima (Vmax = constante cinética):

La velocidad puede determinarse bien midiendo la aparición de los productos o la desaparición de los reactivos.

Orden de reacción:

  • Orden cero: La velocidad de formación del producto es independiente de la concentración de sustrato: v = k
  • Primer orden: La velocidad de formación de los productos es directamente proporcional a la concentración de un sustrato: v = k [A]. Así, en la reacción: La velocidad de hidrólisis de la sacarosa es, en todo momento, proporcional a la concentración de sacarosa. Dicho matemáticamente, donde [A] es la concentración de sacarosa a cada tiempo (t) y k es la constante de proporcionalidad o de velocidad. Se dice que ésta es una reacción de primer orden.
  • Segundo orden: Es aquella en la que la velocidad de formación del producto depende de la concentración de dos sustratos (como en una reacción de condensación).

Constante de Michaelis-Menten (KM):

El valor de KM entrega una idea de la afinidad del enzima por el sustrato:

  • A menor KM, mayor afinidad del enzima por el sustrato.
  • A mayor KM, menor afinidad.

La KM del sustrato natural es menor que la de los sustratos análogos. KM es la concentración de sustrato para la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima.

Enzimas moduladas covalentemente:

Con formas activas e inactivas interconvertidas por la acción de otras enzimas. Algunos responden también a moduladores alostéricos no covalentes.

Moduladores alostéricos:

No miden cambios conformacionales entre formas activas e inactivas de la enzima.

Modificación covalente (modificación enzimática inmediata o minutos):

Adición o remoción de grupos fosfato sobre residuos de serina, treonina o tirosina específicos de la enzima.

Quinasas de proteínas:

Familia de enzimas que catalizan reacciones de fosforilación, utilizan como dador del grupo fosfato al ATP.

Fosfatasas de proteínas:

Separan los grupos fosfatos de las enzimas fosforiladas.

Regulación por proteólisis:

Por eliminación de una cadena peptídica, enzimas inactivas se convierten en enzimas activas y viceversa. Ejemplo: enzimas digestivas: pepsinógeno y quimotripsinógeno se convierten en las enzimas activas pepsina y tripsina.

Regulación por proteínas:

Modifican la actividad de enzimas involucradas en el metabolismo celular, por ejemplo: indirectamente activando o inhibiendo la actividad de la glutamina sintetasa.

RNA polimerasa:

Los aminoácidos asparagina, glutamina, glutamato, lisina y arginina forman enlaces de hidrógeno con las bases del DNA.

Hemoglobina (Hb)

  • Se encuentra en los eritrocitos.
  • Hay aproximadamente 3 x 108 moléculas de Hb por eritrocito.
  • Su función es la de transportar oxígeno en la sangre mediante el sistema circulatorio.
  • La Hb es transportada por los eritrocitos, los cuales no poseen organelos, solo transportan Hb (34%) en su citosol.
  • Los eritrocitos viven por 120 días en promedio.
  • Al pasar por los pulmones la Hb se satura en un 96%.
  • En las venas la Hb posee un 64% de saturación de O2. • O sea 100 mL de sangre liberan aproximadamente 6.5 mL de O2.
  • Es tetramérica compuesta por 4 grupos hemo.

Estabilidad de la Hb:

Existen dos conformaciones posibles de la Hb, T y R (de tenso y relajado)

La conformación T es más estable cuando NO se encuentra unido O2, mientras que la conformación R es más estable cuando se encuentra unido a O2El estado T de la Hb se denomina deoxyhemoglobina, mientras que el estado R se denomia Oxyhemoglobina Cuando se une O2 se genera un cambio conformacional de T a R.