BLOQUE I: LAS MOLÉCULAS DE LA VIDA ENZIMAS. 2. Mecanismo de acción y cinética enzimática.

Transcripción

1 ENZIMAS 1. Concepto y estructura. 2. Mecanismo de acción y cinética enzimática. 3. Regulación de la actividad enzimática: temperatura, ph, inhibidores. 4. Bibliografía. 5. Preguntas selectividad. Imagen tridimensional de la glucosidasa Base físico-química Enzimas Página 1 de 7

2 1. Concepto y estructura. Los enzimas constituyen un grupo de proteínas especializado que catalizan, de forma específica, determinadas reacciones bioquímicas. Todavía no se conoce en términos moleculares, cómo catalizan los enzimas las reacciones químicas con tal eficacia, precisión y especificidad. En la actualidad se han identificado unos 2000 enzimas diferentes. La nueva nomenclatura divide a los enzimas en seis clases principales, cada una de las cuales se divide a su vez en subclases. Se clasifican en: óxidoreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas. Para que una reacción se lleve a cabo es necesario que la/s sustancia/s que van a reaccionar, sustrato, reciban una determinada cantidad de energía que las active, denominada energía de activación. Los catalizadores son pues aquellas sustancias que, al disminuir las necesidades de energía de activación de una reacción, la facilitan y la aceleran. Biocatalizadores: sustancias que aceleran las reacciones químicas que tienen lugar en las células. Las enzimas son altamente específicas tanto en la reacción que catalizan como en la selección de las sustancias reaccionantes. Un enzima cataliza normalmente una sola reacción química o grupo de reacciones estrechamente relacionadas. A diferencia de las reacciones no catalizadas, en las catalizadas por enzimas son raras las reacciones colaterales que conducen a la formación de productos secundarios. La región donde se acomoda el sustrato es el centro activo. La unión entre enzima y sustrato implica un reconocimiento esteárico, es decir, relacionado con la forma y el volumen del propio sustrato al que se une específicamente. Por ello, la variedad de enzimas es incalculable, pues son específicas para cada sustrato y para cada reacción bioquímica. La velocidad de una reacción es proporcional a la concentración de las moléculas del estado de transición. Se acelera, si por ejemplo, se aumenta la energía al elevar la temperatura. Los catalizadores aceleran las reacciones químicas al disminuir la energía de activación. Se combinan con los reaccionantes para producir un estado de transición de menor energía de activación que la reacción no catalizada. Al formarse los productos, el catalizador se recupera. A Estado de transición B Reaccionantes Productos Las enzimas se comportan como cualquier otro catalizador en cuanto que: Disminuyen la energía de activación del proceso en el que intervienen, es decir, aceleran las reacciones bioquímicas. No cambian el signo ni la cuantía de la variación de la energía libre, sólo aceleran procesos espontáneos. No modifican el equilibrio de una reacción, sino que aceleran la llegada del mismo. Al finalizar la reacción quedan libres sin alterarse. Todos los enzimas conocidos son proteínas de gran solubilidad en los medios fisiológicos. Según su composición se clasifican en dos grupos: Enzimas holoproteínas: constituidos solamente por secuencias de aminoácidos. Son poco frecuentes, pudiéndose citar como ejemplos la ribonucleasa y la lisozima. Enzimas heteroproteínas: presentan una estructura proteica y uno o varios componentes no proteicos, llamados cofactores. El cofactor puede ser un ión metálico, que puede actuar como centro catalítico primario; como grupo puente entre sustrato y enzima; agente estabilizante de la estructura proteica, o bien una molécula orgánica llamada coenzima, que suele presentar como parte de su Base físico-química Enzimas Página 2 de 7

3 estructura alguna vitamina y que suelen actuar como transportadores intermediarios de grupos funcionales, de átomos o electrones. Los cofactores son generalmente estables frente al calor, mientras que muchas proteínas enzimáticas pierden la actividad por calefacción. El complejo enzimacofactor catalíticamente activo recibe el nombre de holoenzima. Cuando se separa el cofactor, la proteína restante, que por sí sola es inactiva catalíticamente, se designa con el nombre de apoenzima. Cuando el coenzima se halla unido íntimamente a la molécula del enzima recibe, normalmente, el nombre de grupo prostético. Sin embargo, en algunos casos el coenzima está unido débilmente y actúa, esencialmente, como uno de los sustratos específicos de aquel enzima. 2. Mecanismo de acción y cinética enzimática. Mecanismo de acción: catálisis enzimática. Cualquier reacción química se inicia con la rotura de ciertos enlaces entre los átomos que constituyen las moléculas de los reactivos para formar, posteriormente, los nuevos enlaces que originan las moléculas de los productos. Ese estado en el que los enlaces de los reactivos están debilitados o rotos, pero aún no se han formado los nuevos, se conoce como estado de transición o estado activo. Para alcanzar el estado de transición y, en definitiva, para que la reacción química tenga lugar, es preciso comunicar a los reactivos cierta cantidad de energía, denominada energía de activación. En las llamadas reacciones espontáneas, la energía de activación es tan baja que se obtiene de la propia energía cinética de las moléculas. En las reacciones no espontáneas, sin embargo, esta energía es tan alta que no se producen si no se aplica calor. La acción catalizadora de las enzimas consiste en rebajar la energía de activación para llegar fácilmente al estado de transición y permitir que la reacción se lleve a cabo. Sin la presencia del catalizador no es posible alcanzar el estado de transición espontáneamente. Base físico-química Enzimas Página 3 de 7

4 En toda reacción enzimática intervienen por una parte el enzima (E) y por otra el sustrato (S), que es la sustancia que, catalizada por el enzima, se convierte en un producto/s (P). Los enzimas tienen un tamaño mayor que los sustratos sobre los que actúan. En una primera fase el sustrato se acopla por adsorción al centro activo del enzima formándose un complejo enzima-sustrato (ES). El sitio catalítico del centro activo actúa entonces sobre el sustrato transformándolo en los productos, que se separan del enzima; éste puede volver a unirse a otra molécula de sustrato para provocar sobre ella una nueva reacción enzimática. Esta forma de actuación explica por qué cantidades pequeñísimas de enzimas pueden catalizar grandes masas de sustratos. El centro activo de un enzima es la región que se une específicamente al sustrato y contiene los residuos que participan directamente en la producción y ruptura de enlaces. Estos residuos se denominan grupos catalíticos. La capacidad catalítica de los enzimas depende en gran parte de la especificidad en la unión. Aunque los enzimas difieren ampliamente en su estructura, especificidad y modo de catálisis, se puede establecer un número de generalizaciones respecto a sus centros activos: 1. El centro activo supone una porción relativamente pequeña del volumen total del enzima. 2. El centro activo es una entidad tridimensional formada por grupos que proceden de distintas partes de una secuencia lineal de aminoácidos. 3. Los sustratos se unen a los enzimas por numerosas fuerzas débiles: enlaces electrostáticos, puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóficas. 4. Los centros activos son hoyos o hendiduras. 5. La especificidad del enlace depende de la disposición exactamente definida de los átomos del centro activo. Un sustrato debe tener una forma adecuada para introducirse en el centro. La metáfora propuesta por Emil Fischer, sobre el modelo de la «llave y la cerradura» (el centro activo por sí mismo es complementario a la forma del sustrato), ha demostrado ser esencialmente correcta y una forma muy fructífera de contemplar la estereoespecificidad de la catálisis. Sin embargo, está actualmente probado que la forma de los centros activos se modifica sensiblemente al unirse al sustrato, como postuló Daniel E. Koshland, Jr. (los centros activos tienen formas que son complementarias a la del sustrato solamente después de que el sustrato se haya unido «ajuste inducido»: induced fit ). Cinética enzimática. La reacción enzimática se desarrolla a una velocidad que, en principio, es directamente proporcional a la cantidad de sustrato, pero sólo hasta un cierto límite. Si se mantiene constante la cantidad de enzima y se aumenta progresivamente la concentración de sustrato, el enzima irá pasando al complejo enzima- Base físico-química Enzimas Página 4 de 7

5 sustrato y la velocidad de reacción aumentará progresivamente con rapidez hasta que todo el enzima se encuentre en forma de complejo ES y esté, por tanto, saturado. En este momento la velocidad de la reacción será máxima y un incremento mayor de sustrato no logrará acelerar más la reacción enzimática. En la práctica suele manejarse no la velocidad máxima, sino la semimáxima, que es aquella que se da cuando la mitad del enzima presente se halla en forma de complejo ES y la otra mitad libre. En este caso se cumple la siguiente relación: KM = [E] [S] / [ES] = ½ VMAX K se denomina constante de Michaelis Menten (KM) y representa la concentración de sustrato para la cual la velocidad de la reacción es igual a la mitad de la velocidad máxima. Una KM alta quiere decir, por tanto, que para conseguir la velocidad semimáxima se requiere una elevada concentración de sustrato, lo que prueba que el enzima no tiene una gran afinidad por el sustrato y actuará con preferencia sobre otro sustrato. Por lo tanto, cuanto menor sea el valor de la KM, mayor afinidad tendrá la enzima por el sustrato, ya que se alcanza antes la velocidad semimáxima. 3. Regulación de la actividad enzimática: temperatura, ph, inhibidores. La regulación de las reacciones metabólicas se lleva a cabo, básicamente, a nivel enzimático. Esto se hace, por un lado, regulando la velocidad de actuación de las enzimas y, por otro, regulando la síntesis enzimática. Entre los factores que contribuyen a la regulación de la actividad enzimática, cabe resaltar: El ph. Cada enzima tiene un ph óptimo de actuación. Los valores por encima o por debajo de este valor óptimo provocan un descenso de la velocidad enzimática, debido a cambios eléctricos en los radicales de los aminoácidos que constituyen el centro activo. También pueden cambiar las cargas eléctricas de los sustratos. En cualquier caso, el acoplamiento del sustrato al centro activo del enzima se verá dificultado y la velocidad de la reacción disminuirá. Por debajo de un ph mínimo y por encima de un ph máximo, se produce una desnaturalización de la enzima y su actividad se anula por completo. La temperatura. Existe una temperatura óptima en la que la actividad enzimática es máxima. Las temperaturas inferiores a este valor óptimo dan lugar a una disminución de la vibración molecular que hace más lento el proceso, mientras que temperaturas superiores a la óptima (>50 ºC) pueden provocar la desnaturalización de la enzima y la pérdida total de su funcionalidad. Base físico-química Enzimas Página 5 de 7

6 Inhibición enzimática. Los inhibidores enzimáticos son sustancias que disminuyen o anulan la actividad del enzima. Es un proceso inverso a la activación. La enzima, disminuye su velocidad o incluso deja de actuar cuando aparece un inhibidor. La inhibición puede ser irreversible, cuando el inhibidor «veneno metabólico», se une covalentemente a la enzima alterando su estructura e inutilizándola de forma permanente. La inhibición de tipo reversible, tiene lugar cuando la enzima vuelve a tener actividad una vez eliminada la sustancia inhibidora. La unión inhibidor-enzima se realiza por enlaces no covalentes más fáciles de romper. Según el lugar de unión a la enzima se diferencian dos tipos de inhibición reversible: Competitiva. El inhibidor se une al centro activo impidiendo la unión del sustrato. Existe una competencia entre ambos para ocupar el centro activo. Si éste es ocupado por el sustrato, la reacción se lleva a cabo, pero si es ocupado por el inhibidor no se produce, pues el sustrato no puede entrar. A estos inhibidores se les llama análogos metabólicos por su semejanza espacial con el sustrato. No competitiva. El inhibidor no compite con el sustrato, sino que se une en otra zona de la enzima distinta del centro activo. Esta unión modifica la estructura del enzima al tiempo que dificulta el acoplamiento del sustrato. 4. Bibliografía. J. ALCAMÍ y colaboradores. 2º Bachillerato. Editorial SM CARLOS PULIDO y colaboradores. 2º Bachillerato. Editorial ANAYA MIGUEL SANZ y colaboradores. 2º Bachillerato. Editorial OXFORD RAFAEL LÓPEZ MÓDENAS y colaboradores. 2º Bachillerato. Editorial EDITEX LUBERT STRYER. BIOQUÍMICA (I vol.). Editorial REVERTÉ ALBERT L. LEHNINGER. BIOQUÍMICA. Ediciones OMEGA, S. A Base físico-química Enzimas Página 6 de 7

7 5.- Preguntas selectividad. 1.- Al medir, a una determinada temperatura y ph, la actividad de una reacción enzimática nos encontramos que durante la situación fisiológica A, esta actividad vale 250 moles x min -1 x mg proteína -1, mientras que durante la situación fisiológica B vale el doble midiéndola a la misma temperatura y ph. Explique las posibles razones que han podido ocasionar este cambio y justifique la respuesta. 2.- Explique cuál es la función de las enzimas y qué se entiende por apoenzima, coenzima y centro activo. 3.- A la vista de la gráfica, conteste a las siguientes cuestiones: a).- Explique qué representa esta gráfica. Indique los valores aproximados de ph para los cuales dos enzimas tienen la misma velocidad de reacción. Para valores de máxima acidez, cuál es el enzima con mayor actividad catalítica? b).- Si el ph de la sangre fuera 7,5, indique qué enzimas podrían presentar actividad catalítica en el plasma sanguíneo. Explique el comportamiento de cada enzima en función del ph. P: pepsina; F: fosfatasa alcalina; PP: papaína 4.- Enumere tres factores que influyan en la actividad enzimática. Explique detalladamente el efecto de dos de ellos. 5.- En una reacción química en la que la sustancia A se transforma en la sustancia B, se liberan 10 kcal/mol de sustrato. Cuánta energía se liberaría si la reacción estuviese catalizada por una enzima? Razone la respuesta. 6.- Defina: enzima, centro activo, coenzima, inhibidor y catálisis. Base físico-química Enzimas Página 7 de 7