IES Francisco Pacheco

Transcripción

1 6. ENZIMAS Concepto y estructura Mecanismo de acción enzimática Cinética enzimática Regulación de la actividad enzimática: temperatura, ph, inhibidores Nomenclatura y clasificación de las enzimas Concepto y estructura. Son las moléculas proteícas más abundantes. Se encuentran en todo tipo de células y catalizan las reacciones químicas de los seres vivos (biocatalizadores).un catalizador es una sustancia que aumenta la rapidez o velocidad de una reacción química, sin verse alterada ella misma en el proceso global. Son por tanto, las responsables del metabolismo celular. Son específicas de las reacciones que catalizan y de los sustratos que intervienen. Los enzimas son catalizadores muy potentes y eficaces (aumentan la velocidad de las reacciones entre 10 3 y 10 9 veces). No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente desfavorables, no modifican el sentido de los equilibrios químicos, sino que aceleran su consecución. Simplemente se alcanza más rápido el estado de equilibrio. Podemos apreciar el poder de la catálisis enzimática con un ejemplo: la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno (2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 ). Esta reacción aunque fuertemente favorecida termodinámicamente, es muy lenta, a menos que sea catalizada. Se puede comprar una botella de una solución de H 2 O 2 y guardarla en un armario durante meses antes de que se degrade. Si añadiéramos un trocito de ión férrico (como FeCl 3 ) la velocidad de la reacción aumentaría unas 1000 veces. La hemoglobina, que contiene hierro, es aún más eficaz para incrementar la velocidad de la reacción. Si uno aplica la solución a un corte de un dedo, observa un burbujeo inmediato de O 2 liberado: la reacción se está produciendo ahora un millón de veces más rápidamente que el proceso sin catalizar. Pero pueden alcanzarse velocidades aún más altas. La catalasa, una enzima que tienen muchas células, aumenta la velocidad de descomposición del H 2 O 2 aproximadamente mil millones de veces. El H 2 O 2 se produce en algunas reacciones celulares y es un peligroso oxidante, por lo que la catalasa ha evolucionado para defenderse de él. Químicamente son proteínas simples de estructura terciaria o cuaternaria (globulares) o proteínas conjugadas; en éste último caso, la parte proteíca se denomina apoenzima (inactiva, carece de los componentes químicos apropiados para la actividad que debe realizar) y necesitan de un cofactor, que puede ser un ión metálico o una molécula orgánica. La molécula orgánica si se une fuertemente a la apoenzima recibe el nombre de grupo prostético, si se une débilmente se llama coenzima. Al conjunto de apoenzima y cofactor se le denomina holoenzima. Los coenzimas actúan como un sustrato más y participan en la reacción modificándose químicamente con ella; sin embargo, al considerar la secuencia de reacciones globales, el coenzima se recupera en los pasos siguientes. La mayor parte de los coenzimas son vitaminas, o las vitaminas forman parte de ellas, particularmente las del grupo B. No son específicas de un solo tipo de apoenzimas, dándose casos de algunas que pueden unirse a más de 100 apoenzimas diferentes. El apoenzima presenta una región llamada centro activo en la que se acopla el sustrato y suele tener forma de hendidura o bolsillo, rodeada por cadenas laterales de aminoácidos que facilitan la unión del sustrato y por otras cadenas laterales que intervienen en la catálisis. La compleja estructura terciaria de las enzimas hace posible que en este bolsillo se ajuste el sustrato de manera muy estrecha lo que explica la extraordinaria especificidad de la catálisis enzimática. Los aminoácidos que constituyen el centro activo pertenecen a zonas muy distantes de la cadena y representan una pequeña fracción del número total de aminoácidos de la proteína. El resto de la molécula es necesaria para mantener la molécula en posición correcta y para suministrar lugares de unión adicionales con función reguladora (centros reguladores). 1

2 6.2. Mecanismo de acción enzimática. La característica peculiar que diferencia las enzimas del resto de las proteínas es que inducen modificaciones químicas en los sustratos a los que se unen, ya sea por rotura, formación o redistribución de sus enlaces covalentes, ya por introducción o pérdida de algún grupo funcional. En toda reacción química se da que las sustancias iniciales (S) se transforman en las sustancias finales (P), S P para ello tiene que ocurrir: los reactivos, llamados sustratos en enzimología, deben colisionar la colisión molecular debe ocurrir en una orientación adecuada que las moléculas de sustrato adquieran un estado intermedio llamado activado o de transición, donde se debiliten enlaces y se formen otros, lo que requiere un aporte energético; esta energía se conoce como energía de activación. 2

3 La energía de activación puede ser el calor. Aumenta el movimiento de las moléculas y la energía, con lo que el número de moléculas activadas se eleva y la reacción se acelera (en muchas reacciones la velocidad se duplica por cada 10º C). En las células, la temperatura produciría la muerte de la materia viva y además se acelerarían indiscriminadamente millares de reacciones. Las enzimas reducen la energía de activación de las reacciones que pueden sufrir los sustratos y las células verifican sus reacciones a gran velocidad y temperatura relativamente bajas. Una enzima es incapaz de hacer posible una reacción que por sí sola no lo es, modifica la velocidad, pero sin alterar el equilibrio. Las enzimas consiguen velocidades extremadamente altas con gran especificidad y rendimiento. Esta eficacia puede ser atribuida a varios factores: el enzima sirve para aumentar la concentración total de las moléculas de sustrato en el centro activo y mantiene los átomos en la orientación correcta para que se produzca la reacción una vez unidas las moléculas de sustrato al enzima pasan por una serie de formas intermedias de geometría y distribución electrónica muy inestables que origina su transformación en los productos de la reacción. Las enzimas ayudan a sus sustratos a alcanzar un estado de transición particular acelerando marcadamente la velocidad (al unirse el sustrato al enzima se debilitan los enlaces del sustrato y no hace falta tanta energía para romperlos). se liberan los productos quedando la enzima inalterada E + S ES E + P Así pues, las enzimas disminuyen la energía de activación al formar un complejo con el sustrato para producir un estado de transición o activado de menor energía que en el caso de que no estuvieran presentes. La especificidad enzimática se debe al centro activo. El acoplamiento entre el centro activo y el sustrato se ha comparado con el que existe entre una llave y su cerradura (propuesto por Fischer en 1890, teoría de la llave-cerradura). En la actualidad (una cerradura no hace nada a la llave) se ha probado que en algunas enzimas el centro activo es capaz de modificar su forma para adaptarse al sustrato, sería semejante a la introducción de la mano en el guante; la enzima no acepta simplemente al sustrato, sino que también exige que el sustrato se distorsione a algo cercano al estado de transición (ajuste inducido, propuesto por Koshland en 1958). Esta hipótesis implica la distorsión del enzima, así como la del sustrato. 3

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5 6.3. Cinética enzimática. Si se representa la velocidad con que aparece el producto de una determinada reacción enzimática, en función de la concentración de sustrato inicial, para una cantidad constante de enzima, se obtiene la siguiente gráfica. Se aprecia que al aumentar la concentración de sustrato, aumenta también la velocidad de la reacción. Es lógico, ya que mientras exista enzima libre, a mayor número de moléculas de sustrato, más moléculas de producto aparecerán. Pero, como se observa, llega un momento en el que a pesar de que la concentración de sustrato sigue aumentando, la velocidad no varía. Se alcanza la velocidad máxima. Esta situación se debe a que no existen moléculas de enzimas libres, todas están unidas a moléculas de sustrato formando complejos ES. La enzima está saturada. A medida que se forman moléculas de producto, las enzimas se liberan y pueden aceptar nuevas moléculas de sustrato que están a la espera. En la reacción enzimática, la etapa limitante, la más lenta, corresponde a la unión del sustrato al centro activo para formar el complejo ES, ya que es un proceso reversible. Existe, por tanto, una constante de equilibrio (Ke) para esta etapa. Ke = (E)(S)/(ES) 5

6 Para calcular esta constante, deberíamos conocer la (E) y (ES), valores que no se pueden establecer directamente. No obstante, cuando la velocidad de la reacción sea la mitad de la máxima, se cumple que (E) = (ES), o sea, el número de moléculas de enzimas libres es igual al de moléculas de enzimas ocupadas. En estas circunstancias, la Ke = (S). La constante así obtenida se llama constante de Michaelis-Menten o K M, en honor a los pioneros en formular una teoría global de la acción enzimática y su cinética, y se define como la concentración de sustrato para la cual la reacción alcanza la mitad de la velocidad máxima. La K M es característica de cada enzima y cuanto menor sea su valor, mayor afinidad tendrá la enzima por el sustrato, ya que se alcanza antes la mitad de la velocidad máxima Regulación de la actividad enzimática: temperatura, ph, inhibidores. Las enzimas, como sustancias proteicas que son, van a ver condicionada su actuación por determinados factores físicos y químicos. Algunos de estos factores son: La temperatura. Como toda reacción química, las reacciones catalizadas enzimáticamente siguen la regla de Vant Hoff. Según la cual, por cada 10ºC de aumento de temperatura, la velocidad de la reacción se duplica. No obstante, las enzimas tienen una temperatura óptima en la que su actividad es máxima. En los animales homeotermos como el hombre, esta temperatura óptima coincide con la temperatura normal del organismo. Las temperaturas inferiores al valor óptimo dan lugar a una disminución de la vibración molecular que hace más lento el proceso, mientras que temperaturas superiores a la óptima pueden provocar la desnaturalización y pérdida de su funcionalidad El ph, que al influir sobre las cargas eléctricas, podrá alterar la estructura del centro activo y, por lo tanto, también influirá sobre la actividad enzimática. Cada enzima tiene un ph óptimo de actuación. Los valores por encima o por debajo de este valor óptimo provocarán 6

7 un descenso de la velocidad enzimática, debido a cambios eléctricos en los radicales de los aminoácidos que configuran el centro activo. Por debajo y por arriba del ph óptimo se produce la desnaturalización de la enzima anulándose su actividad. Algunos enzimas presentan variaciones peculiares. La pepsina del estómago, presenta un óptimo a ph = 2, y la fosfatasa alcalina del intestino un ph = 12. Los inhibidores. Determinadas sustancias van a poder actuar sobre las enzimas disminuyendo o impidiendo su actuación. Estas sustancias son los inhibidores. Se trata de moléculas que se unen a la enzima impidiendo que ésta actúe sobre el substrato. La inhibición puede ser irreversible, cuando el inhibidor, llamado en este caso veneno metabólico, se une covalentemente al enzima, alterando su estructura e inutilizándola de forma permanente (los insecticidas organofosforados inhiben la acetilcolinesterasa, o el cianuro a la citocromo oxidasa). La inhibición reversible, más común, tiene lugar cuando la enzima vuelve a tener actividad una vez eliminada la sustancia inhibidora. En este caso, la unión del inhibidor con el enzima se realiza por enlaces no covalentes, más fáciles de romper. Existen 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. El grado de inhibición dependerá de la proporción relativa entre sustrato e inhibidor. El inhibidor debe ser análogo (parecido) al sustrato para poder unirse al centro activo. Su acción se anula al aumentar la concentración de sustrato. No competitiva. Cuando el inhibidor se une reversiblemente a un punto diferente del centro activo pero con su actuación modifica la estructura del enzima al tiempo que dificulta el acoplamiento del sustrato. En otras ocasiones, el inhibidor se une al complejo enzima-sustrato, una vez creado éste, e impide la posterior formación del producto. Este tipo de inhibición no depende de la concentración de sustrato. Es frecuente que el inhibidor sea el propio producto de la reacción enzimática o el producto final de una cadena de reacciones. Cuando se trata del producto final, recibe el nombre de retrorregulación o feed-back Nomenclatura y clasificación de las enzimas. Las enzimas se nombran formulando el sustrato sobre el que actúan, el coenzima si interviene alguno, el tipo de reacción catalizada y añadiendo la terminación asa. Ej, Acetil-CoA-carboxilasa. 7

8 1. Óxido-reductasas ( Reacciones de oxido-reducción). Si una molécula se reduce, tiene que haber otra que se oxide 2. Transferasas (Transferencia de grupos funcionales) grupos aldehidos gupos acilos grupos glucosilos grupos fosfatos (kinasas) 3. Hidrolasas (Reacciones de hidrólisis) Transforman polímeros en monómeros. Actúan sobre: enlace éster enlace glucosídico enlace peptídico enlace C-N 4. Liasas (Adición a los dobles enlaces) Entre C y C Entre C y O Entre C y N 5. Isomerasas (Reacciones de isomerización) 6. Ligasas (Formación de enlaces, con aporte de ATP) Entre C y O Entre C y S Entre C y N Entre C y C 8

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