Índice Introducción a la Enzimología... 17 Notas históricas...18 I. Los orígenes...18 II. La fermentación alcohólica...20 El estudio de la Enzimología...22 Bibliografía general...23 Capítulo 1 Las reacciones químicas: criterios de espontaneidad y cinética... 27 1.1. En qué circunstancias tiene lugar espontáneamente una reacción?...28 1.1.1. El calor absorbido o desprendido en reacciones químicas...28 1.1.2. Orden o desorden introducido en un sistema: la entropía...29 1.1.3. Trabajo útil potencial en una transformación: la Energía Libre...30 1.2. La velocidad de las reacciones químicas...33 1.2.1. Velocidad y concentración: orden de reacción y molecularidad...33 1.2.2. Velocidad y temperatura: concepto de energía de activación...38 1.2.3. Catálisis...41 1.2.3.1. Los catalizadores no entran en la ecuación estequiométrica global...41 1.2.3.2. Los catalizadores no alteran la posición de equilibrio de la reacción...42 1.2.3.3. Los catalizadores modifican la energía de activación...43 1.2.3.4. Catálisis homogénea y heterogénea...45 Capítulo 2 Catálisis enzimática: términos, conceptos y características generales... 47 2.1. Conceptos y términos...48 2.1.1. Enzima...48 2.1.2. Substrato...50 2.1.3. Centro activo...50 2.1.4. Protómero...51 2.1.5. Actividad enzimática...51 2.1.6. Actividad específica, actividad molecular, número de recambio...52 2.1.7. Inhibidor...53 2.1.8. Activador...53
2.1.9. Coenzima...53 2.1.10. Isoenzima...55 2.2. Naturaleza química de las enzimas...55 2.3. La especificidad de las enzimas...57 2.3.1. Especificidad sobre estereoisómeros...57 2.3.2. Proquiralidad...58 2.3.3. Especificidad relativa...60 2.3.4. Especificidad en enzimas multisubstrato...60 2.3.5. Especificidad en secuencias de nucleótidos...61 2.4. Otros aspectos de la catálisis enzimática...61 2.5. Teorías sobre la acción enzimática...62 Capítulo 3 Clasificación y nomenclatura de las enzimas. Reacciones enzimáticas... 65 3.1. Principios generales de clasificación y nomenclatura de enzimas...66 3.1.1. Nomenclatura...66 3.1.2. Clasificación...67 3.2. Reacciones enzimáticas...68 3.2.1. Grupo 1: Oxidorreductasas...68 3.2.1.1. Clasificación sistemática de las oxidorreductasas...68 3.2.1.2. Nomenclatura alternativa (recomendada) para las oxidorreductasas...69 3.2.1.3. Algunas reacciones enzimáticas catalizadas por oxidorreductasas...69 (a) Deshidrogenasas...69 (b) Oxidasas...70 (c) Peroxidasas...70 (d) Oxigenasas (no confundir con Oxidasas)...71 (e) Hidroxilasas...72 (f) Reductasas...72 3.2.2. Grupo 2: Transferasas...73 3.2.2.1. Clasificación sistemática de las transferasas...73 3.2.2.2. Algunas reacciones enzimáticas catalizadas por transferasas...74 (a) Subgrupo 2.1: Transfieren grupos monocarbonados...74 (b) Subgrupo 2.4: Glicosil transferasas...74
(c) Subgrupo 2.6: transfieren grupos nitrogenados...75 (d) Subgrupo 2.7: Fosfotransferasas o kinasas...77 3.2.3. Grupo 3: Hidrolasas...77 3.2.3.1. Clasificación sistemática de las hidrolasas...78 (a) Subgrupo 3.1. Hidrolizan enlaces éster...78 (b) Subgrupo 3.2: Glicósido hidrolasas (glicosidasas)...79 (c) Subgrupo 3.4: Péptido hidrolasas...80 - Serin proteinasas...80 - Tiol proteinasas...81 - Proteinasas ácidas...81 - Metaloproteinasas...81 (d) Subgrupo 3.6: Acil anhídrido hidrolasas...82 3.2.4. Grupo 4: Liasas...82 (a) Subgrupo 4.1: Liasas C-C...83 (b) Subgrupo 4.2: Liasas C-O...84 3.2.5. Grupo 5: Isomerasas...84 3.2.5.1. Clasificación sistemática de las isomerasas...85 3.2.5.2. Algunas reacciones enzimáticas catalizadas por isomerasas...85 (a) Subgrupo 5.1: Racemasas y epimerasas...85 (b) Subgrupo 5.2: Isomerasas cis-trans...85 (c) Subgrupo 5.3: Oxidorreductasas intramoleculares...86 (d) Subgrupo 5.4: Transferasas intramoleculares (mutasas)...86 (e) Subgrupo 5.99: Otras isomerasas...87 3.2.6. Grupo 6: Ligasas o Sintetasas...87 3.2.6.1. Clasificación sistemática de las ligasas...88 3.2.6.2. Algunas reacciones enzimáticas catalizadas por ligasas...88 (a) Subgrupo 6.1: Ligasas C-O...88 (b) Subgrupo 6.3: Ligasas C-N...89 (c) Subgrupo 6.4: Ligasas C-C...89 Capítulo 4 Coenzimas o cofactores... 91 4.1. Introducción...92
4.2. Coenzimas asociadas a procesos redox...93 4.2.1. Coenzimas piridínicas (NAD +, NADP + )...93 4.2.1.1. Estructura química y modo de acción...94 4.2.1.2. Significación metabólica y fisiológica...96 4.2.1.3. Carácter vitamínico...97 4.2.2. Coenzimas flavínicas...97 4.2.2.1. Estructura química y modo de acción...99 4.2.2.2. Flavoproteínas...100 4.2.2.3. Carácter vitamínico...101 4.2.3. Coenzimas hemínicas...101 4.2.3.1. Estructura química y modo de acción...102 4.2.3.2. Las peroxidasas...103 4.2.3.3. Los citocromos...104 4.2.4. Quinonas...106 4.2.4.1. Ubiquinona o Coenzima Q...106 4.2.4.2. Otras quinonas...107 4.2.5. Ácido ascórbico (vitamina C)...107 4.2.5.1. Estructura química...108 4.2.5.2. Funciones biológicas...108 4.2.6. Glutatión...109 4.2.7. Otras coenzimas redox...110 4.3. Coenzimas asociados a otras reacciones (no redox)...111 4.3.1. Tiamina pirofosfato...111 4.3.1.1. Estructura química y modo de acción...112 4.3.1.2. Carácter vitamínico...112 4.3.2. Piridoxal fosfato...112 4.3.2.1. Estructura química y modo de acción; metabolismo de aminoácidos...113 4.3.2.2. Otras reacciones dependientes de piridoxal fosfato...114 4.3.2.3. Carácter vitamínico...114 4.3.3. Coenzimas folínicas...114 4.3.3.1. Estructura química y modo de acción...115
4.3.3.2. Carácter vitamínico...117 4.3.3.3. Farmacología asociada al ácido fólico...117 4.3.4. Coenzimas cobamídicas...118 4.3.4.1. Estructura química...118 4.3.4.2. Modo de acción...120 4.3.4.3. Carácter vitamínico...120 4.3.5. Biotina...121 4.3.5.1. Estructura química y modo de acción...121 4.3.5.2. Avidina...123 4.3.6. S-adenosil metionina...123 4.3.6.1. Estructura química...123 4.3.6.2. Función metabólica...123 4.3.7. Panteteínas...124 4.3.7.1. Estructura química...125 4.3.7.2. Modo de acción...126 4.3.8. Carnitina...126 4.3.9. 3 -Fosfoadenosil 5 -fosfosulfato (PAPS)...127 4.3.10. Adenosina 5 trifosfato (ATP)...128 (a) Reacciones de transferencia ligadas al ATP...128 (b) Suministro de energía para otras reacciones...128 4.3.11. Otros nucleótidos que operan como coenzimas...129 Capítulo 5 Cinética de las reacciones enzimáticas... 131 5.1. Introducción...132 5.1.1. Interés de los estudios cinéticos...132 5.1.2. Concepto de velocidad inicial...134 5.2. Efecto de la concentración de enzima...135 5.3. Efecto de la concentración de substrato...139 5.3.1. Estudio cinético de la interacción enzima-substrato...141 5.3.2. Mecanismo de Michaelis y Menten...143 5.3.3. Concepto de K m...145 5.3.4. Concepto de V max...147
5.3.5. Aproximación de estado estacionario...148 5.3.6. Eficiencia catalítica de las enzimas...150 5.3.7. Determinación experimental de K m y V max...151 5.3.7.1. Transformaciones lineales de la ecuación de Michaelis-Menten...153 5.4. Efecto del ph sobre la velocidad de las reacciones enzimáticas...154 5.4.1. Bases moleculares...154 5.4.2. Significado biológico del efecto del ph...158 5.5. Efecto de la temperatura sobre las reacciones enzimáticas...159 5.5.1. Bases moleculares...159 5.5.2. Significado biológico del efecto de la temperatura...161 Capítulo 6 Inhibición enzimática... 163 6.1. Concepto e importancia...164 6.2. Tipos de inhibidores...166 6.2.1. Inhibidores reversibles...166 6.2.2. Inhibidores irreversibles...167 6.3. Inhibición competitiva...168 6.3.1. Cinética de la inhibición competitiva...168 6.3.2. Diagnóstico cinético de la inhibición competitiva...170 6.3.3. Aspectos estructurales de la inhibición competitiva...172 6.3.4. Análogos de estado de transición...175 6.3.5. Anticuerpos catalíticos...177 6.3.6. Importancia práctica de la inhibición competitiva...178 6.4. Otras formas de inhibición reversible...179 6.4.1. Inhibición no competitiva...179 6.4.2. Inhibición acompetitiva o anticompetitiva...181 6.5. Inhibición irreversible...182 6.5.1. Generalidades...182 6.5.2. Reactivos de grupo -SH...184 6.5.3. Metales pesados...186 6.5.4. Inhibidores que combinan con cationes esenciales...186 6.5.5. Reactivos específicos de grupo y marcadores de afinidad...187
6.5.5.1. Organofosfóricos...187 6.5.5.2. Marcadores de afinidad...188 6.6. Substratos suicidas...189 6.6.1. Modo de acción de los antibióticos β-lactámicos...190 6.6.2. Resistencia a los antibióticos β-lactámicos: la β-lactamasa...192 6.6.3. Otros inhibidores suicidas...194 Capítulo 7 El Centro Activo enzimático. Mecanismos de la acción enzimática... 195 7.1. El centro activo...196 7.1.1. Concepto...196 7.1.2. Pruebas experimentales de la existencia del centro activo...197 7.1.3. Número de centros activos...199 7.1.4. Aminoácidos y grupos químicos implicados en el centro activo...201 7.2. Mecanismos de la acción enzimática...205 7.2.1. Efectos de proximidad y orientación...206 7.2.2. Catálisis ácido-base...207 7.2.3. Grupos nucleófilos y electrófilos...211 7.2.4. Formación de intermediarios covalentes con la enzima...211 7.2.5. Efectos mecanocuánticos...212 7.3. Estudio del centro activo de la quimotripsina...213 Capítulo 8 Regulación de la actividad enzimática, 1... 219 8.1. Generalidades...220 8.1.1. Tipos de regulación enzimática...220 I. Controles sobre la concentración enzimática...221 (a). Controles sobre la expresión genética...221 (b). Controles sobre la degradación enzimática...221 II. Controles sobre la actividad enzimática...222 (a). Control alostérico o alosterismo...222 (b). Modificación covalente de las enzimas...222 8.2. Control por retroalimentación negativa...223 8.2.1. Retroalimentación negativa en sistemas enzimáticos...225 8.2.2. Características generales del control enzimático por retroalimentación negativa...228
8.3. Alosterismo...231 8.3.1. Definición...231 8.3.2. Pruebas experimentales...234 8.3.3. Alosterismo y cooperatividad...235 8.3.3.1. Concepto de cooperatividad...235 8.3.3.2. Implicaciones estructurales de la existencia de cooperatividad...236 8.3.3.3. Efectores positivos y negativos y cooperatividad...236 8.3.3.4. Modelo alostérico restringido...238 8.3.4. Interpretación cuantitativa del alosterismo...239 8.3.4.1. El modelo de Monod, Wyman y Changeux...239 8.3.5. La aspartato transcarbamilasa...242 8.3.5.1. Comportamiento alostérico de la aspartato transcarbamilasa...242 8.3.5.2. Adecuación de la aspartato transcarbamilasa al modelo MWC...242 8.3.6. La hemoglobina...246 8.3.6.1. Comportamiento alostérico de la hemoglobina...246 8.3.6.2. Adecuación de la hemoglobina al modelo MWC...248 Capítulo 9 Regulación de la actividad enzimática, 2. Modificación covalente de las enzimas. Activaciones proteolíticas... 253 9.1. Introducción...254 9.1.1. Modificación covalente: su importancia biológica...254 9.1.2. Formas de modificación covalente...256 9.1.3. Concepto de segundo mensajero...258 9.1.3.1 Concepto de activación en cascada...260 9.2. Regulación de la glucógeno fosforilasa...261 9.2.1. Reacción catalizada y formas moleculares de la glucógeno fosforilasa...261 9.2.2. Cascada de activación en la glucógeno fosforilasa...263 9.2.3. Mecanismos moleculares en el sistema de la glucógeno fosforilasa...267 9.2.3.1. Glucógeno fosforilasa...267 9.2.3.2. Fosforilasa kinasa...272 9.2.3.3. Protein kinasa A...273 9.2.3.4. Adenilato ciclasa...275 9.2.3.5. Proteínas G...276
9.2.4. Otras actividades ligadas al sistema de la glucógeno fosforilasa...278 9.2.4.1. Protein fosfatasas...278 9.2.4.2. camp fosfodiesterasa...278 9.2.4.3. Glucógeno sintasa...279 9.3. Otros sistemas de fosforilación de proteínas...281 9.3.1. Protein kinasas A...281 9.3.2. Protein kinasas G...282 9.3.3. Protein kinasas C...282 9.3.4. Protein kinasas dependientes de calcio-calmodulina...283 9.3.4.1. El sistema calcio-calmodulina...283 9.3.4.2. Inositolfosfátidos...284 9.3.5. Protein tirosin kinasas...285 9.4. Otras formas de modificación covalente...285 9.4.1. ADP-ribosilación...285 9.4.2. Adenilación y Uridilación...287 9.5. Activaciones proteolíticas: Zimógenos digestivos...290 9.5.1. Pepsina...291 9.5.2. Tripsina...291 9.5.3. Quimotripsina...292 9.6. Activaciones proteolíticas: Coagulación de la sangre...292 9.6.1. El proceso de coagulación: generalidades...293 9.6.2. Polimerización del fibrinógeno...295 9.6.3. Formación de trombina...297 9.6.4. Formación del complejo protrombinasa...299 9.6.4.1. La vía extrínseca...299 9.6.4.2. La vía intrínseca...300 9.6.5. Anticoagulantes fisiológicos...301 Capítulo 10 Enzimas en Medicina... 303 10.1. Las enzimas en el diagnóstico clínico...304 10.1.1. Procedencia de las enzimas séricas...304 10.1.2. Alteraciones en la concentración enzimática en suero...305
10.1.2.1. Aumentos de la concentración enzimática...305 10.1.2.2. Disminuciones en la actividad enzimática...306 10.1.3. Estudio de las principales enzimas con interés diagnóstico...307 10.1.3.1. Aminotransferasas...307 10.1.3.2. Creatinkinasa...309 10.1.3.3. Fosfatasa alcalina...310 10.1.3.4. γ-glutamil transferasa...311 10.1.3.5. α-amilasa...311 10.1.3.6. Fosfatasa ácida...312 10.1.3.7. Lactato deshidrogenasa...312 10.2. Enzimas en Terapéutica...313 10.2.1. Terapéuticas sustitutivas...314 10.2.2. Enzimas en Cirugía...316 10.2.3. Trastornos de la circulación...316 10.2.4. Trastornos de la coagulación sanguínea...316 10.2.5. Enzimas en terapéutica antineoplásica...317 10.2.6. Otros usos terapéuticos de enzimas...317