UNIVERSIDAD NACIONAL ESCUELA DE CIENCIAS AGRICOLA, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE ECAPMA Nombre del Curso: 334001-Sistema Metabólico Nutricional Tema: Bioactividad de Enzimas JAIRO ENRIQUE GRANADOS MORENO.,MSc (Director Nacional) 2014 1
BIOACTIVIDAD DE ENZIMAS EN NUTRICIÓN ANIMAL Características de las enzimas Son proteínas y por lo tanto, cualquier proceso que altere su estructura, como por ejemplo: El calentamiento excesivo, adición de ácidos o bases fuertes, las desnaturalizan, perdiendo su actividad biológica y catalítica. Las enzimas son biocatalizadores de origen proteíco, altamente especializados, esto significa que actúan casi siempre sobre una sola reacción o determinado tipo de sustancias llamadas sustratos. Así existen enzimas que hidrolizan únicamente almidones y se llaman amilasas, otras hidrolizan grasas y se denominan lipasas. En general, el nombre de la enzima depende de la sustancia sobre la que actúa y que se llama sustrato.sin las enzimas no podrían ocurrir actividades metabólicas como la respiración, la contracción muscular, el crecimiento, la actividad cerebral o la digestión. Al igual que los catalizadores inorgánicos, las enzimas no se destruyen durante el proceso y porque su acción se limita a activar el sustrato, disminuyendo así la energía de activación que necesita éste para transformarse en un producto determinado. 1.1 Clasificación de las enzimas Como se afirmó anteriormente, las enzimas son catalizadores altamente especializados, esto significa que actúan casi siempre sobre una sola reacción o determinado tipo de sustrato; así existen biocatalizadores que hidrolizan únicamente almidones y se llaman amilasas, otras hidrolizan grasas y se denominan lipasas. En general, el nombre de la enzima depende de la sustancia sobre la que actúa, es decir, el sustrato, su clasificación se da con base en el tipo de reacción catalizada, como se muestra en el siguiente cuadro: 2
GRUPO Òxido -reductasas Transferasas Hidrolasas Liasas Ligasas Isomerasas TIPO DE REACCIÓN CATALIZADA Reacciones de òxidoreducción Transferencia de grupos funcionales orgánicos Hidrólisis en presencia de agua. Adiciòn al doble enlace Unión de moléculas utilizando ATP. Reacciones de isomerización EJEMPLOS Deshidrogenasa succínica Catalasas Transaldolasas Aciltransferasas Carbohidrasas Celulasas Descarboxilasas Pirùvico descarboxilasa Glutamina sintetasa polimerasas Triosa isomerasa Fructosa isomerasa EJEMPLOS: GLUCOSA-6-P fosfohexos aisomerasa FRUCTOSA-6-ISOMERASA ÀCIDO PIRÚVICO Pirùvicocarboxilasa ÀCIDO OXALOACÈTICO H 2 N-CO-NH 2 +3 H 2 O ureasa 1CO 2 + 2NH 4 OH 2H 2 O 2 1O 2 + 2H 2 O catalasa Otras reacciones bioquímicas enzimáticas (RBE) que son importantes en el metabolismo animal son: 3
En la glucólisis o ruptura de la glucosa sanguínea, la primera reacción es catalizada por una ligasa denominante Hexoquinasa. GLUCOSA + ATP Hexoquinasa GLUCOSA-6-FOSFATO +ADP + H La enzima alcohol deshidrogenase (una óxido-reductasa) convierte en el hígado, el alcohol etílico, antes de que llegue al cerebro, en acetaldehído, el cual es usado por la célula para sintetizar grasas. Mecanismo de reacción de las enzimas El mecanismo de una reacción bioquímica enzimática(rbe),está relacionado con las diferentes etapas que sigue el sustrato, para transformarse en producto. Dicho mecanismo, fue propuesto por los doctores Leonor Michaelis y Maud Menten(1913).y se E + S (E--S) * K 1 K 2 K 3 P + E 4
muestra en la ecuación señalada arriba. Esto implica que el enzima libre (E) puede captar en su centro activo una molécula de sustrato (S), transformándose en el complejo activado enzima -sustrato (ES)*, este complejo puede evolucionar de dos formas: a) Libera el sutrato y regenera la enzima libre, cuando no alcanza la suficiente energía de activación,es decir, invierte su reacción. b) Transforma el sustrato en un producto final y regenera la enzima libre de acuerdo a la cinética K 3, cuando supera la barrera energética inicial. Factores que afectan la cinética enzimática Las reacciones químicas catalizadas por enzimas, dependen del ph, la temperatura, el efecto de la concentración de la enzima y de la concentración del sustrato. A continuación, se analiza cada factor: a) Efecto del ph Debido a que las enzimas son de naturaleza proteica, las alteraciones en el ph del medio modificarán profundamente el carácter iónico de los grupos aminos y carboxilos de los aminoácidos que constituyen la proteína y en consecuencia afectarán su poder catalítico. Es decir, a valores extremos de ph se produce una inactivación de la enzima. Por lo tanto, es importante establecer m ph óptimo en estudios enzimáticos, en el cual, la actividad catalítica de la enzima presenta un rendimiento alto, conociendo este valor, la reacción se debe mantener en este rango de ph por medio de un buffer o solución amortiguadora, lo mismo ocurre en la célula, ya que un pequeño cambio en el valor de ph produce también graves 5
efectos sobre la actividad enzimática, incidiendo como es obvio en el metabolismo del animal. V Vmáx Ph óptimo ph La gráfica anterior nos muestra que cuando se modifica el ph en el transcurso de una reacción enzimática, aparece un valor en el cual la velocidad es máxima, este punto se denomina ph óptimo y por encima o debajo de dicho valor, la velocidad disminuye b) Efecto de la Temperatura: Al igual que el ph, las temperaturas extremas, afectan las reacciones enzimáticas, dada su naturaleza proteica. Debido a esto, se observa que a diversas temperaturas, la velocidad de la reacción cambia, tal como lo demuestra la ecuación de Arrhenius. Sin embargo, a un cierto valor la velocidad de la reacción es máxima, lo cual nos indica una TEMPERATURA ÓPTIMA de la misma, por encima o por debajo de esta temperatura la enzima pierde actividad y la velocidad disminuye, tal como lo indica la figura 2 6
c) Efecto de la Concentración de la Enzima: La velocidad de una reacción enzimática varía, directamente proporcional a la concentración de la enzima, por lo tanto a mayor [E] se incremente la velocidad, esto es válido en presencia de un exceso de sustrato. d) Efecto de la Concentración del Sustrato: Sí mantenemos la concentración de la enzima constante y variamos la concentración del sustrato, podemos observar que cuando se aumenta la concentración de éste, inicialmente hay un incremento notable en la velocidad de la reacción, hasta alcanzar una velocidad máxima estable, después de la cual permanece invariable por más sustrato que se le agregue. La curva hiperbólica de la figura nos muestra que a baja concentración de sustrato la relación entre V y [S] es prácticamente lineal y por lo tanto obedece a una cinética de primer orden con respecto al sustrato, es decir: V =[ K]; A medida que se incrementa la concentración de sustrato se llega a una zona donde se presenta una mezcla cinética de primer y segundo orden, finalmente, llega a una región donde la velocidad es máxima, constante e independiente la concentración del sustrato, aquí la cinética es de orden cero y no se modifica, poque la enzima ya está saturada en sus centros activos con el sustrato, también observamos que en el punto medio de la velocidad máxima aparece siempre una concentración de sustrato fija, denominada constante de Michaelis, la cual se relaciona con la afinidad de la enzima por el sustrato.el anterior análisis, nos indica que la cinética enzimática está caracterizada por dos factores fundamentales: La velocidad máxima (Vmáx.) de la enzima y la constante de Michaelis (Km) 7
L a ecuación cinética de esta gráfica hiperbólica es: V [ ] [ ] Sus parámetros cinéticos, se pueden explicar así: a) La velocidad máxima (Vmáx) de una reacción enzimática es el límite de la velocidad cuando la concentración del sustrato tiende al infinito y es causada por la saturación de los centros activos de la enzima por el sustrato. b) la Constante de Michaelis (Km) es la concentración del sustrato en el cual la velocidad de la reacción enzimática es la mitad de su velocidad máxima. 8