DISCUSIÓN Nº 3: “PROPIEDADES GENERALES
DE LAS
ENZIMAS”
1. Explicar la naturaleza química de las enzimas, sus principales propiedades y la función que desempeñan en los sistemas biológicos. Las enzimas son catalizadores biológicos, de naturaleza proteica (con excepción de algunas moléculas de RNA catalizadoras o ribozimas), para las reacciones químicas, la mayor parte de las cuales ocurrirían sino fuera por la catálisis enzimática; cada enzima cataliza un pequeño numero de reacciones y frecuentemente solo una. Son biocatalizadores porque incrementan la velocidad de las reacciones químicas en todos los seres vivos. Propiedades: a. Son proteínas globulares: tienen un alto nivel de organización. b. La mayoría de las enzimas necesitan un cofactor, (orgánico e inorgánico), para su actividad. c. Están formadas por mas de 100 amino ácidos d. Disminuyen la energía de activación. e. Se requieren en cantidades mínimas (eficiencia) f. Pueden ser regulables (alostericas) g. Modifican la estructura química del sustrato (según el tipo de reacción que catalicen) h. No alteran el equilibrio de la reacción i. No se modifican permanentemente ni se consumen j. Convierten productos aquirales a productos quirales k. Son selectivas l. Aumentan 10 a la sexta veces la velocidad de reacción. m. Su actividad es afectada por cambios en el medio (concentración de iones hidrógeno, pH, temperatura, concentración de la enzima, concentración del sustrato, concentración de los cofactores, inhibidores, etc.). n. Son especificas: capacidad de actuar sobre un solo sustrato o sobre un pequeño conjunto de sustratos estrechamente relacionados, así como también para el tipo de reacciones que catalizan. o. Son catalizadores estereoespecificos catalizando por lo general estereoisomeros específicos de un determinado compuesto.
2. Describir como el pH y la concentración de sales afectan el estado iónico de una enzima Los cambios de carga pueden afectar la actividad, ya sea cambiando la estructura o la carga en un residuo que funcione para ligar el sustrato o en la catálisis. Ph extremos (típicamente por debajo de 4.0 y por encima de 10.0) cambia el grado de ionización de numerosos grupos de la enzima, de modo que puede alterar su estructura funcionalmente. Si estos cambios son suficientemente grandes, se desnaturaliza la enzima irreversiblemente perdiendo con esta su actividad. Las variaciones de pH mas pequeñas dentro de rangos de 4-10 afectan a un número menor de grupos ionizables, y si estos están en el sitio catalítico, la actividad de la enzima cambia notablemente. La variación de pH puede así mismo alterar el grado de ionización del sustrato, modificando la unión del sustrato a la enzima. Al afectar el estado iónico puede hacer que la enzima actué sobre uno u otro sustrato. Afectan las cadenas (-R), las cuales tienen grupos que se ven afectados: -OH, -COOH, -NH2. En conclusión: la actividad enzimática esta relacionada con las características del Ph y fuerza iónica del medio (concentración de sales). Estos factores afectan la configuración de la proteína, ya que los diversos grupos funcionales de las cadenas polipeptídicas pueden ionizarse o interactuar con otras cargas o grupos funcionales, modificando su estructura terciaria, ya que las enzimas presentan su máxima actividad a un valor dado de pH, el cual es diferente para cada enzima.
3. Explicar a través de análisis de sus respectivas graficas los factores que afectan a la velocidad de reacción enzimática, los siguientes factores: concentración de enzimas, concentración de sustrato, temperatura y pH. TEMPERATURA: las enzimas como proteínas que son se ven afectadas por la temperatura. En una reacción no catalizada o incluso en las reacciones catalizadas por enzimas, a mayor temperatura mayor velocidad de reacción, debido a que se incrementa el movimiento de las moléculas por un previo incremento de la energía cinética de estas; es decir que es directamente proporcional. Las enzimas actúan a una temperatura optima de 37º C, esta temperatura depende de la temperatura normal de las células en la que reside la enzima, generalmente las enzimas en el hombre son estables a temperaturas de hasta 45 a 55º C, superior o igual a 55º C la enzima se desnaturaliza, (existen excepciones: proteasa casi en punto de ebullición), con una perdida de la actividad catalítica. Las temperaturas bajas no la desnaturalizan sino que se desactiva y hasta después se vuelven activas en temperatura ambiente. Q10: es un coeficiente de temperatura. Si se aumenta la temperatura 10º C, la velocidad de un proceso biológico aumenta en la misma proporción. pH: La velocidad de casi todas las reacciones catalizadas por enzimas dependen de la concentración de iones hidrógenos. La mayoría de las enzimas tienen un pH entre 5 y 9 (existen excepciones: pepsina pH 1.5). El pH al que las enzimas llevan a cabo su actividad catalítica es el pH optimo, si este pH es alterado de manera drástica, la enzima se desnaturaliza y por tanto pierde su actividad catalítica. Por lo tanto, cambios mínimos de pH dentro de los limites fisiológicos, ayudan a regular las reacciones enzimaticas. CONCENTRACIÓN DE ENZIMAS: es directamente proporcional, a mayor cantidad de enzima, mayor velocidad de la reacción, pero esto solo se cumple cuando la velocidad inicial depende de la concentración. CONCENTRACIÓN DE SUSTRATO: Cuando se incrementa la concentración de sustrato, la velocidad inicial aumenta hasta que alcanza un valor máximo (Vmax). Cuando se llega al punto en que aumentar mas la concentración de sustrato no incrementa la velocidad inicial, se dice que la enzima esta saturada con el sustrato, y aunque se le agregara mas sustrato, este ya no influiría en la velocidad de la reacción, se vuelve constante. Con pequeñas cantidades de sustrato, la velocidad es directamente proporcional a la concentración de este; y con grandes cantidades de sustrato, la velocidad se vuelve constante.
4. Explicar porque el pH del ambiente intracelular de las enzimas no es precisamente el pH óptimo de las enzimas. Esto es debido a que hay enzimas que tienen una actividad tan grande, que son capaces de transformar bastantes moléculas de sustratos por segundo, y una forma de controlar su actividad en el organismo es mantenerlas a un pH diferente de su pH óptimo. Sino hubiera un metabolismo activado. Además se debe a que las enzimas manifiestan propiedades diferentes in Vitro que in vivo, donde la interacción con los componentes celulares pueden modificar la dependencia frente al pH.
5. Definir y ejemplificar: a. Enzimas funcionales del plasma: son las que se encuentran siempre en la circulación de individuos normales, y desempeñan un papel fisiológico en la sangre, encontrándose allí en concentraciones equivalentes o mayores que en los tejidos (allí esta el sustrato), generalmente son sintetizadas y
b.
c.
d.
secretadas estas enzimas en el hígado. Entre estas tenemos la lipoproteína lipasa, la seudocolinesterasa y las proenzimas de la coagulación de la sangre y disolución de coágulos. Enzimas no funcionales del plasma: realizan funciones fisiológicas desconocidas en el plasma. Estas surgen de la destrucción rutinaria normal de eritrocitos, leucocitos y otras células. El daño tisular o necrosis que resulta de lesión o enfermedad por lo regular va acompañado de incrementos en las concentraciones de varias enzimas plasmáticas no funcionales. Entre estas encontramos todas las enzimas intracelulares verdaderas y las que existen en las secreciones exocrinas como la amilasa pancreática, lipasa, fosfatasa alcalina, fosfatasa ácida prostática. Enzimas orientadoras de órganos: son enzimas que están presentes en concentración apreciables solo en un órgano; estas al incrementar su concentración en la sangre, orientan al medico para conocer en que órgano o tejido esta la enfermedad. Entre estas están la acetilcolinesterasa, fosfatasa ácida (próstata), alcohol deshidrogenasa en el hígado, fosfatasa alcalina, transaminasas, aldolasas, deshidrogenasa láctica, transcetolasa. Enzimas de secreción: son aquellas que van a ser secretadas por un órgano o una glándula (secreciones exocrinas) en forma pasiva y van a ejercer su acción a otro sitio. Por ejemplo la amilasa, lipasa y la fosfatasa.
6. Explicar la ubicación de la amilasa pancreática según la clasificación anterior Es una enzima de secreción, se origina o es secretada por el páncreas y luego se va hacia el intestino delgado y la saliva. 7. Analizar cuales son las muestras biológicas adecuadas para efectuar las determinaciones enzimaticas. p. Muestras de estratos tisulares q. Líquidos biológicos: sueros (sangre, orina, saliva, liquido cefalorraquídeo, liquido amniótico).
8. Explicar la relación que existe entre daño celular y actividad de las enzimas en el plasma Los valores de enzimas plasmáticas no funcionales se interpretan como prueba de una necrosis celular o bien de enfermedades en tejidos y órganos. Normalmente los niveles plasmáticos son muy bajos o nulos. Una agresión en forma de cualquier proceso patológico, pueden provocar cambios en la permeabilidad de la membrana celular o incrementar la muerte celular, dando lugar a la liberación de enzimas intracelulares en el plasma. En casos de cambios de permeabilidad las primeras enzimas que aparecerán en el plasma, serán las de menor peso molecular y cuanto mas grande sea el gradiente de concentración entre los niveles Nitra y extracelular, más rápidamente difundirá la enzima. Las enzimas no funcionales del plasma se incrementaran cuanto mayor sea la cantidad de tejido dañado. Y luego desaparecerán a velocidades diferentes, de acuerdo con la estabilidad de la enzima y su susceptibilidad al sistema reticuloendotelial.
9. Explicar como puede medirse la actividad de las enzimas en las muestras biológicas y la razón por la que en los análisis biológicos se investiga su actividad catalítica, en el tejido corporal y no su concentración.
Las diminutas cantidades de enzimas presentes en las células hacen complicado determinar su presencia y concentración. Sin embargo, su habilidad para transformar con rapidez miles de moléculas de un sustrato específico en productos le da a cada enzima la capacidad de revelar su presencia. En condiciones apropiadas la velocidad de la reacción catalítica en estudio es proporcional a la cantidad de enzima presente. 10. Definir las unidades en que se expresa la actividad de las enzimas. Unidades de Recambio: Es el número de moléculas de sustrato transformadas por unidad de tiempo por una molécula de enzima. Unidad Enzimática: La cantidad de enzima que es capaz de catalizar la transformación de 1 micromol de sustrato por minuto en condiciones estándar, a temperatura de 25º C y a un pH optimo. Katal: La cantidad de enzima que es capaz de catalizar la transformación de 1 mol de sustrato por segundo. Actividad específica: unidades de enzima por miligramo de proteína. 11. Explicar que son los zimógenos, su proceso de activación y su importancia ejemplificando hidrólisis selectiva o parcial. Ciertas proteínas se sintetizan y secretan como proteínas precursoras inactivas conocidas como proproteínas. Las proproteínas de enzima se denominan proenzimas o zimógenos. La proteólisis selectiva convierte una proproteína mediante una o más segmentaciones proteolíticas sucesivas en una forma que muestra la actividad características de la proteína madura, por ejemplo, su actividad enzimática. Entre las proteínas sintetizadas como proproteínas se encuentran la hormona insulina (proproteína = proinsulina, de la cual se deriva la insulina por separación proteolitica de un péptido), las enzimas digestivas que hidrolizan proteínas se sintetizan como zimogenos en el estomago y el páncreas y entre estas están la pepsina, tripsina y quimiotripsina (proproteínas = pepsinógeno, tripsinógeno y quimotripsinógeno respectivamente), varios factores de la coagulación sanguínea y cascadas de disolución de coágulos de sangre y la proteína del tejido conjuntivo colágeno, que se produce en la piel y el hueso, se deriva del procolágeno, un precursor soluble. Dado que este tipo de activación es irreversible, se necesitan otros mecanismos para inactivas estos enzimas. Las proteasas son inactivadas por proteínas inhibidoras que se fijan muy fuertemente al sitio activo de la enzima. La síntesis y secreción de proteasas como proenzimas catalíticamente inactivas protegen el tejido de origen (por ejemplo, el páncreas) contra la autodigestión, como la que puede ocurrir en la pancreatitis. Ciertos procesos fisiológicos como la digestión son intermitentes pero bastante regulares y predecibles. Otros como la formación de coágulos de sangre, la disolución de coágulos y la reparación de tejido se producen “en línea” sólo en respuesta a la necesidad fisiológica o fisiopatológica apremiante. La proteólisis selectiva tiene que ver con uno o más cortes proteolíticos muy específicos que podrían ir acompañados o no por la separación de los péptidos resultantes. Pero lo más importante es que la proteólisis selectiva produce con frecuencia cambios conformacionales que “crean” el sitio catalítico de una enzima. 12. Explicar la función de cada uno de los reactivos y analizar los resultados obtenidos en su determinación de amilasa. Sustrato reactivo de almidón pH 7 El almidón es un polisacárido de reserva alimenticia predominante en las plantas, y proporciona el 70-80% de las calorías consumidas por los humanos de todo el mundo. Tanto el almidón como los productos de la hidrólisis del almidón constituyen la mayor parte de los carbohidratos digestibles de la dieta habitual. En el experimento sirve de sustrato para poder ser hidrolizado por la enzima. Reactivo de Yodo N/100 Sirve para determinar el efecto de la amilasa sobre la digestión del almidón, es decir, la actividad de dicha enzima se determina por medio de la reacción del yodo, el cual al combinarse con el almidón produce un color azul verdoso.
Resultado El almidón no hidrolizado da un color azul oscuro con el reactivo de yodo, pero a medida que se efectúa la digestión, el color azul se torna cada vez más pálido hasta que por último el color que se obtiene es el del reactivo de yodo lo cuál significa que el almidón ha sido hidrolizado. 13. Describir la clasificación general de las enzimas ubicando a la amilasa dentro de ella. Oxidorreductasa: catalizan reacciones de oxidorreducción, es decir, transferencia de hidrógeno o electrones de un sustrato a otro. Ej.: succinato deshidrogenasa, citocromo c oxidasa, lactato deshidrogenasa, alcohol deshidrogenasa. Estas a la vez se dividen en deshidrogenasas, reductasas, oxidasas, hidroxilasas y peroxidasas. Transferasas: Catalizan la transferencia de grupo químico (distinto de hidrógeno) de un sustrato a otro. Ej.: glucoquinasa, hexoquinasa. Esta se divide en transaminasas, transfosforilasas y transmetilasas.
Hidrolasas: Catalizan reacciones de hidrólisis. Ej.: lactasa, quimotripsinas, amilasa. Se dividen en lipasas, fosfatasas, fosfodiesterasas, peptidasas, glicosidasas. Liasas: Catalizan reacciones de ruptura o soldadura de sustratos. Ej.: acetacetato descarboxilasa, fumarasa, piruvato descarboxilasa. Se dividen en descarboxilasas, aldolasas, deshidratasas, desaminasas. Isomerasas: Catalizan la interconversión de isómeros. Ej.: fosfotriosa isomerasa, fosfosglucosa isomerasa, alanina racemasa. Se dividen en epimerasas y mutasas. Ligasas: Catalizan la unión de dos sustratos con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifostato (ATP, GTP, etc.). Ej.: piruvato carboxilasa. Se dividen en sintetasas y carboxilasas. 14. Describir la reacción catalizada por la amilasa señalando: sustrato, producto y enlace que rompe La amilasa es una enzima digestiva producida y secretada por las células exocrinas de los acinos pancreáticos. Su acción es hidrolizar el almidón y el glucógeno hasta maltosa, maltotriosa y una mezcla de oligosacáridos ramificados, no ramificados y algo de glucosa. Sustrato: almidón y glucógeno. Producto: maltosa, maltotriosa y una mezcla de oligosacáridos ramificados, no ramificados y algo de glucosa. Enlace que rompe: enlace glucosídico alfa 1,4 15. Explicar la razón por la que en el diagnóstico diferencial, en la evolución y en el pronóstico de muchos estados patológicos son importantes los análisis enzimáticos. Las enzimas llevan a cabo funciones vitales relacionadas con la salud y enfermedad, por lo consiguiente, el clínico necesita conocer su funcionamiento y con frecuencia utiliza la medición de la actividad de las enzimas para ayudarse en el diagnóstico de varios estados patológicos. En la actualidad se sabe que los organismos responden a cambios en su medio interno y externo mediante modificaciones equilibradas y coordinadas en las velocidades de reacciones metabólicas específicas. Muchas enfermedades del hombre, como cáncer, diabetes, fibrosis quística y enfermedad de Alzheimer, se caracterizan por disfunciones reguladoras que desencadenan agentes patógenos o mutaciones genéticas. Por ejemplo, muchos virus oncogénicos elaboran proteín-tirosíncinasas que modifican los eventos reguladores que controlan patrones de expresión génica, y contribuyen a la iniciación y progresión del cáncer. Por consiguiente, es esencial conocer los factores que controlan las velocidades de las reacciones catalizadas con enzimas para comprender la base molecular de la enfermedad. Además, el estudio de la cinética de las enzimas también representa el modo principal para identificar posibles agentes terapéuticos que, de manera selectiva, incrementan o inhiben las velocidades de procesos específicos catalizados por las enzimas. Un conjunto complejo y equilibrado de actividades enzimáticas es el fundamento para mantener la homeostasis. Por consiguiente, es importante entender la cinética de las enzimas para saber cómo las
condiciones fisiológicas adversas, como anoxia, acidosis y alcalosis metabólicas, toxinas y agentes farmacológicos afectan ese equilibrio. 16. Enunciar los valores normales de amilasa en suero y explicar las posibles alteraciones séricas en procesos patológicos apendicitis, pancreatitis, insuficiencia renal. Los valores normales de amilasa en suero son de 60-160 U/dL de suero Se encuentran niveles elevados de amilasa principalmente en la pancreatitis, y en la parotiditis, úlcera péptica perforada, apendicitis, enfermedad de las vías biliares, insuficiencia renal, etc. Por tanto, se utiliza para evaluar la función del páncreas, diagnosticar la presencia de enfermedades del mismo y para controlar su evolución. También se utiliza para evaluar enfermedades de la vesícula biliar (piedras ó litiasis), problemas intestinales, y otras enfermedades diversas.
Los niveles aumentados de Amilasa en la sangre pueden indicar: a. Cáncer de páncreas, ovarios, pulmón. b. Colecistitis. c. Cólico de vesícula biliar. d. Embarazo ectópico con rotura de trompas. e. Obstrucción intestinal. f. Pancreatitis aguda. g. Problemas de obstrucción de conductos biliares o pancreáticos. h. Ulcera de estómago perforada. Los niveles disminuidos de Amilasa en la sangre pueden indicar: i. Cáncer de páncreas. j. Lesión pancreática. k. Enfermedades renales. l. Toxemia en el embarazo. 17. Explicar la importancia de las isoenzimas en el diagnóstico clínico, ejemplificando. Los organismos superiores suelen elaborar varias versiones físicamente distintas de una determinada enzima, cada una de las cuales cataliza la misma reacción. Al igual que los miembros de otras familias de proteínas, estos catalizadores proteínicos o isoenzimas surgen por la duplicación de genes. 18. Explicar en que consiste inhibir una enzima y señalar los diferentes tipos de inhibidores enzimáticos, diferenciando con el proceso de desnaturalización. Las enzimas se pueden inactivar por modificación irreversible de un grupo funcional esencial para la actividad catalítica. También se pueden inhibir por moléculas que se fijan reversiblemente. Los inhibidores competitivos compiten reversiblemente con el sustrato para fijarse en el sitio activo pero no son transformados por el enzima. Los inhibidores no competitivos se fijan al complejo enzima-sustrato en un sitio diferente del centro activo. En la inhibición mixta, un inhibidor se fija a la enzima o al complejo enzima-sustrato, también en un sitio distinto del que une el sustrato. La actividad enzimática puede ser disminuida o eliminada por la acción de ciertas sustancias a las cuales se les conoce con el nombre de inhibidores enzimáticos. Mediante el uso de inhibidores enzimáticos se ha obtenido información muy valiosa sobre la conformación del centro activo de algunas enzimas. Las distintas formas de interacción se traducen en varios tipos de inhibición perfectamente diferenciables experimentalmente. Los dos tipos más comunes son la competitiva y la no competitiva. La primera es cuando el inhibidor compite con el sustrato por la unión con el centro activo de la enzima. Este tipo de inhibición puede
reducirse si se aumenta la concentración de sustrato. Un ejemplo clásico lo constituye la inhibición del malonato sobre la enzima succinato deshidrogenasa que cataliza la eliminación de dos átomos de hidrógeno de los átomos de carbono metilénico del succinato. En la segunda el inhibidor forma un enlace covalente con las enzimas cerca del centro activo sin modificarla irreversiblemente. Un ejemplo son los gases nerviosos, como el fluorofosfato de di isopropilo (DFP) que forma un complejo con la enzima acetilcolinesterasa. Los animales envenenados con este gas quedan paralizados, debido a la imposibilidad de transmitir adecuadamente los impulsos nerviosos. Ciertos metales como el plomo, mercurio y arsénico inhiben enzimas que tienen en su centro activo grupos – SH libres. El proceso de inhibición enzimática es útil para comprender los mecanismos de acción tóxica y farmacológica de algunos compuestos. 19. Definir que son enzimas reguladoras y señalar sus principales características. En cada ruta metabólica hay al menos una enzima que fija la velocidad de la secuencia global ya que cataliza la reacción más lenta, es decir, la limitante de velocidad. Estas enzimas reguladores, muestran además una actividad catalítica mayor o menor en respuesta a ciertas señales. Gracias a la acción de tales enzimas reguladores, la velocidad de cada secuencia metabólica se ajusta constantemente para adaptarse a los cambios en las necesidades de la célula con respecto a la energía y a las biomoléculas requeridas durante el crecimiento celular y en la reparación de lesiones. La actividad de algunas enzimas reguladoras, llamadas enzimas alostéricos, se ajusta mediante la fijación reversible de un modulador específico a un sitio regulador. Las enzimas reguladoras o alostéricas son estimuladas o inhibidas por la unión con alguna molécula, el efector o modulador, generalmente un producto metabólico, cuya concentración en la célula es crítica, además le provoca cambio al sitio catalítico, ayuda a que el sustrato se pose adecuadamente, presentan estructura cuaternaria, son oligomericas, son débiles a temperatura baja, presentan dos o mas cadenas y tienen alto peso molecular.
