Tabla de contenido
ENZIMAS ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................... ......... 2
CLASIFICACIÓN CLASIFICAC IÓN ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ..................... ... 3
Componentes Componen tes de una reacción .................................. ................. .................................. ................................... .................................... .............................. ............ 7
SITIO ACTIVO ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 10
LOS MECANISMOS DE LA RELACION ENZIMA SUSTRATO. ................................ ............... ................................... ...................... 11
Bases moleculares y termodinámicos termodinámicos de la la acción acción catalítica de las enzimas ................. ....................... ...... 15
Bibliografía .................................................................................................................................... 16
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ENZIMAS Las enzimas son proteínas especializadas en la catálisis de las reacciones biológicas. Se encuentran entre las más notables de las biomoléculas conocidas debido a su extraordinaria especificidad y a su poder catalítico, que es mucho mayor que la de los catalizadores hechos por el hombre. Gran parte de la historia de la bioquímica es la historia de la investigación de los enzimas. El nombre enzima (en la levadura) no se empleó hasta 1877, pero mucho antes ya se sospechaba que ciertos catalizadores biológicos intervenían en la fermentación del azúcar para formar alcohol. Las enzimas son catalizadores con varias propiedades notables. En primer lugar las velocidades de las reacciones catalizadas por enzimas a menudo son extraordinariamente elevadas. Se han observado aumentos de velocidad de 10 7 a 1019 veces. En segundo lugar, en marcado contraste con los catalizadores inorgánicos, las enzimas son muy específicas para las reacciones ue catalizan, y rara vez forman productos secundarios. Por último, debido a sus estructuras relativamente grandes y complejas, las enzimas pueden regularse. Esto es muy importante en los seres vivos, que deben conservar energía y materias primas. Las enzimas realizan su trabajo a temperatura moderada y son bastante específicas en las reacciones que catalizan cada una de ellas. La diferencia entre los catalizadores inorgánicos y las enzimas están relacionada directa con sus estructuras. A diferencia de los catalizadores inorgánicos, cada clase de molécula enzimática contiene una superficie de unión en forma enrevesada y única denominada sitio activo. Los sustratos se unen al sitio activo de las enzimas, que en general es una pequeña hendidura o grieta en una molécula proteínica grande. La especificidad enzimática es una propiedad de las enzimas que se explica en el parte del modelo de llave y cerradura, propuesto por Emil Fischer en 1890. Cada se une a un único tipo de sustrato debido a que el sitio activo y el sustrato poseen estructuras complementarias. En una variante moderna del modelo del ajuste inducido, se considera la estructura flexible de las proteínas. En este modelo, el sustrato no se ajusta con precisión aun sitio activo, conformado la forma de éste con la del sustrato, lo que origina la conformación del estado de transición. Algunas enzimas requieren componentes no proteínicos para realizar sus actividades. Los cofactores pueden ser iones, como el Mg 2+ o en Zn2+, o moléculas orgánicas más complejas, denominadas coenzimas. El componente proteínico de una enzima que carece de un cofactor esencial se denomina apoenzimas. Las enzimas intactas con sus cofactores unidos se denominan holoenzimas.
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CLASIFICACIÓN
Clase de enzima
1. Oxidorreductasas
Tipo de reacción catalizada
Tipos de enzimas representativas
Transferencia de electrones, iones hidruro o átomos de hidrogeno
Deshidrogenasas
Catalasas
Oxidasas
Peroxidasas
Reductasas
Glucosa Oxidasas
A + BH2
AH2 + B
Enzimas industriales representativas
Peroxidasas
2. Transferasas
Transferencia de grupos orgánicos funcionales AX + C
A + CX
Metiltransferasas Aciltransferasas Aminotransferasa s
Fructosiltransferasa s Glucosiltransferasa s
Fosfotransferasas
3. Hidrolasas
Hidrolisis (reacciones de rotura de enlaces con incorporación de agua) AX + H2O
AH + XOH
Esterasas
Amilasas
Peptidasas
Celulasas
Fosfatasas
Lipasas
Glucosidasas
Pectinasas Proteasas
4. Liasas
Adición de grupos a dobles enlaces o Descarboxilasas formación de dobles enlaces por eliminación de grupos. rotura de Aldolasas enlaces sin incorporación de agua Desaminasas XY + C= C XY
5. Isomerasas
CX – CY
Pectato liasas α-acetolactato Descarboxilasa
Sintasas
X+Y
Transferencia de grupos dentro de moléculas para formar isómeros (reorganizaciones moleculares)
Isomerasas
A
Epimerasas
B
Glucosa isomerasa
Racemasas
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Mutasas
6. Ligasas
Formación de enlaces en reacciones de condensación acopladas a la rotura del ATP u otra fuente energética
Ligasas
X + Y + ATP
Carboxilasas
XY + ADP + Pi
Sintetasas
No utilizadas actualmente en procesos industriales
Clase 1. Oxidorreductasas
Catalizan reacciones de óxido-reducción o transferencia de átomos de hidrogeno o electrones de un sustrato a otro. Sus funciones están básicamente relacionadas con las reacciones de óxido reducción de los organismos. Se encuentran muy comúnmente en reacciones metabólicas. Dentro de ellas existen dos subgrupos principales: Las Deshidrogenasas y las Oxidasas. Ejemplos de estas enzimas son la succinato deshidrogenasa y la citocromo oxidasa.
Clase 2. Transferasas
Estas enzimas están implicadas en la transferencia de grupos funcionales entre dadores y aceptadores. Las porciones que con más frecuencia son transferidas son grupos amino, acilo, fosfato, glucosilo y monocarbonados. Página 4
Clase 3. Hidrolasas
Este grupo de enzimas se puede considerar como una clase especial de transferasas en las que el sustrato es roto siendo sus fragmentos transferidos a los componentes del agua (OH y H). Las reacciones catalizadas por hidrolasas implican la rotura hidrolitica de enlaces C-O, C-N, O-P y C-S. Las enzimas más importantes de esta clase son las esterasas, carbohidrasas, amilasas y peptidasas. La mayoría de las enzimas digestivas actúan como hidrolasas.
Clase 4. Liasas
Son enzimas que añaden o eliminan los elementos del agua, amoniaco o dióxido de carbono. Las descarboxilasas eliminan unidades de CO 2 de α- y β-cetoacidos o aminoácidos. Las deshidratasas eliminan H 2O en una reacción de deshidratación. La fumarasa convierte el fumarato en malato.
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Clase 5. Isomerasas
Este es un grupo muy heterogéneo de enzimas que catalizan isomerizaciones de diversos tipos. Entre ellas se encuentran interconversiones cis-tran y aldosacetosa. Las isomerasas que catalizan la inversión en átomos de carbono asimétricos son epimerasas o racemasas. Las mutasas catalizan la transferencia intramolecular de un grupo tal como el fosforilo. La transferencia puede ser directa pero puede implicar un enzima fosforilado como intermedio.
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Clase 6. Ligasas
Las ligasas son enzimas que catalizan la unión de dos sustratos con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato (ATP, GTP, etc.). Estas enzimas participan en reacciones sintéticas en las que se unen dos moléculas a expensas de un “enlace fosfato de alta energía” del ATP. La formación de los aminoacil -tRNA, acil coenzima A, glutamina y la adición de CO 2 al piruvato son reacciones catalizadas por ligasas. Un ejemplo de esta enzima es la piruvato carboxilasa. Los dos sustratos, bicarbonato y piruvato, se ligan form ando un α -cetoacido de cuatro carbonos.
Componentes de una reacción Una reacción química consiste en el cambio de una o mas sustancias en otra(s). Los reactantes son las sustancias involucradas al inicio de la reacción y los productos son las sustancias que resultan de la transformación. En una ecuación química que describe una reacción, los reactantes, representados por sus fórmulas o símbolos, se ubican a la izquierda de una flecha; y posterior a la flecha, se escriben los productos, igualmente simbolizados. En una ecuación se puede indicar los estados físicos de las sustancias involucradas de la manera siguiente: (s) para sólido, (l) para líquido, (g) para gaseoso y (ac) para soluciones acuosas. Los catalizadores, temperaturas o condiciones especiales deben especificarse encima de la flecha.
A) Primer miembro o reactantes.- primera parte de la reacción química, Las sustancias que hay antes de producirse el cambio y que desaparecen se llaman.
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toda sustancia que interactúa con otra en una reacción química y que da lugar a otras sustancias de propiedades, características y conformación distinta, denominadas productos de reacción o simplemente productos. Por tratarse de compuestos químicos, los reactivos se pueden clasificar según muchas variables: propiedades físicoquímicas, reactividad en reacciones químicas, características del uso del reactivo. Sin embargo, por tratarse del concepto de reactivo la clasificación más adecuada en este caso sería la de características de su uso, según la cual se clasifican en el uso al que están destinados los reactivos. Esta clasificación viene dada en el envase del reactivo y depende del tratamiento que se le haya dado, de su riqueza, de su pureza que determina el uso químico que se le va a poder dar, teniendo en cuenta la precisión, exactitud y error absoluto que se ha de tener en la operación química a realizar. Así los reactivos se pueden clasificar en:
PB: Destinado a bioquímica.
PA: Destinados a aplicaciones analíticas.
QP: Químicamente puro, destinado a uso general en laboratorio.
DC: Destinados a las aplicaciones del análisis clínico.
B) Segundo miembro o productos .- parte final de la reacción química, Las sustancias que hay después de producirse el cambio y que aparecen o se generan.
C) Símbolos químicos .- Representa a los elementos químicos que intervienen en la reacción. Son abreviaciones o signos que se utilizan para identificar los elementos y compuestos químicos
D) Coeficiente .- Indica el número de moléculas o elementos químicos libres que intervienen en una reacción química se coloca del lado izquierdo. Página 8
E) Subíndice.- Indica el número de átomos en una molécula y se coloca del lado derecho. F) fl echa .- Indica el signo igual y hacia dónde se dirige la reacción química. G) Catalizadores : es una sustancia que está presente en una reacción química en contacto físico con los reactivos, y acelera, induce o propicia dicha reacción sin actuar en la misma.
Ejemplo de una reacción química:
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SITIO ACTIVO Las moléculas de enzimas contienen hendiduras o cavidades denominadas sitio activo que les permite unir y orientar las moléculas que intervienen en la reacción y de esa forma maximizan la posibilidad de formación o ruptura de enlaces necesarios para la obtención de productos. El interior de la célula es denso y, aunque los sustratos y las enzimas están en número relativamente pequeño, se pueden encontrar y dar lugar al complejo ES porque están en continuo movimiento. Las enzimas se mueven más lentamente que los sustratos y la velocidad de encuentro va a depender de la concentración de sustrato presente. El sitio activo tiene una forma determinada por el ordenamiento espacial de los -R que es única y que es reconocida por su sustrato. Esta es la base de otra de las características de las enzimas que es su especificidad. En el sitio activo los grupos -R están próximos debido a los plegamientos originados por las estructuras secundaria y terciaria, a pesar de que están alejados en la estructura primaria de la enzima. Estos –R participan en la reacción, algunos uniendo y orientando el sustrato y otros, formando o rompiendo enlaces. Algunas enzimas presentan especificidad absoluta porque la topografía del sitio activo además de ordenada es rígida lo que se ha esquematizado con el modelo de llave-cerradura. Sin embargo, muchas enzimas presentan especificidad relativa porque pueden catalizar el mismo tipo de reacción con más de un sustrato estructuralmente similar o permitir la unión de un sustrato no complementario que igual permita la formación de productos.
En el metabolismo, el producto de la acción de una enzima es el sustrato de la siguiente enzima y aunque las reacciones tienden al equilibrio, no llegan nunca a él porque los sustratos y productos están en continua transformación. El conjunto de reacciones que forman una vía metabólica está controlado por enzimas cuya
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estructura varía según la concentración de sustratos, productos, compuestos intermedios o de productos finales de las mismas: las enzimas son regulables. Las enzimas no modifican la constante de equilibrio sustrato producto, lo que hacen es bajar la energía de activación, aumentando la velocidad de reacción para alcanzar el equilibrio.
LOS MECANISMOS DE LA RELACION ENZIMA SUSTRATO. MECANISMO DE ACCIÓN DE LAS ENZIMAS. Las enzimas reducen el umbral de activacion energética de las reacciones químicas. La secuencia general de mecanismos de accion de las enzimas es el siguiente: 1) La superficie del sustrato entra en contacto con una region especifica de la superficie de la enzima llamada sitio activo. 2) Se forma un compuesto intermediario transitorio llamda complejo enzimasustrato. 3) La molécula de sustrato se transforma como consecuencia del reodenamiento de los átomos preexistentes, la degradación de la molecula de sustrato o la combinación con otra molécula de sustrato. 4) Formacion de productos 5) Recuperación de la enzima inalterada.
F i g u r a 1 : m e c a n i s m o s d e a c c i o n d e l a s e n z im a s
Algunas de las enzimas pueden desarrollar su función catalítica, sólo si determinadas moléculas orgánicas pequeñas están también presentes. Los nombres de algunas de estas moléculas, o coenzimas, se encuentran en la tabla 1, junto con las clases de enzimas para los cuales son coenzimas.
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Coenzima Piridoxal (vitamina B 4) Tiamina(vitamina B 1)
Enzima Transaminasas Descarboxilasas, transcetolasas Carboxilasas Deshidrogenasas
Biotina Dinucleótido de nicotinamida adenina Oxidasas Nucleótidos de flavina Tabla 1. Algunas coenzimas importantes.
Se sabe las enzimas son catalizadores biológicos, es decir que tienen la capacidad de reducir la energía de activación de la reacción, lo cual hace que la velocidad de reacción aumente. Muchas de estas enzimas tienen la capacidad de cambiar de forma o estructura cuando se unen a un sustrato. Este mecanismo se le conoce como “acoplamiento inducido”, que significa que se requiere la orientación y colocación precisa de la enzima para que su actividad catalítica sea inducida por la unión del sustrato.
Figura 2: Gráfica de comparación de una reacción catalizada enzimáticamente con otra sin catalizador (enzima).
Los principios generales de la cinética de las reacciones químicas son aplicables a las reacciones catalizadas por las enzimas, pero estas muestran también un rasgo característico, que no se observa en las reacciones no enzimáticas: la saturación con el sustrato.
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La palabra sustrato es empleada para referiste al reaccionante químico cuya reacción es catalizada por una enzima. Por ejemplo, la enzima alcohol deshidrogenasa, que se encuentra en el hígado entre otros sitios, cataliza la conversión del alcohol etílico a acetaldehído; aquí el alcohol etílico es el sustrato. En todas las reacciones catalizas por enzimas, el primer paso es la unión (nocovalente) del sustrato al enzima para formar lo que es llamado el complejo enzima-sustrato. Este complejo se puede disociar para devolver sustrato libre y enzima. Por lo tanto, ésta es una reacción de equilibrio, mostrada en la siguiente ecuación:
Ecuación 1.
Dónde: E: Enzima
La velocidad a la cual sucede esta reacción de enlace dependerá de la naturaleza tanto de la ES: Complejo enzimaenzima como del sustrato; sin embargo, en todos los casos en que ha sido medida la velocidad de sustrato enlace se ha visto que es muy rápida, de modo que el equilibrio de la ecuación se consigue en una reacción muy pequeña.
S: Sustrato
En la figura 3 vemos el efecto de la concentración del sustrato sobre la velocidad de la reacción catalizada por un enzima. A una concentración de sustrato baja, la velocidad inicial de reacción es casi proporcional a la concentración del sustrato y la reacción, por lo tanto, es aproximadamente de primer orden con respecto al mismo. Sin embargo a medida que la concentración del sustrato aumenta, la velocidad inicial de la reacción disminuye y deja de ser aproximadamente proporcional a la concentración de sustrato; en esta zona el orden de reacción es mixto. Con un aumento posterior de la concentración del sustrato la velocidad de la reacción llega a ser esencialmente independiente de la concentración de sustrato y se aproxima asintóticamente a una velocidad constante. En este intervalo de concentraciones de sustrato la reacción es esencialmente de orden cero con respecto al sustrato, y se dice entonces que el enzima se halla saturado con su sustrato. Todas las enzimas muestran el efecto de saturación, pero varían ampliamente con respecto a la concentración de sustrato que se necesita para que se manifieste.
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Figura 3. Efecto de la concentración del sustrato sobre la velocidad de una reacción catalizada enzimáticamente.
L. Michaelis y M.L. Menten desarrollaron una teoría general acerca de la relación, acción y cinética de las enzimas. Esta teoría, es fundamental para el análisis cuantitativo de todos los aspectos de la cinética de las enzimas y de la inhibición, se ha desarrollado plenamente para el caso sencillo de una reacción en la que solo hay un solo sustrato. La teoría de Michaelis-Menten supone que la enzima E se combina en primer lugar con el sustrato S para formar el complejo enzima-sustrato ES; a continuación este último se escinde en una segunda etapa, para formar enzima libre y producto P.
Ecuacion 2.
Dónde: E: Enzima S: Sustrato ES: Complejo enzimasustrato P: Productos El equilibrio entre enzima, sustrato y el complejo enzima-sustrato puede ser caracterizado tambien matematicamente por una constante de equilibrio. Los bioquimicos preferimos definir la constante de equilibrio para la disociación del complejo enzima-sustrato tal como se muestra en la siguiente ecuación:
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[][] []
Ecuacion 3
Los valores de la constante de disociación K s para muchos complejos enzimasustrato son de orden de 10 -6 a 10-3 M.
Bases moleculares y termodinámicos de la acción catalítica de las enzimas
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Bibliografía
Murray, R. y col. Bioquímica de Harper. 14a ed. Editorial El Manual Moderno. 1997
C. Mathews, Van Holde , K. y Ahern KG 2006. Bioquímica. 3a. ed.Addison Wesley. México.1335
McKee T. y McKee JR 2003. Bioquímica: La base de molecular de la vida. 3a. ed. McGraw-Hill Interamericana. España.
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