Resumen de Enzimas

RESUMEN: ENZIMAS. ESTRUCTURA, CLASIFICACIÓN, FUNCIÓN, ACTIVIDAD, CINÉTICA E INHIBICIÓN ENZIMÁTICA, COENZIMAS, VITAMINAS Y METALES ESENCIALES

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¿Cómo se clasifican las enzimas de interés biológico y qué factores son importantes para su cinética?

Estructura

• Casi todas son proteínas. Ribozima: ARN con actividad catalítica.
• Algunas enzimas solo tienen aminoácidos (p. ej. hidrolasas).
• Sitio activo: Lugar donde se cumple la acción catalítica. Aa distribuidos espacialmente de manera precisa. Tiene sitios de unión (lugar donde se fija el sustrato) y catalítico (lugar donde se ubica el enlace a ser modificado).

Clasificación

• Código numérico: Clase principal, subclase, subsubclase y número de orden.

• 6 clases principales según el tipo de reacción catalizada:

1. Oxidorreductasas: Reacciones de oxidación-reducción. Deshidrogenasas (sustrato donante de H+), reductasa (sustrato aceptor de H+), oxidasas (O2 aceptor de H+), oxigenasas (O2 incorporado a sustrato), peroxidasas (H2O2 aceptor de H+).
2. Transferasas: Transferencia de restos como grupos glucosilo, metilo o fosforilo. Transaminasas (grupo amino de un compuesto a otro). Suelen utilizar el tetrahidrofolato como coenzima.
3. Hidrolasas: Rompen enlaces C–O, C–N, C–S y O–P por adición de agua. Sustrato y sufijo asa. Enzimas del tracto gastro intestinal. Pepsina, fosfatasa alcalina.
4. Liasas: Adicionan grupos a dobles enlaces o forman dobles enlaces por eliminación de grupos (elimina CO2), deshidratasas (elimina agua), aldolasas (elimina aldehído), sintasa (incorpora), adenilato ciclasa (cascada de fosforilación de las proteínas G).
5. Isomerasas: Mutasas. Interconvierten isómeros. Epimerasa, cis-trans isomerasas, ciclo isomerasas, tautomerasas, fosfato isomerasa.
6. Ligasas: Unión de dos moléculas con hidrólisis de ATP. Sintetasas. ADN ligasa, piruvato descarboxilasa.

Función

Catalizadores biológicos: Aceleran una reacción química sin formar parte de los productos ni desgastarse. Disminuyen la energía de activación (Ea) y tienen alta especificidad. Su actividad se puede regular según las necesidades del metabolismo.

• La enzima se une al sustrato con enlaces no covalentes (puentes de hidrógeno, enlaces iónicos e interacciones hidrofóbicas y de van der Waals). Durante la reacción, pueden formarse uniones covalentes transitorias.
• En muchas reacciones participan dos o más moléculas de sustratos diferentes. El sitio activo es un nicho donde cada uno se ubica en la posición y orientación más favorable para reaccionar.
• Modelo de ajuste inducido (Koshland): Cuando el sustrato se une a la enzima, induce cambios conformacionales y luego se acomodan los grupos funcionales críticos.

Actividad enzimática

• Puede determinarse mediante la cantidad de producto formado o de sustrato consumido.
• Se mide la velocidad inicial (antes que el consumo de sustrato haya alcanzado el 20%).
• La cantidad de enzima se indica en UI (cantidad que cataliza la transformación de un μmol de sustrato por minuto).
• Actividad específica: Unidades de enzima por mg de proteínas en la muestra.

• ▪ La catálisis se realiza sobre el sustrato unido a la enzima de manera reversible y no covalente.

• ▪ Se forma un intermediario covalente (serina proteasas).

• ▪ Toda la acción ocurre en una coenzima que forma un enlace covalente con el sustrato.

Cinética enzimática

Ecuación de Michaelis-Menten: Asume que el sustrato S se une a la enzima E, formando el complejo enzima-sustrato (ES), que luego reacciona en la superficie de la enzima y se descompone en E + P (producto). Esta descomposición es el paso limitante de la velocidad de catálisis.

Constante catalítica Kcat: Número de moléculas de sustrato convertidas en producto por molécula de enzima y por unidad de tiempo.

▪ Concentración de enzima [E]: Cuando se determina la velocidad inicial, se puede establecer la relación entre cantidad de enzima y velocidad (equivalente a actividad enzimática). La velocidad es directamente proporcional a la concentración de enzima.

▪   Concentración de sustrato [S]: La enzima alcanza una Vmáx (todos los centros activos están ocupados con sustrato) a [S] saturantes.

• o Km (constante de Michaelis-Menten): Concentración de sustrato donde la reacción alcanza la mitad de su Vmáx. [ES] = la mitad de la enzima total. A mayor afinidad de la enzima por el sustrato, menor valor de Km.

▪ Temperatura: La actividad enzimática aumenta con la temperatura, pero luego disminuye a temperaturas altas porque las enzimas se desnaturalizan. Gran mayoría de enzimas → temperatura óptima alrededor de 37ºC. La velocidad de muchas reacciones biológicas se duplica por cada 10ºC de aumento. Alrededor de los 60ºC se inactivan.

▪ pH: Toda enzima tiene un pH óptimo porque en las reacciones catalíticas participan aa ionizables, como His, Glu y Cys. Para la mayoría, se encuentra entre 6 y 8. Existen excepciones, enzimas del jugo gástrico.

▪ Presión: Solo en reacciones en las que los reactantes se ven afectados de manera importante por la presión: mayor presión → energía cinética de las partículas aumenta → se vuelve más rápida. Conversión de ácido carbónico (se necesita una presión determinada, saturación de oxígeno).

▪ Luz: Al estar en presencia de luz, algunas reacciones se producen más rápidamente. Arranca e- de algunos átomos para formar iones, aumentando considerablemente la velocidad de catálisis.

Inhibición enzimática

Sustancia que reduce o elimina completamente la capacidad de una enzima para actuar como catalizador. Aspirina, antiinflamatorios no esteroideos (AINE), disulfiram, reactivos alquilantes, metales pesados.

Irreversibles: Quedan covalentemente unidos a la enzima y bloquean irreversiblemente el sitio activo.

Algunos fármacos: Penicilina es un análogo del estado de transición, actúa modificando a la enzima transpeptidasa impidiendo la síntesis de la pared celular bacteriana.

Reversibles: Se unen a la enzima mediante interacciones no covalentes. No experimentan reacciones químicas cuando se unen a la enzima, se pueden disociar.

Constante de inhibición (Ki): Constante de disociación del complejo EI o ESI.

• 
  Competitivos: Aumento aparente de la Km, sin modificar la Vmáx. Sustancias con o sin estructura química similar a la del sustrato que se unen al sitio activo, o se fijan en diferentes sitios pero la unión de uno impide la del otro. La velocidad puede aumentarse incrementando la [S] (compite de forma más eficaz con el inhibidor).
  
• 
  Acompetitivos: Disminución aparente de la Vmáx. Se fija únicamente al complejo ES, no a la enzima libre. El aumento del complejo ESI puede causar un descenso aparente de la Km.
  
• 
  No competitivos: Pueden unirse a sitios de unión fuera del centro activo y modificar tanto la Km como la Vmáx (inhibición mixta). Puede fijarse tanto a la enzima libre como al complejo ES como al sitio alostérico. Iones metálicos como Cu2+, Hg2+ y Ag+ inhiben enzimas combinándose con grupos –SH.
  

Coenzimas, vitaminas y metales esenciales

Coenzimas: Molécula no proteica. Se une a la enzima generalmente próxima al sitio activo. Puede estar firmemente unida a la enzima (grupo prostético) o tener una asociación más laxa (coenzima).

• Experimentan cambios que compensan las transformaciones del sustrato.
• 
  Una puede unirse a diferentes apoenzimas y actuar con diferentes sustratos.
  
• Oxidorreductasas, transferasas, isomerasas y ligasas las requieren.

• HOLOENZIMA (activa) = APOENZIMA (proteína inactiva) + COENZIMA (no proteica, orgánica). La especificidad depende de la porción proteica.

Vitaminas: El organismo no las puede sintetizar, deben ser aportadas por la alimentación. Forman grupos prostéticos de enzimas o actúan como sus cofactores.

• Liposolubles: A, D, E y K. Pueden almacenarse en el tejido adiposo. A y D se comportan como hormonas. K es necesaria para la modificación postraduccional de los factores de coagulación (factores II, VII, IX y X).
• Hidrosolubles: B1, B2, B3, B5, B6, B12, folato, biotina y vitamina C (antioxidante). Habitualmente solo hay un suministro a corto plazo. Las del complejo B actúan como coenzimas en el metabolismo de carbohidratos, lípidos y proteínas. Un aumento de aporte energético requiere un incremento de vitaminas B.

• o Tiamina (B1): Esencial para las reacciones de carboxilación.
• o Riboflavina (B2): Se asocia a oxidorreductasas.
• o Niacina (B3): Se requiere para la síntesis de NAD+ y NADP+.
• o Piroxidina (B6): Importante en el metabolismo de aa.
• o B12: Parte de la estructura del grupo hemo.

Metales esenciales: Iones metálicos contibuyen como cofactores por su capacidad de atraer o donar e-. Algunos fijan ligandos a su esfera de coordinación, otros contribuyen al matenimiento de la estructura terciaria y cuaternaria de la enzima.

Fe. Catalasa, peroxidasas y citocromos son hemoproteínas.

Cu. Se asocia con varias enzimas oxigenasas. Elimina el súperoxido y otras especies de oxígeno reactivo. Tirosina, ácido ascórbico oxidasa y citocromo oxidasa.

Zn. Componente de muchas enzimas asociadas al metabolismo de los carbohidratos y la síntesis de proteínas y de ácidos nucleicos. Alcohol deshidrogenasa y anhidrasa carbónica.

Mo. Oxidasas y deshidrogenasas.

Mg. Enzimas que usan ATP como cofactor. Complejo ATP-Mg2+.

Mn. Acetil CoA carboxilasa, desoxirribonucleasa.

Se. Glutatión peroxidasa.

Ca. Muchas lo requieren o son activadas por él.

Regulación de la actividad enzimática

Para coordinar los numerosos procesos metabólicos y responder a los cambios del medio.

Control de la disponibilidad de enzima: la célula regula la síntesis y degradación de las enzimas.

Control de la actividad de la enzima: se puede controlar al variar su afinidad de unión con el sustrato.

A corto plazo:

• Alostérica: Enzimas que además del sitio activo poseen otro centro de unión llamado centro alostérico, mediante el cual interactúan con otra molécula denominada modulador. Dos formas: activa e inactiva.

• o Efecto heterotrópico: El modulador es distinto del sustrato.
• o Efecto homotrópico: El modulador es el mismo sustrato.

• Por producto final: Retroalimentación positiva y negativa.
• Por modificación covalente: Algún aa de la enzima se une covalentemente a algún grupo químico, activando o inactivando la enzima. El grupo fosfato es el más frecuente. Aa enzimáticos más intervinientes: Ser y Trh. Fosforilación, ADP-ribosilación, metilación.
• Por zimógenos: Enzimas que se almacenan en un compartimiento en forma inactiva (proenzima). La mayoría se activan por hidrólisis. Algunos componentes de los jugos digestivos, coagulación sanguínea (hemofilia es causada por un defecto en la activación del zimógeno). Autocatálisis.

A largo plazo: Se modifica la cantidad de moléculas enzimáticas.

• Regulación génica: Un metabolito impide la transcripción de una enzima, disminuye su síntesis y no se catalizará la reacción.

Isoenzimas: Formas moleculares múltiples de una enzima que presenta la misma actividad enzimática. Lactato deshidrogenasa (LDH) presenta 5 isoformas.

BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA:

1. Baynes JW, Dominiczak MH. Bioquímica Médica. 5a ed. España: Elsevier-Mosby; 2019.
2. Murray RK, Bendeer DA, Botham KM, Kennelly PJ, Rodwell VW, Weil PA. Harper: Bioquímica Ilustrada. 31a ed. México: Mc Graw-Hill Educación; 2018.
3. Blanco A, Blanco G. Química Biológica. 9a ed. Argentina: El Ateneo; 2013.