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E N Z I M A S
Con la excepción de un pequeño grupo de moléculas, todas las enzimas son proteínas. Su actividad catalítica depende de la integridad de su conformación proteica nativa. Si una enzima se desnaturaliza o se disocia en sus subunidades, la actividad catalítica suele desaparecer. Si se descompone una enzima en sus aa constituyentes, siempre se destruye su actividad catalítica. Así, las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas enzimáticas son esenciales para su actividad catalítica.
Algunas enzimas no requieren para su actividad más grupos químicos que sus residuos aa. Otras requieren un componente químico adicional llamado cofactor. El cofactor puede ser uno o varios iones inorgánicos tales como Fe 2+, Mg 2+, Mn 2+ o Zn 2+ o una molécula orgánica o metaloorgánica compleja denominada coenzima. Las coenzimas actúan como transportadores transitorios de grupos funcionales específicos. La mayoría de ellas son derivadas de vitaminas, nutrientes orgánicos que son necesarios en pequeñas cantidades en la dieta. Algunas enzimas requieren tanto una coenzima como uno o más iones metálicos para su actividad. Una coenzima o ion metálico unido covalentemente o de una manera muy fuerte a la proteína enzimática se denomina grupo prostético. Una enzima completa y catalíticamente activa junto con su coenzima y/o iones metálicos se denomina holoenzima. La parte proteica de la enzima se denomina apoenzima o apoproteína. Finalmente, algunas coenzimas son modificadas covalentemente por fosforilación, glucosilación y otros procesos. Gran parte de estas alteraciones intervienen en la regulación de la actividad enzimática.
N° de clase Nombre de clase Tipo de reacción catalizada 1 Oxidorreductasas Transferencia de electrones (iones hidruro o átomos de H) 2 Transferasas Reacciones de transferencia de grupos 3 Hidrolasas Reacciones de hidrólisis (transferencia de grupos funcionales al agua) 4 Liasas Adición de grupos a dobles enlaces, o formación de dobles enlaces por eliminación de grupos 5 Isomerasas Transferencia de grupos dentro de moléculas dando formas isoméricas 6 Ligasas Formación de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N mediante reacciones de condensación acopladas a la rotura de ATP o a un cofactor similar
En condiciones biológicas, las reacciones catalizadas tienden a ser lentas, es decir que no se dan a una velocidad útil sin catálisis. Una enzima soluciona estos problemas al proporcionar un ambiente específico dentro del cual una reacción determinada puede transcurrir a mayor velocidad. El rasgo distintivo de una reacción catalizada enzimáticamente es que tiene lugar dentro de una bolsa de la enzima denominada sitio activo. La molécula fijada en el sitio activo y sobre la que actúa la enzima se denomina sustrato. La superficie del sitio activo de la enzima está revestida con residuos aa con grupos sustituyentes que se unen al sustrato y catalizan su transformación química. El sitio activo recubre el sustrato y lo secuestra completamente de la disolución.
E + S ES EP E + P
Así se puede escribir una reacción enzimática, en donde E, S y P representan la enzima, el sustrato y el producto. ES y EP son complejos transitorios de la enzima con el sustrato y la enzima con el producto. La función de un catalizador es aumentar la velocidad de una reacción. Los catalizadores no modifican los equilibrios de reacción.
La velocidad de una reacción no depende de si el equilibrio es favorable o no sino que depende de un estado de transición (barrera energética) entre S y P que debe ser superado para que se dé la reacción ya que este es un momento molecular fugaz en el que acontecimientos como rotura o formación de enlaces y desarrollo de cargas han llegado al instante preciso en el que el colapso hacia el S o hacia el P es igualmente probable. La diferencia entre los niveles de energía del estado basal y del estado de transición se denomina energía de activación , a una energía de activación más elevada corresponde una reacción más lenta. Es posible disminuir la energía de activación añadiendo un catalizador. La catálisis aumenta las velocidades de reacción disminuyendo las energías de activación.
Las enzimas no modifican el equilibrio de reacción, su única misión es acelerar la interconversión de S y P. No se gasta enzima en el proceso y el punto de equilibrio no queda afectado. No obstante, la reacción alcanza el equilibrio de una manera mucho más rápida cuando se halla presente la enzima adecuada ya que incrementa la velocidad de reacción. Cuando la reacción S P está catalizada por una enzima, los complejos ES y EP pueden ser considerados intermedios y ocupan valles en el diagrama de la coordenada de reacción. La interconversión de dos intermedios de reacción secuenciales constituye, por tanto, un paso de la reacción. Cuando en
una reacción existen varios pasos, la velocidad global viene determinada por el paso (o pasos) cuya energía de activación es la más elevada: paso limitante de velocidad.
El poder catalítico y la especificidad de las enzimas
Entre sustratos y grupos funcionales de las enzimas (cadenas laterales específicas de aa, iones metálicos y coenzimas) tienen lugar reacciones químicas de muchos tipos. Los grupos funcionales catalíticos de las enzimas pueden formar enlaces covalentes transitorios con un sustrato, activándolo para la reacción, o bien puede transferirse transitoriamente un grupo del sustrato a la enzima (interacciones q hacen disminuir la energía de activación, por lo que aceleran la reacción).
El factor que diferencia a las enzimas de los catalizadores no enzimáticos es la formación de un complejo ES específico. La interacción entre enzima y sustrato en este complejo está mediada por las mismas fuerzas que estabilizan la estructura proteica: puentes de hidrógeno e interacciones iónicas e hidrofóbicas (interacciones no covalentes). El establecimiento de cada interacción débil en el complejo ES viene acompañado por la liberación de energía libre que estabiliza la interacción, energía q es la principal fuente de energía libre utilizada por las enzimas para disminuir la energía de activación de las reacciones. Esa energía contribuye tanto a la especificidad como a la catálisis.
La especificidad se refiere a la capacidad de una enzima de discriminar entre un sustrato y una molécula competitiva. Si el sitio activo de una enzima tiene grupos funcionales ordenados de manera óptima para formar una serie de interacciones débiles con un sustrato determinado en el estado de transición, la enzima no podrá interaccionar tan bien con ningún otro sustrato. La especificidad proviene de la formación de múltiples interacciones débiles entre la enzima y su molécula de sustrato específica. Las interacciones débiles están optimizadas en el estado de transición de la reacción; los sitios activos de las enzimas son complementarios no a los sustratos, sino a los estados de transición a través de los que pasan los sustratos al ser convertidos en productos durante una reacción.
Uno de los factores clave que afectan la velocidad de una reacción catalizada por una enzima es la cc de sustrato presente [S]. Una aproximación sobre la cinética está en medir la velocidad inicial V0. En una reacción la enzima puede estar presente en cc del orden nanomolar, mientras que [S] puede ser cinco o seis órdenes de magnitud mayor. Si solo se toman los datos del inicio de la reacción (los primeros 60 segundos o menos), los cambios en [S] se limitan a un pequeño porcentaje y puede considerarse que la cc permanece constante. A cc de sustrato relativamente bajas, V0 aumenta casi linealmente con el incremento de [S]. A mayores cc de sustrato, V aumenta a incrementos cada vez menores en rta a incrementos de [S]. Finalmente, se alcanza un punto más allá del cual se dan incrementos muy pequeños de V0 a medida que aumenta [S]; esta meseta es la velocidad máxima Vmax.
A concentraciones de sustrato relativamente bajas, V0 aumenta casi linealmente con el incremento de [S]. A mayores concentraciones de sustrato, V0 a incrementos cada vez menores en respuesta a incrementos de [S]. Finalmente, se alcanza un punto más allá del cual se dan incrementos muy pequeños de V0 a medida que aumenta [S]. Esta meseta es la velocidad máxima, Vmáx.
MM postularon que la enzima se combina en primer lugar de formar reversible con su sustrato formando un complejo enzima-sustrato en un paso reversible relativamente rápido. El complejo ES se descompone seguidamente en un segundo paso más lento dando la enzima libre y el producto de la reacción P. Puesto que esta reacción es más lenta y limita, por tanto, la velocidad de la reacción global, dicha velocidad global ha de ser proporcional a la cc de ES.
En una reacción catalizada por una enzima esta existe en la forma libre E y la forma combinada ES. A baja [S], la mayor parte del enzima estará en forma sin combinar E. Aquí la velocidad será proporcional a [S] porque el equilibrio de la reacción de S + E será empujado hacia la formación de más ES a medida que [S] aumenta. La velocidad inicial máxima de la reacción catalizada se observará cuando toda la enzima esté en forma de complejo ES y la cc de E sea extremadamente pequeña. En estas condiciones, la enzima está “saturada” con su sustrato de modo que el aumento adicional de [S] no tendrá efecto sobre la velocidad. Esto se producirá cuando [S] sea los suficientemente alta como para que toda la enzima libre se
- Inhibición mixta. IM se fija a un sitio distinto al sustrato, pero se fija tanto a E como a ES. Este afecta a Km y Vmax.
Inhibición irreversible: Inhibidores se unen de manera covalente, destruyen un grupo funcional del enzima que es esencial para su actividad o forman una asociación no covalente muy estable. Un caso especial son los inactivadores suicidas, compuestos relativamente poco reactivos hasta que se unen irreversiblemente al sitio activo de una enzima específica.
Las enzimas tienen un pH óptimo o un intervalo de pH en el que su actividad es máxima, a valores superiores o inferiores de pH la actividad disminuye. Se explica por ej porque algunas cadenas laterales de aa pueden actuar como ácidos o bases débiles que desarrollan funciones críticas en el sitio activo de la enzima y que dependen del mantenimiento de cierto estado de ionización, mientras que en otras zonas de la proteína algunas cadenas laterales ionizadas pueden ser importantes en las interacciones que mantiene la estructura de la proteína.
La mayor parte de las enzimas de cada ruta metabólica siguen los comportamientos cinéticos mencionados. Sin embargo, en cada ruta hay una o más enzimas reguladoras que tienen un mayor efecto sobre la velocidad global de la secuencia de reacciones ya q muestran una act catalítica mayor o menor en rta de ciertas señales. En los sistemas multienzimáticos, la primera enzima de la secuencia es una enzima reguladora, lugar excelente para regular una ruta metabólica porque la catálisis de solo las primeras reacciones de una ruta que conduce a un producto innecesario desperdicia energía y metabolitos requeridos en procesos más importantes.
La actividad de enzimas reguladoras se modula mediante diversos caminos. Las enzimas alostéricas funcionan a través de unión reversible, no covalente, de compuestos reguladores alostéricos que generalmente son metabolitos pequeños o cofactores. Otras enzimas están reguladas por modificación covalente reversible. Ambas clases de enzimas reguladoras tienden a tener varias subunidades y, en algunos casos, el sitio o los sitios reguladores y el sitio activo se encuentran en subunidades separadas. En una misma enzima reguladora pueden darse varios tipos de regulación.
Las enzimas alostéricas son las que presentan otras conformaciones inducidas por la unión de uno o más reguladores que interconvierten formas más activas o menos activas de la enzima. Los moduladores de enzimas alostéricas pueden ser negativos (inhibidores) o positivos (estimuladores). Además de sitios activos, las enzimas alostéricas tienen uno o más sitios reguladores o alostéricos para la unión del regulador.
Las enzimas alostéricas muestran una relación entre V0 y [S] que difiere de la cinética de MM. Aunque se saturan con el sustrato cuando [S] suficientemente elevada, la mayoría de enzimas alostéricas dan lugar a una curva de saturación sigmoidea cuando se representa V0 frente a [S], en lugar de la curva hiperbólica típica de las enzimas no reguladoras. se usan símbolos [S] 0,5 o K 0,5 para representar la cc de sustrato que da la mitad de la velocidad máxima de la reacción catalizada por una enzima alostérica.
El comportamiento cinético sigmoideo es el reflejo de interacciones cooperativas entre subunidades proteicas. Es decir, los cambios en la estructura de una subunidad se traducen en cambios estructurales de las subunidades adyacentes, efecto que es facilitado por interacciones no covalente en la interfase entre subunidades.
En otra clase importante de enzimas reguladoras la actividad se modula por modificación covalente de uno o más de los residuos aa de la molécula de enzima. Los grupos fosforilo, metilo, adenilo, acetilo, etc., se cuentan entre los grupos modificadores más comunes.
La fosforilación es la modificación más importante. Las proteínas quinasas catalizan la unión de grupos fosfatos a residuos aa específicos de una proteína; la eliminación de los grupos fosforilo está catalizada por las proteínas fosfatasas. La unión de un grupo fosforilo a un residuo Serina, Treonina y Tiroxina introduce un grupo cargado y voluminoso en una región que era solo moderadamente polar. Para ser útil como mecanismo regulador efectivo, la fosforilación ha de ser reversible. Las células contienen una familia de fosfoproteínas fosfatasas que hidrolizan específicamente los ésteres P-Ser, P-Thr y P-Tyr, liberando Pi.
Un ejemplo de regulación enzimática por fosforilación se encuentra en la glucógeno fosforilasa de músculo e hígado que cataliza la reacción: glucógeno + Pi = cadena glucógeno acortada + glucosa-1-fosfato. Esta última puede utilizarse para la síntesis de ATP en el músculo o ser convertida en glucosa libre en el hígado. La glucógeno fosforilasa se presenta en dos formas: la forma más activa fosforilasa a y la forma menos activa fosforilasa b. La fosforilasa a consta de dos subunidades, cada una de las cuales contiene un residuo Ser específico que está fosforilado en su grupo hidroxilo (necesario para alcanzar la act máxima de la enzima). Los grupos fosforilo pueden ser eliminados por la enzima fosforilasa fosfatasa 1 (PP1), obteniéndose la forma fosforilasa b. Esta última puede volver a la forma a por la enzima fosforilasa quinasa , que cataliza la transferencia de grupos fosforilo desde el ATP a los hidroxilo de los dos residuos específicos de Ser en la fosforilasa b. La degradación de glucógeno en el músculo esquelético y en el hígado está regulada por variaciones en las proporciones de las dos formas de la glucógeno fosforilasa.
No obstante, la act de ambas formas de la enzima está regulada alostéricamente por un activador (AMP cíclico) y por inhibidores (glucosa-6-fosfato y ATP) que se unen a distintos sitios de la enzima. Las actividades de la fosforilasa quinasa y PP1 están reguladas a través de una ruta de reacciones que responde a las hormonas glucagón y adrenalina. Cuando los niveles de glucosa en sangre son bajos, el páncreas y glándulas suprarrenales secretan glucagón y adrenalina. La adrenalina se una a su receptor muscular y de otros tejidos y activa al enzima adenilato ciclasa. El glucagón juega un papel similar, uniéndose a receptores hepáticos, unión que conduce a la síntesis de niveles elevados de AMP cíclico, activando a la proteína quinasa dependiente de AMP cíclico o PKA. La PKA fosforila a la fosforilasa quinasa y el inhibidor 1 de la PP1. La fosforilasa quinasa se activa y a su vez fosforila la glucógeno fosforilasa activándola. Al mismo tiempo, el inhibidor 1 fosforilado interacciona con la PP1 y la inactiva. Así, el equilibrio entre las formas a y b de la glucógeno fosforilasa se decanta hacia la forma más activa de glucógeno fosforilasa a.
Las enzimas presentes en el plasma pueden tener o no función en ese medio, en este sentido, se las clasifica como FUNCIONALES o como NO FUNCIONALES. Algunas enzimas tienen amplia distribución tisular, tanto que otras son específicas de un determinado tejido. Esta mayor o menor especificidad es importante para el diagnóstico. Una vez en el plasma cada enzima sufre un proceso de depuración que le es característico y por lo tanto resulta de gran utilizada conocer cuál es su vida media.
