Catálisis enzimática y proteasas

Introducción a la Biología Celular - Metabolismo Celular

• La unidad didáctica 3 se centra en el metabolismo celular.
• El papel central de las enzimas como catalizadores biológicos será el tema principal.

Papel Central de las Enzimas

• Una función esencial de las proteínas es actuar como enzimas.
• Las enzimas son moléculas, generalmente proteicas, que catalizan reacciones químicas factibles termodinámicamente.
• Las enzimas facilitan las reacciones energéticamente posibles acelerando su velocidad.
• Las enzimas aceleran las reacciones sin consumirse ni alterarse permanentemente.
• Las enzimas aceleran las reacciones químicas sin alterar el equilibrio entre sustratos y productos.
• El equilibrio de una reacción está determinado por el estado energético final de los sustratos (S) y los productos (P).
• Para que una reacción enzimática ocurra, el sustrato (S) debe primero transformarse en un estado de mayor energía denominado estado de transición.
• La energía necesaria para alcanzar el estado de transición se conoce como energía de activación.
• La energía de activación constituye una barrera que limita la velocidad de la reacción.
• Las enzimas disminuyen la energía de activación, incrementando de esta manera la velocidad de la reacción.
• El aumento de la velocidad es el mismo tanto en dirección directa como inversa, puesto que ambos necesitan pasar por el mismo estado de transición.

Mecanismo de Acción Enzimática

• La actividad catalítica implica la unión de la enzima a los sustratos, formando un complejo enzima-sustrato (ES).
• El sustrato se une a una región específica de la enzima, llamada lugar activo.
• El sustrato se convierte en el producto de la reacción mientras está unido al lugar activo, separándose después de la enzima.
• La enzima no se altera durante la reacción, sino que crea una superficie que facilita las reacciones para convertir S en P.
• La unión del sustrato al sitio activo de la enzima es una interacción muy selectiva.
• Los sustratos se adhieren al lugar activo mediante interacciones no covalentes, tales como enlaces de hidrógeno, enlaces iónicos e interacciones hidrófobas.
• Las reacciones enzimáticas pueden involucrar a uno o varios sustratos simultáneamente.
• Las enzimas proporcionan un molde que facilita la aproximación y orientación correcta de los sustratos para favorecer la formación del estado de transición.

Modelos de Interacción Enzima-Sustrato

• Las enzimas aceleran las reacciones cambiando la conformación de los sustratos para acercarlos al estado de transición.
• El modelo de la llave y la cerradura representa la interacción enzima-sustrato más sencilla.
• En modelo de llave y cerradura el sustrato encaja perfectamente en el sitio activo de la enzima.
• El modelo de ajuste inducido las modificaciones ocurren en las configuraciones tanto de la enzima como del sustrato al unirse.
• La tensión generada por esta distorsión facilita la conversión del sustrato al debilitar enlaces esenciales.
• El estado de transición se estabiliza por la estrecha unión con la enzima, disminuyendo la energía de activación requerida.

Tipos de Enzimas

• Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de oxidación-reducción transfiriendo átomos de H, O o electrones.
• Transferasas: Transfieren grupos funcionales de una sustancia a otra (ej. metil, acil, amino o fosfato).
• Hidrolasas: Forman dos productos a partir de un sustrato mediante hidrólisis.
• Liasas: Eliminan o adicionan grupos de sustratos, rompiendo enlaces C-C, C-N, C-O o C-S.
• Isomerasas: Catalizan la isomerización de una molécula.
• Ligasas: Unen dos moléculas sintetizando nuevos enlaces (C-O, C-S, C-C) con la rotura simultánea de ATP.

Mecanismo Catalítico de las Serín Proteasas

• La quimotripsina es una serín proteasa que cataliza la hidrólisis de enlaces peptídicos en proteínas.
• La reacción general sería: Proteína + H2O → Péptido₁ + Péptido₂.
• La tripsina, elastasa y la trombina son serín proteasas.
• La quimotripsina digiere enlaces adyacentes a aminoácidos hidrófobos.
• La tripsina digiere enlaces adyacentes a aminoácidos básicos.
• Los sitios activos contienen 3 aminoácidos cruciales: Ser, His y Asp, esenciales para la hidrólisis.
• En primer lugar, la Ser-195 transfiere un H+ a la His-57, formando un estado intermedio tetrahédrico con el sustrato.
• Al mismo tiempo, el Asp-102 estabiliza esta transferencia del H+ a la His-57 mediante una interacción iónica.
• A continuación, el H+ de la His-57 se transfiere al sustrato, rompiendo el enlace peptídico.
• Después, el H2O entra en el sitio activo formando un enlace de hidrógeno con la His-57.
• El H2O le transfiere un H+ a la His-57, formando un estado de transición tetrahédrico.
• Por último, el H+ es transferido de la His-57 de vuelta a la Ser-195 y el péptido N-terminal se libera de la enzima.

Coenzimas y Regulación Enzimática

• Además de unirse a sustratos, los sitios activos de muchas enzimas también se ligan a otras moléculas pequeñas, que juegan un papel en la catálisis.
• Un grupo prostético, es un componente no aminoacídico que forma parte de la estructura de las heteroproteínas, estando unido covalentemente a la apoproteína.
• Las coenzimas son moléculas orgánicas de bajo peso molecular que participan en reacciones enzimáticas y aumentan la velocidad de la reacción.
• Las enzimas que trabajan con coenzimas se denominan Holoenzimas.
• Las coenzimas transportan grupos químicos como, por ejemplo, el Nicotinamín adenin dinucleótido (NAD+), que funciona como transportador de electrones en reacciones óxido-reducción.
• El NAD+ puede aceptar un ion de H (H+) y 2 e- formando NADH.
• EI NADH puede donar estos electrones a un segundo sustrato, reformando NAD+.
• Otras coenzimas actúan transportando electrones.
• La actividad enzimática se regula según las necesidades celulares.
• La inhibición por retroalimentación es un tipo de regulación de la actividad enzimática.
• La inhibición por retroalimentación producto de una vía metabólica inhibe la actividad de una de las enzimas implicadas en su síntesis.
• El aumento en la concentración del producto sintetizado inhibe la enzima de la ruta metabólica y detiene su síntesis.
• Cuando la concentración del producto disminuye, las posibilidades de interacción con la enzima se reducen y la enzima recupera su actividad.
• La regulación alostérica representa un ejemplo claro de esta regulación.
• La unión de moléculas pequeñas ubicadas en lugares reguladores en la enzima es la que controla la actividad enzimática.
• La regulación no tiene lugar en el mismo sitio activo, sino en otro sitio de la molécula.
• La unión de la molécula reguladora altera la forma (conformación) de la proteína modificando también al sitio activo y a su actividad catalítica.
• Las actividades de las enzimas están sujetas a la modulación mediante interacciones con otras proteínas y modificaciones covalentes, incluyendo la adición de grupos fosfato al Ser, Thr o Tyr.
• La fosforilación es un mecanismo común de control enzimático.
• La adición de grupos fosfato puede estimular o inhibir la actividad de numerosas enzimas.

Explora la catálisis enzimática, el papel de las proteasas como la quimotripsina y la tripsina, y la importancia de los aminoácidos en el sitio activo. Analiza cómo las enzimas afectan la energía de activación y el estado de transición en las reacciones catalizadas.