Enzimas: Catálisis y Regulación

Biología Celular: Metabolismo Celular

• El metabolismo celular es estudiado en la Unidad Didáctica 3 dentro del bloque 1 "Introducción".

Papel Central de las Enzimas como Catalizadores Biológicos

• Las proteínas actúan como enzimas, siendo esta una de sus tareas fundamentales.
• Las enzimas son moléculas, principalmente proteicas, que catalizan reacciones químicas termodinámicamente posibles, acelerando su velocidad.

Entendiendo el Rol de las Enzimas

• Las enzimas aceleran las reacciones químicas sin consumirse ni alterarse permanentemente.
• Las enzimas aceleran las reacciones químicas sin alterar el equilibrio entre los sustratos y los productos.
• Una enzima genera un efecto cinéticamente favorable, aumentando la velocidad de la reacción a más de un millón de veces.
• El equilibrio de la reacción está determinado por el estado energético final de los sustratos (S) y productos (P).
• Para que ocurra la reacción enzimática, el sustrato (S) debe transformarse primero a un estado de transición de mayor energía.
• La energía necesaria para alcanzar el estado de transición es la energía de activación.
• Las enzimas disminuyen la energía de activación, incrementando así la velocidad de la reacción.
• El aumento de velocidad debido a las enzimas es igual en ambas direcciones de la reacción, ya que ambas deben pasar por el estado de transición.

Interacción Enzima-Sustrato

• La actividad catalítica de las enzimas funciona uniendo los sustratos formando un complejo enzima-sustrato (ES).
• Los sustratos se unen a una región específica de la enzima, que se denomina el lugar activo.
• El sustrato ligado al lugar activo se transforma y se convierte en el producto de la reacción, que luego se separa.
• La enzima no se altera en el proceso de la reacción, proporciona una superficie para que las reacciones transformen los S en P más fácilmente.
• La unión del sustrato (S) al sitio activo de la enzima (E) es una interacción muy selectiva.
• Inicialmente, los sustratos se ligan al lugar activo a través de interacciones no covalentes, como enlaces de hidrógeno, iónicos o interacciones hidrófobas.
• Las reacciones enzimáticas pueden involucrar uno o varios sustratos (S) a la vez.
• Las enzimas (E) actúan como un molde para que los sustratos (S) se aproximen y se orienten correctamente, favoreciendo la formación del estado de transición.

Modelos de Interacción Enzima-Sustrato (E-S)

• Las enzimas (E) aceleran las reacciones modificando la conformación de los sustratos (S) para acercarlos al estado de transición.
• El modelo más sencillo es el de "llave y cerradura", donde el sustrato (S) encaja perfectamente en el sitio activo de la enzima (E).
• En el modelo de "ajuste inducido", tanto la enzima (E) como el sustrato (S) modifican sus configuraciones al unirse.
• En el ajuste inducido el estrés resultante de la distorsión del sustrato facilita su conversión y la estabilización del estado de transición por la unión estrecha con la enzima, reduciendo la energía de activación requerida.

Tipos de Enzimas

• Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de óxido-reducción transfiriendo átomos de H, O o electrones entre sustancias; ejemplos son la deshidrogenasa y la oxidasa.
• Transferasas: Promueven la transferencia de grupos funcionales (metil, acil, amino, fosfato) entre sustancias; ejemplos son la transaminasa y la quinasa.
• Hidrolasas: Facilitan la formación de dos productos a partir de un sustrato mediante hidrólisis; ejemplos de estas son la lipasa, amilasa y peptidasa.
• Liasas: Intervienen en la eliminación o adición no hidrolítica de grupos; pueden romper enlaces C-C, C-N, C-O o C-S; un ejemplo de estas enzimas es la descarboxilasa.
• Isomerasas: Catalizan la isomerización de moléculas; pertenecen a este grupo la isomerasa y la mutasa.
• Ligasas: Catalizan la unión de dos moléculas sintetizando nuevos enlaces C-O, C-S, C-C, con la simultánea ruptura de ATP; un ejemplo es la sintetasa.

Serín Proteasas y su Mecanismo Catalítico

• La quimotripsina pertenece a la familia de las serín proteasas, que digieren proteínas catalizando la hidrólisis de enlaces peptídicos (Proteína + H2O → Péptido₁ + Péptido₂).
• Otros miembros de la familia de las serín proteasas son la tripsina, elastasa y trombina.
• La quimotripsina digiere enlaces adyacentes a aminoácidos hidrófobos, mientras que la tripsina digiere enlaces adyacentes a aminoácidos básicos.
• Los sitios activos de estas enzimas contienen tres aminoácidos cruciales (Ser, His y Asp) que facilitan la hidrólisis del enlace peptídico.

Coenzimas y su Función

• Los lugares activos de muchas enzimas (E) se unen a otras moléculas pequeñas que participan en la catálisis.
• Un grupo prostético es un componente no aminoacídico que forma parte de la estructura de heteroproteínas o proteínas conjugadas, y está unido covalentemente a la apoproteína.
• Las coenzimas, moléculas orgánicas de bajo peso molecular, trabajan junto con las enzimas para acelerar reacciones, denominándose holoenzimas a estas combinaciones.
• Las coenzimas actúan como transportadores de grupos químicos, ejemplo el Nicotinamín adenín dinucleótido (NAD+), transportador de electrones en reacciones óxido-reducción.
• El NAD+ puede aceptar un ion de H (H+) y dos electrones transformándose en NADH y transfiriendo electrones a otro sustrato (S).

Regulación de la Actividad Enzimática

• La actividad de las enzimas es modulada según las necesidades celulares.
• La inhibición por retroalimentación es común en la regulación enzimática, donde el producto final inhibe la actividad inicial.
• El aumento de la concentración del producto (P) sintetizado inhibe la enzima (E) de la ruta metabólica, deteniendo la síntesis.
• La actividad enzimática puede ser controlada por unión de moléculas pequeñas en lugares reguladores de la enzima (regulación alostérica).
• La unión de la molécula reguladora cambia la conformación de la proteína, alterando la forma del sitio activo y la actividad catalítica.
• La actividad de las enzimas puede ser regulada por interacciones con otras proteínas y modificaciones covalentes, como la adición de grupos fosfato a residuos de serina, treonina o tirosina.
• La fosforilación es un mecanismo frecuente de regulación enzimática, la adición de grupos fosfato puede estimular o inhibir la actividad de muchas enzimas.

Este cuestionario explora la catálisis enzimática, incluyendo la unión al estado de transición y el papel de las serín proteasas en la digestión de proteínas. Se examinan los mecanismos de regulación alostérica y las modificaciones covalentes que influyen en la actividad enzimática.