Enzimas: Especificidad y Catálisis

Módulo 5.3: Enzimas

• El módulo trata sobre la naturaleza química y función de las enzimas, su estructura, propiedades, nomenclatura y cinética enzimática
• También cubre los moduladores enzimáticos, incluyendo inductores, inhibidores y zimógenos.

Requisitos Previos

• Tipos de enlaces intra e intermoleculares
• Características de la estructura terciaria de las proteínas
• Naturaleza de los aminoácidos y reacciones que pueden realizar
• Definición de proteínas alostéricas

Objetivos

• Entender la función de las enzimas y cómo la llevan a cabo.
• Diferenciar entre el centro activo y el centro alostérico
• Se deben comprender las diferencias entre sustrato y producto, enzimas y reactivos, e inductor e inhibidor.
• Identificar el nombre de una enzima basándose en su función.
• Entender las constantes cinéticas Vmax y Km.
• Reconocer los tipos de inhibidores enzimáticos.
• Identificar los mecanismos celulares que controlan el metabolismo.
• Reconocer los tipos de hormonas (lipídicas o proteicas) y su forma de actuar.

Reacciones Químicas

• En las reacciones químicas sin enzimas, las colisiones entre sustratos para formar productos ocurren al azar.
• El estado de transición es muy inestable y requiere mucha energía de activación.

Naturaleza Química y Función

• Las enzimas son principalmente proteínas aunque algunas son RNA, conocidas como ribozimas.
• Las enzimas actúan como catalizadores biológicos, acelerando las reacciones químicas.
• Ejemplos de funciones enzimáticas incluyen la degradación de nutrientes, la síntesis de macromoléculas biológicas y la transformación de energía.

Estructura: Centro Activo y Cofactor

• El centro activo de una enzima es la región específica donde se une el sustrato.
• Muchas enzimas requieren un componente adicional para ser activas.
• La enzima completa se llama holoenzima, que consta de una apoenzima (la porción proteica) y un cofactor.
• Los cofactores pueden ser inorgánicos (cationes metálicos como Cu²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺) u orgánicos (coenzimas como FAD, NAD⁺), muchos derivados de las vitaminas.

Modelos de Acoplamiento Enzima-Sustrato

• Modelo "llave-cerradura": la enzima y el sustrato encajan perfectamente
• Modelo de "ajuste inducido": la enzima modifica su estructura tridimensional al unirse al sustrato.
• Las enzimas alostéricas modifican su estructura tridimensional al unirse el sustrato al centro activo.
• El centro activo es complementario al estado de transición, no al sustrato original.

Propiedades de las Enzimas

• Poder catalítico: aumentan la velocidad de las reacciones químicas sin alterar el equilibrio.
• Recuperación de su estado inicial:la estructura global de la enzima no se altera ni se consume durante la reacción.
• Especificidad: el sustrato de una enzima es específico para la sustancia sobre la que actúa.
• Regulable:su actividad puede regularse para satisfacer las necesidades bioquímicas.

Poder Catalítico

• Las enzimas son catalizadores muy eficaces que aumentan la velocidad de las reacciones bioquímicas.
• Ejemplo: la catalasa acelera la descomposición del peróxido de hidrógeno mil millones de veces más rápido.
• Las enzimas facilitan que las reacciones bioquímicas se produzcan a una velocidad adecuada para la célula.

¿Cómo Consigue la Enzima el Poder Catalítico?

• La enzima fuerza a la molécula a un estado intermedio similar al de transición, pero de menor energía.
• La proximidad y orientación de los sustratos facilitan la formación del estado intermedio, lo cual acelera la formación de los productos.

Equilibrio de Reacción y Velocidad de la Reacción

• Las enzimas reducen la barrera de energía, aumentando el número de moléculas con suficiente energía para alcanzar el estado de transición
• No alteran ni la estructura del producto final ni el cambio de energía libre entre sustrato y producto.

Recuperación del Estado Inicial

• La estructura de la enzima no se consume ni se degrada al finalizar la reacción.

Especificidad de las Enzimas

• Sustrato específico: la enzima actúa sobre una sustancia específica, ejerciendo su poder catalítico.
• Absoluta: reconoce un único sustrato con alta estereoespecificidad.
• Relativa: actúa sobre un grupo de sustratos o reacciones relacionados.

Regulación de las Enzimas

• Las enzimas pueden regularse para producir distintas sustancias según las necesidades.
• Se favorecen rutas útiles, minimizando reacciones colaterales que derrochen energía.
• Las proteínas alostéricas son activadas o inhibidas por ligandos que se unen a sitios específicos.

Nomenclatura de las Enzimas

• Nombres clásicos: se utilizan nombres comunes como tripsina y pepsina para enzimas digestivas.
• Terminación -ASA (nombre sistemático):
  • Se designan añadiendo el sufijo -ASA al nombre del sustrato (e.g., ureasa, arginasa, fosfatasa).
  • Se designan por el tipo de cambio químico que sufre el sustrato (e.g., lactato deshidrogenasa, triglicérido hidrolasa).
• Clasificación sistemática (International Enzyme Commission, IEC):
  • Se clasifican con un código de 4 números, según el tipo de reacción que catalizan
  • Ejemplo: E.C. 3.4.11.1 (Enzyme Class 3 = Hydrolases, Acting on peptide bonds, Aminopeptidases, Leucyl aminopeptidase).

Clasificación Enzimática por Tipo de Reacción

• EC1. Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de óxido-reducción y requieren coenzimas como FAD y NAD⁺.
• EC2. Transferasas: Transfieren grupos funcionales de una molécula donadora a otra receptora.
• EC3. Hidrolasas: Rompen enlaces mediante hidrólisis, utilizando una molécula de agua
• EC4. Liasas: Producen rupturas reversibles de enlaces C-C, generando nuevos dobles enlaces o sintasas.
• EC5. Isomerasas: Transforman un isómero de un compuesto químico en otro.
• EC6. Ligasas: Catalizan la formación de enlaces acoplada a la hidrólisis de ATP.

Cinética Enzimática

• La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas.
• En la cinética de las reacciones de un solo sustrato se observan 3 etapas:
  • Inicialmente, la cinética es de primer orden (lineal).
  • Luego, se vuelve curvilínea (segundo orden).
  • Finalmente, se alcanza una velocidad constante (orden cero) debido a la saturación de la enzima.
• Las enzimas que siguen esta cinética hiperbólica se llaman michaelianas.

Ecuación de Michaelis-Menten

• Permite relacionar la velocidad de una reaccion medida por V conla concentración del sustrato.
• Vmax: Representa la velocidad máxima de la reacción.
• Km: Es una constante relacionada inversamente con la afinidad de la enzima por el sustrato.

Moduladores Enzimáticos (Proteínas Alostéricas)

• Inductores: Ligandos que aumentan la velocidad de la reacción enzimática al unirse a la enzima.
• Inhibidores: Ligandos que disminuyen la velocidad de la reacción enzimática al unirse a la enzima.

Inhibición Enzimática

• Inhibidores irreversibles: se unen covalentemente a la enzima, impidiendo su función de manera definitiva (tóxicos).
• Inhibidores reversibles: se unen no covalentemente a la enzima, permitiendo enlaces reversibles.
• Tipos de inhibidores reversibles:
  • Competitivos: se unen al centro activo y compiten con el sustrato.
  • No competitivos: se unen al centro alostérico y no compiten directamente con el sustrato.

Tipos de Regulación Enzimática Comunes

• Activación por sustrato: un sustrato activa la enzima.
• Activación por un sustrato en una reacción previa: un sustrato activa una enzima en una reacción anterior.
• Inhibición por producto: el producto de la reacción inhibe la enzima.
• Inhibición por un producto que se libera en una reacción posterior: un producto inhibe una enzima en una reacción subsiguiente.
• La concentración de ATP es un factor crucial para activar o inhibir el catabolismo en el citoplasma.

Zimógenos

• Los zimógenos son precursores inactivos de enzimas que se activan por la ruptura de un fragmento de la cadena polipeptídica.
• La síntesis de proteasas como zimógenos inactivos protege al estómago y páncreas contra la autodigestión.
• Estos zimógenos se activan por escisión proteolítica específica cuando se liberan y llegan al tubo digestivo para degradar las proteínas tomadas en la dieta.

Módulo 5.4: Metabolismo Proteico

• Se estudia el catabolismo de los aminoácidos,
• Eliminación del grupo amino y el ciclo de la urea.
• Metabolismo del esqueleto carbonado y la biosíntesis y función precursora de los aminoácidos.

Catabolismo de Proteínas

• Digestión: Las proteasas digestivas rompen las proteínas de la dieta, liberando aminoácidos, los cuales son utilizados para sintetizar proteínas celulares u otras biomoléculas.
• Interior Celular: Las proteínas endógenas se hidrolizan mediante proteasas celulares, reciclando proteínas no útiles y generando nuevas a partir de aminoácidos.
• Hay dos tipos de eliminación de aminoácidos: la eliminación del grupo amino y la utilización del esqueleto carbonado.

Eliminación del Grupo Amino

• Transaminación: Las transaminasas (GOT, GPT) transfieren el grupo amino de un aminoácido a un cetoácido, generando otro cetoácido que aportará energía.
• Desaminación oxidativa: La reacción tiene lugar predominantemente en el hígado, donde el ion amonio (NH4+) se elimina mediante el ciclo de la urea.

Ciclo de la Urea

• El ciclo de la urea transforma el amoniaco en urea
• el ciclo se efectúa principalmente el hígado, empezando en la mitocondria y finalizando en el citosol
• Si el grupo amino no se elimina en forma de urea, se convierte en amoniaco que es tóxico, el cual interfiere en el potencial de membrana de las neuronas, bloquea el ciclo de Krebs y forma glutamina.

Metabolismo del Esqueleto Carbonado

• Catabolismo: Utilizado para la destrucción de proteínas, de esta manera se aporta energía
• Anabolismo: Depende del aminoácido, los precursores de los ácidos grasos y glucosa.
• Aminoácido glucogénicos: Facilitan la glucosa mediante la transformación en intermediarios o piruvato.
• Cetogénicos: Facilitan los ácidos grasos que transofrman acetil CoA o acetoacetato.

Función Precursora de los Aminoácidos

• Los funciones precursoras de los aminoácidos son:
  • Sintesis de porfirinas
  • Sintesis de histamina
  • Sintesis de creatina y creatinina,
  • Sintesis de proteinas
  • Sintesis de nucleotidos
  • Sintesis de hormonas tiroidea
  • Sintesis de melaminas

Conceptos Fundamentales

• Las enzimas se clasifican en seis tipos mecánicos, de los cuales dependen la especificidad de cada enzima.
• Varias enzinas pueden ser activadas por el uso de cofactores, iones metálicos los cuales unidos pueden actuar como cosustratos, de forma reversible o con un grupo protético, en una asociación permanente
• La relación entre la velocidad y concentración del sustrato se demuestran con la ecuacion de Michaelis-Menten
• Tanto Vmax como Km, son utilizadas para definir a especificidad de cada enzima
• Los inhibidores reversibles disminuyen la actividad de una enzima mediante un enlace al sitio activo
• Las proteinas son degradadas por proteasas
• El amoniaco es eliminado por el cuerpo gracias al ciclo de la úrea

Este cuestionario explora las enzimas, su especificidad y catálisis. Incluye preguntas sobre la energía de activación, la desnaturalización y los tipos de especificidad enzimática. También abarca las clases de enzimas y su función en las rutas metabólicas.