Enzimas y Catálisis en el Metabolismo Celular

¿Qué son las enzimas?

• Las enzimas son proteínas que median el metabolismo.
• Facilitan casi todas las reacciones en una célula.
• Sin enzimas, las reacciones metabólicas serían imperceptiblemente lentas.

Enzimas como catalizadores

• Las enzimas son catalizadores.
• Aceleran la velocidad de reacción sin alterarse permanentemente ni consumirse en el proceso.

Propiedades de los catalizadores

• Los catalizadores reducen la energía de activación necesaria para iniciar una reacción, acelerando así las reacciones.
• Los catalizadores pueden acelerar reacciones exergónicas y endergónicas.
• No causan que una reacción endergónica ocurra espontáneamente.
• Las reacciones endergónicas requieren un aporte de energía, con o sin un catalizador.
• Los catalizadores permanecen sin cambios permanentes durante el proceso.
• No se consumen en las reacciones que promueven.

Energía de activación

• La mayoría de las reacciones químicas requieren una cierta cantidad de energía para comenzar.
• Esta energía inicial, llamada energía de activación, es necesaria para romper los enlaces químicos en los reactivos y permitir que la reacción ocurra
• Superar esta barrera energética suele ser el paso limitante de la velocidad en una reacción química.

Energía de activación y catalizadores

• La energía de activación de la hidrólisis de la urea disminuye de 30 a 11 kcal/mol con la acción de las enzimas.
• Esto acelera la reacción 10^14 veces.
• El aumento de temperatura necesario para producir la reacción no catalizada sería de 529°C.
• Un catalizador acelera una reacción al reducir la energía de activación.

Estructura de la enzimas

• Poseen una estructura proteica terciaria, y algunas cuaternaria.
• Algunas deben conjugarse con otras moléculas.
• Los cofactores son inorgánicos (metales).
• Las coenzimas son orgánicas (vitaminas).
• Apoenzima: Inactiva por sí sola.
• Holoenzima: Es activa y funcional cuando está asociada.
• Grupo protético: Componente orgánico fuertemente unido a la apoenzima, la diferencia clave radica en la fuerza de unión con la enzima.
• Pueden estar compuestas por una cadena peptídica (estructura terciaria) o varias (estructura cuaternaria).

Caracteristicas

• Se requieren en poca cantidad.
• Aumentan la velocidad de una reacción.
• Son altamente específicas.

Ciclo de Interacciones de Enzimas y Sustratos

• Los sustratos entran al sitio activo en una orientación específica.
• Los sustratos y el sitio activo cambian de forma, promoviendo la reacción.
• Los sustratos unidos abandonan la enzima, que está lista para otro par de sustratos.

Mecanismos de acción enzimática

• Modelo de sitio inducido: El sitio activo de la enzima se modifica al unirse al sustrato.
• Modelo de llave y cerradura: La enzima y el sustrato tienen formas complementarias.
• Estabilización del estado de transición: La enzima ayuda a estabilizar el estado de transición de la reacción.

Clases de enzimas

• Oxidoreductasas: Reacciones redox; Lactato deshidrogenasa
• Transferasas: Transferencia de grupos; Nucleósido monofosfato quinasa (NMP kinasa)
• Hidrolasas: Reacciones de hidrólisis; Quimotripsina
• Liasas: Adición o eliminación de grupos; Fumarasa
• Isomerasas: Isomerización; Triosa fosfato isomerasa
• Ligasas: Unión de dos sustratos; Aminoacil-tRNA sintetasa

Actividad catalítica de varias enzimas

• La actividad catalítica se mide por el tiempo para convertir los reaccionantes, el número de recambio y el aumento de velocidad.
• Algunas enzimas destacadas son la OMP descarboxilasa, Nucleasa estafilocócica, Adenosina deaminasa, entre otras.

Cinética enzimática

• Es el análisis cuantitativo del efecto de los factores en la actividad enzimática, evaluado por la velocidad de la reacción catalizada.
• Las variables más importantes son: concentración de la enzima, sustratos y productos, pH y temperatura.

Concepto de velocidad inicial

• La velocidad inicial de una reacción enzimática se mide al principio, a medida que se forma el producto y disminuye el sustrato.

Relación entre Km y Vmax

• La Km es la concentración del sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de Vmax.
• Una Km mayor significa una afinidad más baja de la enzima por el sustrato.
• Una Km menor significa una afinidad más alta de la enzima por el sustrato.

Factores que afectan la velocidad de una reacción enzimática

• Concentración de enzima y sustrato.
• pH.
• Temperatura.
• Presencia de inhibidores.
• Presencia de activadores.

Bajo y alto sustrato

• Baja concentracion de sustrato, no alcanzan para realizar los sustratos con libertad.
• Concentración de los sustratos en saturación, significa que todos los sitios activos están ocupados, maximizando la velocidad de la reacción.

El PH en la enzima

• Cada enzima tiene un pH óptimo para su actividad, siendo Pepsin y Glucose 6-phosphatase ilustrativos.
• Las interacciones iónicas se ven afectadas por el pH.

Efecto de la temperatura

• Cada enzima tiene una temperatura óptima para su actividad, por ejempo, la medicion en log Vo.

Moduladores alostéricos

• Modulador alostérico positivo: Favorece la forma R de la enzima.
• Modulador alostérico negativo: Favorece la forma T de la enzima.

Regulación enzimática

• Las reacciones están organizadas en rutas bioquímicas o metabólicas.
• El producto de una reacción sirve como sustrato para la siguiente.
• Las rutas deben regularse para: Conservar energía, Mantener un estado celular ordenado, Responder a variaciones ambientales
• Enzimas reguladoras: Catalizan reacciones más lentas y ajustan la velocidad de la ruta, controlando todo el proceso.

Control de la enzima reguladora

• A nivel de sustrato, la velocidad aumenta hasta la saturación.
• Por la formación del producto, la inhibición se presenta de forma competitiva.

Retroinhibición o inhibición "feed-back"

• Inhibición del enzima regulador por el producto final.
• Utilización innecesaria del primer sustrato.
• Acumulación del producto final e intermediarios.

Regulación cruzada

• Un producto de una vía influye en la regulación de otra vía metabólica.

Mecanismos de regulación enzimática

• Regulación por cambios en la cantidad de enzima (síntesis y degradación).
• Regulación de la eficacia catalítica (unión de ligandos y rupturas proteolíticas).
• Múltiples formas de la enzima: Isoenzimas y complejos multienzimáticos.

Cambios en la cantidad de la enzimas

• Muchos enzimas reguladores tienen una vida media corta y están en bajas concentraciones.
• La regulación génica se usa para aumentar o reprimir síntesis.
• Esto controla la síntesis de la enzima reguladora (carboxiquinasa).
• Degradación controlada por proteasas citosólicas (ubiquitina).

Mecanismos de inhibición

• Isostérico: El inhibidor se une al sitio activo.
• Puede ser reversible o irreversible.
• Alostérico: El inhibidor se une a otra parte de la enzima.
• Causa un cambio conformacional que afecta al sitio activo.

Tipos de inhibición

• Competitiva: El inhibidor compite con el sustrato por el sitio activo.
• No competitiva: El inhibidor se une a un sitio distinto al del sustrato, alterando la forma de la enzima.
• Anticompetitiva: El inhibidor se une solo cuando el sustrato ya está unido a la enzima, de forma que puede unirse o no.

Enzimas alostéricas

• Presentan estructura cuaternaria.
• Tienen múltiples sitios activos y pueden unir varias moléculas de sustrato.
• La unión del sustrato es cooperativa.
• La curva de velocidad tiene forma sigmoidal.

Inhibición alostérica

• El inhibidor se une al centro alostérico.

Este cuestionario explora el papel crucial de las enzimas como catalizadores en el metabolismo. Aborda cómo las enzimas afectan la energía de activación y la velocidad de las reacciones, así como la función de cofactores y grupos prostéticos en la actividad enzimática.