Enzimas y Reacciones Enzimáticas

Enzimas

• Las enzimas son proteínas esenciales para la supervivencia celular
• Aceleran reacciones químicas necesarias para la vida
• Sin enzimas, los procesos biológicos serían demasiado lentos
• Permiten que reacciones termodinámicamente favorables ocurran sin calor o energía química adicional

Reacciones Enzimáticas

• La reacción enzimática puede representarse como: Enzima + Sustrato 🔄 ES→EP → E + Productos
• Las enzimas tienen las siguientes características:
  • Especificidad por el sustrato
  • Se inactivan por desnaturalización debido a pH, temperatura o fuerza iónica
  • Pueden ser reguladas
  • Permanecen inalteradas al final de la reacción
  • Pequeñas cantidades pueden catalizar la reacción
• Cinéticamente, las enzimas:
  • Aumentan la velocidad de reacción
  • Disminuyen la energía de activación
  • No modifican la constante de equilibrio (K)

Unión Enzima-Sustrato

• Las enzimas se unen a los reactivos (sustratos) disminuyendo la energía de activación
• Cada enzima tiene un sitio activo único donde se une al sustrato
• Después de la reacción, la enzima y los productos se separan
• Las moléculas enzimáticas no cambian después de participar en la reacción
• La unión enzima-sustrato es altamente específica
  • Complementariedad geométrica
  • Complementariedad de cargas e interacciones iónicas
• Las enzimas suelen ser muy específicas tanto para el tipo de reacción como para el sustrato
• La forma, la carga y las características hidrofílicas/hidrofóbicas son responsables de esta especificidad
• La constante de especificidad mide la eficiencia de una enzima
• Existen modelos para explicar la unión enzima-sustrato:
  • Modelo de ajuste inducido
  • Modelo de llave-cerradura

Estructura Enzima

• El sitio activo es la zona de la enzima donde se une el sustrato para ser catalizado
• Los sitios alostéricos son áreas de la enzima que pueden reconocer y unirse a moléculas específicas en la célula
  • Las uniones a los sitios alostéricos cambian la conformación de la enzima, alterando la velocidad de reacción
  • Los sitios alostéricos pueden activar o inhibir enzimas, sirviendo como un mecanismo común para controlar las enzimas en las células

Componentes enzimáticos adicionales

• Algunas enzimas, sin embargo, requieren la unión de moléculas no proteicas denominadas cofactores
• Los Apoenzimas (o apoproteínas) : Es la parte proteica de una holoenzima, es la forma inactiva
• Las Holoenzima Enzima que requiere de un cofactor para presentar actividad, constituida por apoenzima + cofactor, siendo esta la forma activa
• Cofactores son iones metálicos, moléculas inorgánicas o moléculas orgánicas
  • Grupo Prostéticos: Moléculas orgánicas covalentemente unidas a la apoenzima
  • Coenzimas: Moléculas orgánicas débilmente unidas que se separan de la apoenzima
• Ejemplos de cofactores son Calcio (amilasa), Piridoxal fosfato (ALT) y Magnesio (ALP)
• Las Isoenzimas son formas estructuralmente diferentes de enzimas que catalizan la misma reacción, difieren en la secuencia de aminoácidos, y se encuentran en órganos o tejidos específicos
• El Zimógeno o proenzima es un precursor enzimático inactivo que necesita un cambio bioquímico para activarse

Clasificación de Enzimas

• Las enzimas se clasifican según el tipo de reacción que catalizan:
  • Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de oxidorreducción, transfiriendo hidrógeno o electrones entre sustratos
  • Transferasas: Transfieren grupos químicos (excepto hidrógeno) entre sustratos
  • Hidrolasas: Catalizan reacciones de hidrólisis
  • Liasas: Catalizan la ruptura o formación de enlaces
  • Isomerasas: Catalizan la interconversión de isómeros
  • Ligasas: Catalizan la unión de dos sustratos con hidrólisis de un nucleótido trifosfato

Cinética enzimática

• La cinética enzimática es el análisis de cómo los factores influyen en la actividad enzimática mediante la velocidad de reacción catalizada
• Las enzimas disminuyen la energía de activación de la reacción
• Las variables más importantes en cinética enzimática son:
  • Concentración de enzima, sustratos y productos
  • pH
  • Temperatura
  • Fuerza iónica
• Se utiliza la ecuación de Michaelis Menten y el gráfico de Lineweaver-Burk para el análisis cinético
• A baja concentración de sustrato, la velocidad es proporcional a la concentración de sustrato, lo que se denomina una reacción de primer orden
• Con alta concentración de sustrato y la enzima saturada, la velocidad no depende de la cantidad de sustrato, y se considera una reacción de orden cero
• La velocidad máxima se alcanza cuando la enzima está saturada
• El efecto de la concentración de sustrato muestra una curva sigmoidea con fases distintas:
  • Fase de retardo
  • Fase lineal
  • Fase de agotamiento del sustrato
• La constante de Michaelis-Menten (Km) indica la concentración de sustrato necesaria para que la enzima alcance la mitad de su velocidad máxima
• Una Km más alta indica menor afinidad de la enzima por el sustrato, y viceversa

Inhibición Enzimática

• Interferencia en la acción de una enzima producida por una sustancia llamada inhibidor, esta debe ser clasificada
  • Clasificación según la posibilidad de revertir la inhibición:
    • Irreversible: El inhibidor se une covalentemente a la enzima imposibilitando revertir su efecto
    • Reversible: El inhibidor se une a la enzima pudiendo revertir su efecto
• Clasificación según la forma en la que interviene la reacción:
  • No competitiva
  • Competitiva
  • Acompetitiva
  • Mixta (combinación de las anteriores)

Tipos de Inhibición

• Inhibición No Competitiva:
  • El inhibidor se une en un lugar distinto al sitio activo, disminuye Vmax, Km constante
• Inhibición Competitiva:
  • El inhibidor compite con el sustrato por el sitio activo, no altera Vmax, aumenta Km
• Inhibición Acompetitiva:
  • El inhibidor se une al complejo enzima-sustrato, disminuye Vmax, disminuye Km
• Inhibición Mixta:
  • El inhibidor se puede unir a la enzima al mismo tiempo que el sustrato, este tipo de inhibición resulta de el inhibidor que se une a otro sitio que no es el sitio activo de la enzima, hay variaciones de Vmax y Km

Análisis enzimáticos

• Medida de actividad enzimática mediante:
  • Tasa de desaparición del sustrato
  • Tasa de aparición del producto
  • Acoplamiento a otra reacción para producir una sustancia indicadora
• La reacción indicadora es la que utiliza o produce el compuesto medido, y las reacciones auxiliares ayudan a acoplar la reacción indicadora con la reacción principal
• La medición puede ser un punto final o cinética, y se usan métodos como la espectrofotometría
• La actividad enzimática se mide en condiciones donde es independiente de la concentración de sustrato
• También se puede medir la enzima como proteína usando inmunoensayos o electroforesis

Definición Actividad Enzimática

• Cantidad de enzima que cataliza la conversión de 1 µmol de sustrato en producto por minuto
  • La medición supone que la enzima está plenamente saturada con sustrato y que la reacción se efectúa con su máxima rapidez
• Se expresa en UI/L internacional
  • UI= µmol/minuto
  • La unidad derivada del sistema internacional es el katal (moles /segundo)

Ejemplos de enzimas utilizadas en diagnóstico

• Fosfatasa ácida, fosfatasa alcalina, lipasa (Hidrolasas), transaminasas (Transferasas), creatin quinasa (Transferasa), GGT (Transferasas), LDH (oxidoreductasa)
• El aumento de enzimas puede deberse a muerte celular, inducción enzimática o disminución de la filtración glomerular

Nomenclatura de las Enzimas

• Nombre sistemático que consta de tres partes: sustrato preferente + tipo de reacción + terminación "-asa"
• Nombre recomendado, que suele ser el nombre común de uso habitual
• Número de clasificación establecido por la Unión Internacional de Bioquímica (IUB), con el prefijo EC seguido de cuatro números