Enzimología PDF

Las enzimas son moléculas proteicas grandes principalmente con forma globular, lo que las hace solubles en agua. La función de las enzimas es actuar como CATALIZADORES en procesos biológicos, lo que significa que aceleran las reacciones químicas sin ser consumidas en el proceso ni formar parte de lo...

Las enzimas son moléculas proteicas grandes principalmente con forma globular, lo que las hace solubles en agua. La función de las enzimas es actuar como CATALIZADORES en procesos biológicos, lo que significa que aceleran las reacciones químicas sin ser consumidas en el proceso ni formar parte de los productos finales. CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS Funcionan mejor dentro de un rango específico de pH y temperatura. Tienen especificidad por el sustrato en el que actúan Logran la reducción de la energía de activación (Ea) de las reacciones, por lo que facilitan que las reacciones químicas ocurran a velocidades compatibles con la vida. EXISTEN DOS TIPOS DE ENZIMAS: APOENZIMAS Y HOLOENZIMAS Las APOENZIMAS → son enzimas completamente compuestas por proteínas y no requieren cofactores adicionales. Las HOLOENZIMAS → son parcialmente proteicas y necesitan cofactores para su funcionamiento. ¿QUÉ SON LOS COFACTORES? Los cofactores son componentes químicos diversos que se unen a las enzimas para ayudarlas en su función. Estos pueden ser: IONES INORGÁNICOS → que se unen temporalmente a las enzimas, como el hierro (Fe), cobre (Cu), zinc (Zn), entre otros. COENZIMAS → que son moléculas orgánicas pequeñas que interactúan débilmente con las enzimas durante la catálisis. La mayoría de las coenzimas son derivadas de vitaminas, algunas de las cuales deben ser obtenidas de la dieta. Ejemplos el NAD y la coenzima A (CoA). GRUPOS PROSTÉTICOS → que son iones metálicos o coenzimas que se unen a la enzima de manera covalente. CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS SEGÚN SU FUNCIÓN  MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS ENZIMAS Las enzimas aumentan la velocidad de las reacciones biológicas significativamente, acelerándolas en un rango de 105 a 107 veces más rápido que en ausencia de ellas. Esto se debe a que estas moléculas biológicas actúan en sitios específicos, conocidos como sitios activos, que son perfectamente complementarios a las estructuras de transición de las moléculas involucradas en la reacción. Durante el proceso de catalización, las enzimas forman complejos temporales con sus sustratos, uniendo ambas moléculas a través de interacciones débiles. Este complejo enzima-sustrato permite que ocurran las transformaciones químicas de manera más eficiente. Es importante entender que la función catalítica de las enzimas ocurre al disminuir la energía de activación necesaria para que la reacción tenga lugar. Sin embargo, la presencia de la enzima no altera el equilibrio termodinámico de la reacción, simplemente facilita la velocidad a la que se alcanza dicho equilibrio. Es decir, sin la enzima la reacción probablemente ocurra de todas formas, pero al estar la enzima presente la reacción ocurrirá de manera más rápida. El equilibrio de la reacción no se modifica por la enzima y al finalizar la reacción la enzima vuelve a estar disponible para catalizar otra: no se consume. EA Y ESTADO DE TRANSICIÓN La ENERGÍA LIBRE (ΔG) es la diferencia entre la energía de los productos y la energía de los reactivos en una reacción química. Cuando ΔG es negativa, significa que la reacción libera energía, lo que la hace exergónica y capaz de ocurrir espontáneamente. Por otro lado, si ΔG es positiva, indica que la reacción consume energía, lo que la convierte en endergónica y no puede ocurrir espontáneamente.  VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN La velocidad de una reacción está determinada por la energía de activación, que es la diferencia de energía libre entre el estado inicial y el estado de transición, es decir, entre los reactivos y los productos. Básicamente, esta energía representa la barrera que se debe superar para que los reactivos se conviertan en productos. Cuanto más alta sea esta barrera, más lenta será la reacción, y viceversa. ¿DE DÓNDE VIENE LA ENERGÍA NECESARIA PARA REDUCIR LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN? La mayor parte de la energía necesaria proviene de las múltiples interacciones débiles que se forman entre el sustrato y la enzima. Estas interacciones débiles contribuyen tanto a la especificidad como a la capacidad catalítica de la enzima. Durante el estado de transición existe el máximo de interacciones débiles. Los sitios activos de las enzimas están diseñados para ser complementarios al estado de transición de los sustratos. En este estado, se produce el máximo número de interacciones débiles. El sitio activo está configurado de manera que estas interacciones débiles ocurran preferentemente en el estado de transición. EXISTEN DOS MODELOS QUE EXPLICAN CÓMO INTERACTÚAN LAS ENZIMAS Y LOS SUSTRATOS: MODELO DE "LLAVE Y CERRADURA" (ANTIGUO): Este modelo sugería que el sustrato encaja perfectamente en el sitio activo de la enzima, como una llave en una cerradura. Sin embargo, este modelo no podía explicar cómo se reducía la energía de activación en las reacciones. MODELO DE "AJUSTE INDUCIDO": Este modelo propone que tanto la enzima como el sustrato tienen formas que son parecidas entre sí. Cuando el sustrato se une a la enzima, esta última experimenta cambios en su forma para acomodarse al sustrato. Esta interacción entre la enzima y el sustrato proporciona la energía necesaria para reducir la energía de activación. La necesidad de múltiples interacciones débiles para llevar a cabo la catálisis es una de las razones por las cuales las enzimas son moléculas tan grandes. CINÉTICA ENZIMÁTICA Para analizar cómo funciona una enzima, creamos gráficos de cinética enzimática donde representamos la velocidad de la reacción en el eje Y y la concentración de sustrato en el eje X. La velocidad de la reacción se mide observando cuánto sustrato desaparece o cuánto producto aparece en un período de tiempo específico. La velocidad inicial se refiere a la velocidad de la reacción en el momento inicial, es decir, cuando el tiempo es igual a cero. En este punto, conocemos la cantidad de sustrato inicialmente presente y la concentración de producto es cero.  TIPOS DE CURVAS: MICHAELIANA Y ALOSTÉRICA Existen dos tipos de reacciones en el contexto enzimático: REACCIONES REVERSIBLES: Estas son catalizadas por enzimas que siguen la cinética de Michaelis- Menten, lo que resulta en una curva de respuesta que se asemeja a una hipérbola. REACCIONES IRREVERSIBLES: Estas son catalizadas por enzimas alostéricas y producen una curva de respuesta que se asemeja a una curva sigmoidal. Ahora, veamos cómo se comportan estas enzimas en los gráficos: Las enzimas que siguen la CINÉTICA DE MICHAELIS-MENTEN muestran un aumento rápido en la velocidad de la reacción con concentraciones bajas de sustrato. Sin embargo, llega un punto en el que, aunque se agregue más sustrato, la velocidad de la reacción se estabiliza y alcanza un máximo. Esto se debe a que todos los sitios activos de las enzimas, donde ocurren las reacciones, están saturados. Para aumentar la velocidad de la reacción en este punto, se necesitarían más sitios activos disponibles (más enzimas). EN RELACIÓN A ESTO, TENEMOS TRES CONCEPTOS IMPORTANTES: VMAX: Esta es la velocidad máxima alcanzada cuando todos los sitios activos están ocupados al 100%. ½ VMAX: Representa la concentración de sustrato en la cual el 50% de los sitios activos están ocupados. KM (O K0,5 EN EL CASO DE ENZIMAS ALOSTÉRICAS): Es la concentración de sustrato en la cual la enzima alcanza la mitad de su velocidad máxima (se encuentra en el eje X del gráfico). ¡La Km está relacionada con la afinidad de la enzima por su sustrato: si la Km aumenta, significa que la afinidad disminuye, y si la Km disminuye, la afinidad aumenta! Por ejemplo, si inicialmente la Km es 50 y luego se revisa y se encuentra que la Km es 100, significa que la afinidad ha disminuido porque la Km ha aumentado de 50 a 100. Este fenómeno ocurre porque la enzima ha perdido afinidad por el sustrato, lo que significa que ahora se necesita mucho más sustrato para alcanzar la mitad de la velocidad máxima (½ Vmax). La enzima se vuelve más "perezosa" y necesita que se le "insista" con una gran cantidad de sustrato para que se una y se active. En el caso de las ENZIMAS ALOSTÉRICAS, actúan de manera cooperativa, lo que explica por qué al principio, al aumentar la concentración de sustrato, la velocidad de la reacción apenas aumenta, pero luego aumenta bruscamente. Estas enzimas alostéricas tienen dos sitios: el sitio activo, donde se une el sustrato, y el sitio alostérico, donde se unen los moduladores (+ o -). COOPERATIVIDAD POSITIVA Los primeros sustratos que se unen al sitio activo lo hacen lentamente y con dificultad. Sin embargo, una vez que se unen, los siguientes sustratos se unen más rápidamente. Esto se debe a que el sustrato actúa como un modulador positivo (homotrópico), lo que significa que, al unirse a la enzima, mejora su función. Un ejemplo de esto es la hemoglobina, donde el oxígeno actúa tanto como sustrato como modulador positivo (homotrópico). REPRESENTACIÓN DE LINEWEAVERBURK Es la transformación algebraica de la ecuación de Michaelis-Menten en una forma que nos permita calcular los valores exactos de Vmax y Km, para poder graficarlos precisamente. El punto de interacción entre la recta e Y nos da: 1/Vmax El punto de interacción entre la recta y X nos da: -1/Km FACTORES QUE ALTERAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Concentración de la enzima, concentración de sustrato, pH y temperatura, cofactores e inhibidores.  INHIBIDORES ENZIMÁTICOS COMPETITIVO: =VMAX ↑ KM ACOMPETITIVO: ↓ VMAX ↓ KM Los inhibidores enzimáticos son sustancias que se unen a MIXTO: ↓ VMAX ↑ KM las enzimas y reducen su actividad. Se dividen en dos categorías: NO COMPETITIVO: ↓VMAX = KM INHIBIDORES REVERSIBLES: estos inhibidores se unen a las enzimas a través de interacciones débiles. Competitivos → tienen una estructura similar al sustrato y se unen al sitio activo de la enzima, compitiendo con el sustrato por ese lugar. Esto no altera la velocidad máxima de la reacción (Vmax), pero reduce la afinidad de la enzima por el sustrato. In/Acompetitivos → se unen al complejo enzima-sustrato, interfiriendo con la formación del producto. No competitivos → aunque se unen tanto a la enzima libre como al complejo enzima-sustrato, no lo hacen en el sitio activo, sino en otro lugar. Mixtos → interfieren tanto en la unión del sustrato como en la formación del producto, al unirse tanto a la enzima libre como al complejo enzima-sustrato. INHIBIDORES IRREVERSIBLES: estos inhibidores se unen a las enzimas mediante enlaces covalentes y no se pueden revertir. Inhibidores suicidas (o sustratos suicidas), como la penicilina.  ¿CÓMO SE REGULAN LAS ENZIMAS? Las enzimas pueden ser controladas por otras moléculas que aumentan o disminuyen su actividad en varios procesos de regulación: REGULACIÓN ALOSTÉRICA Las enzimas alostéricas poseen dos sitios de unión: el sitio activo, donde se une el sustrato, y el sitio alostérico, donde se une el modulador. Este modulador puede tener dos efectos: Modulador NEGATIVO: Inhibe la actividad de la enzima. Modulador POSITIVO: Potencia la actividad de la enzima. Además, estos moduladores pueden clasificarse en dos tipos: Homotrópicos → la misma molécula que actúa como sustrato también actúa como modulador. Un ejemplo es el oxígeno en la hemoglobina. Heterotrópicos → los moduladores son diferentes a las moléculas de sustrato. Cuando una enzima está inhibida por un modulador alostérico, se necesita una mayor cantidad de sustrato para alcanzar la misma velocidad máxima (Vmax) que cuando no está inhibida. Estas enzimas alostéricamente reguladas generalmente tienen una estructura cuaternaria y exhiben una cinética sigmoidea en sus gráficos de Michaelis-Menten. REGULACIÓN POR MODIFICACIÓN COVALENTE Esta forma de regulación implica la adición de un grupo funcional o un compuesto que puede activar o desactivar una enzima. Estas modificaciones son reversibles y son llevadas a cabo por otras enzimas. Uno de los ejemplos más comunes es la fosforilación y desfosforilación: Las quinasas son enzimas que agregan grupos fosfato (fosforilan). Las fosfatasas son enzimas que eliminan grupos fosfato (desfosforilan). Un ejemplo de este tipo de regulación es la glucógeno fosforilasa. REGULACIÓN POR ACTIVACIÓN PROTEOLÍTICA Este mecanismo implica la hidrólisis de un enlace peptídico. Un zimógeno o proenzima es procesado mediante proteólisis, es decir, una parte de su cadena polipeptídica es cortada para convertirla en una enzima funcional. Este proceso es irreversible y se observa en enzimas digestivas y en el sistema de coagulación sanguínea. REGULACIÓN POR UNIÓN A PROTEÍNAS REGULADORAS En este tipo de regulación, ciertas proteínas actúan como inhibidores. Un ejemplo son las ciclinas en el ciclo celular, que controlan la progresión del ciclo celular y pueden actuar como proteínas inhibidoras.