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ENZIMAS Catalizadores de las reacciones biológicas. La mayoría son proteínas aunque hay moléculas de RNA con actividad catalítica (ribozimas) Gran poder catalítico Alto grado de especificidad Actúan en soluciones acuosas a 37ºC y pH específico dependiendo del órgano donde actúen. Su act...

ENZIMAS Catalizadores de las reacciones biológicas. La mayoría son proteínas aunque hay moléculas de RNA con actividad catalítica (ribozimas) Gran poder catalítico Alto grado de especificidad Actúan en soluciones acuosas a 37ºC y pH específico dependiendo del órgano donde actúen. Su actividad puede regularse El 25% de los genes humanos codifican enzimas que catalizan reacciones metabólicas. Un catalizador, por definición, es un compuesto que con su sola presencia aumenta la velocidad de la reacción sin experimentar ninguna modificación. Las enzimas son capaces de acelerar reacciones químicas específicas en un medio acuoso, y en condiciones en las que los catalizadores no biológicos, serían incapaces de realizar iguales funciones. IMPORTANCIA DE LOS ENZIMAS Cada paso de una vía metabólica está catalizado por un enzima. La medida de la actividad enzimática en fluidos biológicos o tejidos es importante para el diagnóstico de muchas enfermedades. Muchas fármacos son inhibidores de la actividad enzimática Importancia en la industria de alimentación y agricultura. ENZIMAS: RESEÑA HISTORICA Primera descripción (finales del siglo XVIII) 1850. Estudios de Pasteur 1897. Buchner 1926. Summer cristaliza la ureasa Segunda mitad del siglo XX: se purifican y caracterizan millares de enzimas, lo que ha permitido conocer su mecanismo de acción. ENZIMAS. DEFINICIONES - Cofactor o coenzima: necesario para la actividad enzimática. Pueden ser iones metálicos o una molécula orgánica, denominada coenzima originada a partir de vitaminas. Si el cofactor está unido fuertemente al enzima se denomina grupo prostético. - - Apoenzima: parte proteica del enzima (no activa) - - Holoenzima: apoenzima + cofactor - Nomenclatura de los enzimas: SUSTRATO + TIPO DE REACCION + ASA  Las reacciones sean catalizadas o no, dependen para su desarrollo de las leyes termodinámicas. REACCIONES DE ORDEN CERO: La rapidez de una reacción de orden cero es una constante, que no depende de la concentración de los reactivos. REACCIONES DE PRIMER ORDEN: Es una reacción donde la rapidez depende de la concentración de un reactivo. Esquemáticamente, el desarrollo de una reacción enzimática sencilla consistiría en: E+S ES E+P En una reacción química la conversión de sustrato en producto requiere una situación energética intermedia que se denomina estado de transición, donde el nivel de energía es superior al del sustrato o del producto. La diferencia entre el nivel de energía basal y la correspondiente al estado de transición se denomina energía de activación y cuanto más alta sea menor será la velocidad de reacción. La presencia del catalizador provoca una disminución en la energía de activación requerida, y de esta forma aumenta la velocidad con que se desarrolla la misma.  La molécula o moléculas a modificar se sitúan en una región concreta de la enzima denominada centro o sitio activo. Esta zona de la enzima es responsable de las dos propiedades básicas de la molécula: la especificidad y la acción catalizadora de la proteína. Dentro de todo el conjunto de enzimas les hay que presentan una alta especificidad, aceptando tan sólo un tipo de moléculas sobre las que realizar la catalización, y siendo capaces de discriminar incluso entre moléculas isoméricas; por otro lado, otras enzimas con un menor nivel de especificidad catalizan reacciones utilizando como sustratos moléculas que presenten una cierta similitud. La interacción entre enzima y sustrato se realiza a través de enlaces de naturaleza débil entre la molécula de sustrato y el centro activo. Cuanto mayor sea el número de estos enlaces, mayor será la especificidad de la enzima, y mayor también su capacidad de discriminar entre dos sustratos estructuralmente próximos. Actualmente, se conoce que al unirse el sustrato al centro activo, pueden desarrollarse interacciones entre ambos que producen cambios en la morfología tanto del sustrato como del centro activo, que se denomina modelo del guante y la mano o teoría del ajuste inducido. A través de este modelo se afirma que los enlaces no sólo servirían para enlazar sustrato y centro activo, sino para facilitar la transformación del sustrato en Catálisis enzimática Las enzimas son catalizadores con una eficacia muy alta comparados con los catalizadores no biológicos, ya que pueden incrementar la velocidad 1020 veces. La forma de llevar a cabo esta aceleración se apoya en diversos mecanismos, de los cuales los mejor estudiados son: 1) Disminución de la entropía: Las colisiones de las moléculas en disolución pueden ser escasas, la existencia y acción de una molécula más grande con tendencia a unir y colocar correctamente los sustratos facilita la transformación. 2) Facilitación del medio ambiente de la reacción: El centro activo de la enzima dispone de grupos funcionales que pueden modificar el medio ambiente del sustrato, por ejemplo situándolo en un medio hidrofóbico que produzca su desolvatación, y que este cambio en su entorno posibilite la reacción. 3) Introducción de tensión o distorsión sobre el sustrato: La complementariedad entre el centro activo y el sustrato provoca tensiones sobre la molécula de sustrato favoreciendo la aparición, o desaparición de enlaces que facilita su transformación en producto. 4) Existencia de grupos catalíticos específicos: el centro activo puede disponer de grupos funcionales catalíticos que colaboren de forma directa, en la formación o rotura de enlaces. Dentro de estos sistemas existen dos variedades: grupos catalíticos ácido-básicos, que participan dando o aceptando protones y permiten el desarrollo de la reacción hacia la formación del producto; y grupos catalíticos covalentes, que mediante la creación de enlaces covalentes transitorios con el sustrato, direccionan la reacción en el mismo sentido que los anteriores. ISOZIMAS Existen enzimas que catalizando la misma reacción presentan distintas cinéticas. Estas enzimas reciben el nombre de isozimas o isoenzimas (iso significa igual), y se caracterizan por presentar diferencias estructurales entre ellas que justifican su cinética variable. Estas variaciones en la conformación se traducen en modificaciones de funcionamiento, que hacen que cada isozima sea la más adecuada para la función de la célula a la que pertenece; así una misma enzima puede existir bajo formas de isoenzimas diferentes en el músculo, hígado, corazón o sistema nervioso, catalizando siempre la misma reacción. Un ejemplo lo constituye la lactato deshidrogenasa, enzima oligomérica formada por cuatro subunidades o cadenas peptídicas. Hay dos tipos de subunidades, la M (abundante en la enzima del músculo) y la H (abundante en la enzima cardíaca (heart, corazón en inglés), que combinadas dan lugar a 5 variedades moleculares  Estas variedades se distribuyen en diferentes tipos celulares, dependiendo de los requerimientos de velocidad para esta reacción que exista en dichas células, o incluso se reparten en distintos compartimentos celulares, existiendo una isozima en el citoplasma y otra en la mitocondria. Además de esta distribución regional comentada, puede existir también una distribución temporal, encontrándose por ejemplo, isozimas que funcionan durante el periodo fetal y otras durante la vida adulta. En todos los casos, la presencia de una isozima determinada, garantiza su perfecta idoneidad para una célula o tejido determinado, en un tiempo también concreto. CINÉTICA ENZIMÁTICA El estudio de la actividad enzimática implica el análisis de la velocidad de actuación de la enzima, lo cual se conoce con el nombre de cinética enzimática. La velocidad de catálisis de una enzima podría determinarse bien como velocidad a la que se forma el producto, o bien como velocidad a la que desaparece el sustrato. La concentración de sustrato afecta de manera muy importante a la velocidad de trabajo de la enzima. Cuando se mantiene constante la concentración del enzima, se comprueba que al aumentar la concentración de sustrato la velocidad de la enzima crece linealmente, disminuyendo el incremento paulatinamente hasta alcanzar una meseta que corresponde a un valor de velocidad que es la velocidad máxima. Modelo de Michaelis-Menten L.Michaelis y M. Menten en 1913, diseñaron un modelo o teoría general de la acción enzimática que explica el comportamiento hiperbólico de la velocidad con respecto a la concentración de sustrato.  La enzima puede existir en dos formas, en forma libre (E) o combinada como ES, cuando la [S] es baja la mayoría de la enzima estará libre y se verá favorecida la formación de ES, cuando se va incrementando la [S] la velocidad aumenta linealmente. La [E] libre será la diferencia entre la [E] total o inicial y la [ES] o enzima combinado con el sustrato, y la velocidad máxima se alcanzará cuando toda la enzima se encuentre en forma de ES, llegándose a la saturación de la enzima por su sustrato, situación responsable de la meseta que aparece en la gráfica. Al disponer de una concentración de sustrato saturante, la reacción alcanza rápidamente un estado estacionario en el que la [ES] se mantiene prácticamente constante y la velocidad medida durante este estado es la velocidad analizada por el modelo de Michaelis-Menten que también se denomina modelo del estado estacionario. Cuando la velocidad es la mitad de la velocidad máxima (v=V máx /2), se obtiene una equivalencia de la concentración de sustrato a la constante de Michaelis ([S]=Km), lo que representa una medida más sencilla de determinar que la relación de constantes de equilibrio, y permite expresar este parámetro cinético en unidades de concentración.  La ecuación de Michaelis-Menten puede transformarse algebraicamente para obtener representaciones rectilíneas en las que las medidas de Vmax y Km resulten más precisas. Una de las transformaciones se denomina de “doble recíproco” o ecuación de Lineweaver- Burk, INHIBICIÓN ENZIMÁTICA Al conjunto de moléculas que disminuyen la actividad enzimática se les denomina inhibidores, y en las reacciones químicas del organismo in vivo son utilizados para controlar el grado de actividad de una enzima concreta. Parte de esta utilidad puede estudiarse en muchas de las acciones de los fármacos, cuyos efectos se fundamentan en su acción como inhibidores de mayor o menor potencia de algunas enzimas, tal es el caso de un fármaco como la aspirina (ácido acetilsalicílico) que inhibe la primera enzima de la síntesis de las prostaglandinas. Dependiendo del tipo de unión que establezcan con la enzima hay dos grandes grupos de inhibidores: - Inhibidores reversibles, unidos por enlaces no covalentes y reversibles. - Inhibidores irreversibles, unidos por fuertes enlaces covalentes irreversibles. INHIBICIÓN REVERSIBLE Dentro de los inhibidores reversibles hay dos grupos dependiendo del lugar y forma de unión a la enzima: - Los inhibidores competitivos, denominados así porque compiten con el sustrato por ocupar el centro activo. Estas moléculas presentan una semejanza estructural con el sustrato que les permite situarse en el centro activo y bloquear la catalización enzimática, lo que desde el punto de vista cinético supone un descenso en la velocidad de reacción. La reacción enzimática se desarrolla de la siguiente forma: parte de las moléculas enzimáticas están ocupadas por inhibidor (no funcionantes, o inhibidas) y otra parte están unidas al sustrato y formando producto (funcionantes). Sin embargo, si la concentración de inhibidor se mantiene fija, es posible revertir la inhibición incrementando la concentración de sustrato, de tal forma que aumente la probabilidad de que el centro activo esté ocupado por el sustrato y no por el inhibidor. En suma, los inhibidores competitivos aumentan la Km de la enzima pero no modifican su Vmáxima. - Los inhibidores no competitivos se unen a la enzima en puntos distintos al centro activo, su unión incapacita a la enzima para desarrollar su acción catalítica, y en este caso, el aumento en la concentración de sustrato no revierte la inhibición. - Su capacidad de unirse a la enzima esté, ésta en solitario o esté unida al sustrato, da lugar a que la Vmáxima. se encuentre disminuida, mientras que la Km no se modifica ya que la afinidad de la enzima por el sustrato y su capacidad de unirse a él no se ve disminuida. - La Vmáxima. se verá disminuida ya que la formación del complejo inactivo ESI, disminuye la concentración de ES y la aparición de producto. Inhibidores competitivos Inhibidores no competitivos INHIBICIÓN IRREVERSIBLE Los inhibidores irreversibles son los que se unen a la enzima mediante enlaces covalentes, bien en el centro activo o en cualquier otro lugar, causando una inactivación permanente. Muchos fármacos presentan este mecanismo de acción, como por ejemplo la penicilina, y otros antibacterianos que bloquean enzimas claves bacterianos, impidiendo en este caso la actividad de síntesis de la pared bacteriana. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Las enzimas son proteínas que funcionan en un determinado medio, bien sea intra o extracelular, donde las condiciones pueden variar, y por lo tanto el nivel de actividad de la molécula puede verse modificado a lo largo del tiempo. Dentro de los factores que afectan a la actividad enzimática merecen destacarse: 1) El pH: Todas las enzimas tienen en su estructura primaria residuos de aminoácidos con grupos radicales ionizables. Dependiendo del pH del medio en el que se encuentren pueden no tener carga, o por el contrario estar cargados, bien positiva o negativamente. Estas cargas sirven para estabilizar la conformación natural de la proteína y cuando el pH las cambia, también se modifica la estructura, llevando en último extremo a la desnaturalización de la proteína, y en el caso de las enzimas a la pérdida de actividad. 1) Dependiendo del medio dónde deba ejercer su acción catalítica, cada enzima tendrá su conformación más adecuada, y por lo tanto su máxima actividad, alrededor de un valor concreto de pH, que recibe el nombre de pH óptimo. 2) El cambio, bien sea hacia valores más altos o más bajos provocará una disminución de la actividad. En el caso de la pepsina gástrica, una enzima digestiva, su pH óptimo está alrededor de 2 ya que el medio estomacal es un medio de gran acidez; mientras que otra enzima digestiva como la tripsina, cuyo lugar de acción catalítica es el intestino delgado, presenta su pH óptimo aproximadamente a 8. 3) La mayor parte de las enzimas son muy sensibles a las variaciones de pH, con algunas excepciones, como es el caso de la amilasa salival, capaces de mantener la actividad en un amplio rango de valores de pH.  Esta adaptación garantiza su funcionamiento independientemente del valor del pH del alimento ingerido. El medio interno de los seres vivos está siempre tamponado, lo cual hace que los pH fisiológicos de las soluciones corporales varíen poco, el plasma sanguíneo presenta valores próximos a la neutralidad (7,4), y la desviación de unas pocas décimas provoca alteraciones muy graves. Tan sólo existen algunas zonas del organismo que se mueven en valores muy alejados de la neutralidad, como el caso descrito de las soluciones digestivas; o, ya en el interior celular, los lisosomas, que contienen enzimas cuyo pH óptimo se encuentra en valores muy ácidos. 2) La temperatura: Este factor presenta dos efectos contrapuestos, por un lado el aumento de temperatura produce, de forma general, un aumento en la velocidad de cualquier reacción química; pero por otro lado, las enzimas experimentan desnaturalización y pérdida de actividad al superar una determinada temperatura. En este caso resulta más difícil determinar como en el pH una temperatura óptima, y las curvas de actividad presentan un incremento inicial de actividad más pronunciado para posteriormente al irse desnaturalizando, decrecer la velocidad de reacción. https://www.youtube.com/watch?v=QYrs0P8Bo7E https://www.youtube.com/watch?v=njFhc3arbsk