Enzimas

Los S. vivos son como “maquinas”, que funcionan mediante reacc. químicas, siendo necesaria que ocurran en tiempo real.

Las reacc. químicas por si misma son lentas, por lo que serian inútiles para los S. vivos.

Las enzimas aceleran, catalizan las reacc. del metabolismo.

-Mecanismo de acción enzimático.

Cualquier reacc. química básicamente consiste en la formación o ruptura de enlaces. Todas las reacc. del metabolismo son reversibles, dándose un equilibrio. (A<=>B+C)

En los S. vivos no puede ser así, como ocurre en el laboratorio que se consigue subiendo la temperatura o mediantes descargas eléctricas, en los S. vivos los enzimas disminuyen la E. activación.

La energía de activación es la mínima cantidad de energía para convertir un mol de sustrato a un mol de producto.

Entre el sustrato y el producto hay un complejo activado que es el que tiene mayor energía libre por absorber la energía de activación, por ello es inestable. En este momento el enlace esta medio roto o medio formado “tiende” a transformarse en producto.

Al mismo tiempo que se necesita de la energía, también los sustratos deben encontrarse y colisionar de una forma concreta (Geometría de Colisión) para formar el producto. En el caso de que la energía sea adecuada pero no hay geometría adecuada, la energía se pierde y vuelve al sustrato.

La velocidad de una reacc. depende de la energía de la reacción. Cuando un sustrato tiene mas energía que un productor el enlace tiende a producir exotérmica (desprende calor). Por el contrario si la energía del sustrato es menor a la energía del producto se necesita energía para formar el enlace (Endotérmica).

Si la energía de activación es baja la reacc. es espontánea, bastando la agitación térmica de la temperatura ambiente o de la luz.

Las enzimas favorecen la geometría de colisión haciendo que toda la energía se invierta en formar el producto y el desarrollo de la reacc. debilitando los enlaces a romper o exponiéndolos a los grupos químicos a enlazar.

Al disminuir la energía de activación hacen a las reacc. espontáneas. Aumenta la velocidad y actúan en bajas concentraciones invirtiendo en la reacc. pero recuperándose intactos sin alterar el equilibrio de la reacc.

- Características de las catálisis enzimáticas.

+ Complejo enzima-sustrato y control activo.

A las reacc. catalizas por enzimas se les aplican las misma energética y cinética que a las reacc. en general. Con la peculiaridad de que siempre se cambian por el complejo enzima-sustrato.

E+S<=>ES<=>E+P

Tan inestable que transforma en producto y enzima libre. Esta unión E-S siempre ocurre en la superficie de la enzima, exactamente en u  surco llamado centro activo.

La forma del centro activo le permite reconocer a su sustrato por estereoespecificidad (forma que deben ser complementarias). Este acoplamiento espacial aproxima a cierto grupo químico del sustrato a ídem del enzima, que van a conducir a la formación de enlaces débiles (puentes de hidrogeno, interacciones iónicas, fuerzas de Van derWaal) entre ambos. Esto son los Aa de unión, que provocan la unión del Enzima y el Sustrato.

Por efecto de esta unión el Sustrato también interacciona con otros Aa del centro activo (Aa catalíticos) que van a favorecer el desarrollo de la reacc. debilitando un enlace a romper o exponiendo a un grupo químico a enlazar. Estos Aa son esenciales, también los son los Aa que mantienen el estado nativo. Ya que si cambia la forma de la enzima también cambia su centro activo.

La unión E-S cambia la forma de ambos, y estos cambios de forma conducen a la reacc.

Los Aa de unión y catalíticos pueden estar muy separados en la estructura primaria de la enzima pero aparecen cercanos y en un surco de superficie debido a los pliegues de la cadena.

+Especificad.

Las enzimas son esteroespecificas con los sustratos, esto se llama especificidad de sustrato (forma complementaria) y pueden ser:

§  Total: Son capaces de distinguir entre isómeros pero es mas frecuente que sean de grupo.

§  Grupo: “reconocen” ciertos grupos químicos en todos los sustratos que lo posean.

§  Acción: Ciertos Aa catalíticos solo pueden favorecer a un tipo de reacc.

+ Cofactores y vitaminas.

Hay muchas enzimas que necesitan la colaboración de otras moléculas en su funcionamiento. Los cofactores se unen débil y temporalmente entre si (no grupo prostético).

El termino cofactor se utiliza para los iones metálicos, cuando se trata de moléculas orgánicas se les llama coenzimas.

Las enzimas intervienen en las reacc. pero tienen que acabar intactas, por ello los coenzimas actúan de aceptadores temporales de grupos químicos movilizados por las enzimas.

Son transportadores de grupos químicos entre un enzima que los precisa y otro que los cede.

Las coenzimas redox son muy importantes, ya que hay muchas reacc. metabólicas redox.

NAD⁺: Nicotinamin Adenín DiNucleotido.

NADP⁺: Nicotinamin Adenín DiFosfato.

FMN⁺: Flavín Adenín Mononucleotido.

Reacc. Fosforilación.

ADP: Adenín difosfato.

ATP: Adenín trifosfato.

Son Coenzimas transportadores de energía. Funcionan como “moneda” energética de la célula.

Todos estos enzimas son nucleótidos y son esenciales, podemos fabricarlos. En otros casos los coenzimas no pueden ser fabricados como ocurre con la Coenzima A, que transporta otros grupos químicos que no son el H  y el P, por ello tenemos que tomarlos a través de la dieta, esto son las vitaminas.

Los coenzimas que están asociados a enzimas que están en bajas concentraciones, las mismas concentraciones en los que se necesita de ella. Su falta produce un déficit en ciertas reacc. metabólicas, produciendo síntomas (avitaminosis) o enfermedades carenciales (escorbuto, pelagra, beri-beri).

Las Vitaminas se clasifican en Hidrosolubles y liposolubles:

Las Hidrosolubles no son toxicas, ya que se eliminan por la orina y funcionan como coenzimas o grupos prostéticos.

Las liposolubles si son toxicas y no actúan como coenzimas o grupos prostéticos.

+ Mecanismos para aumentar la eficacia de las reacc. enzimáticas. Sist. multienzimaticos y compartimentación.

La eficacia es igual a la velocidad. Esta se consigue acoplando las reacc. metabólicas, alcanzando bajas concentraciones en pequeñas cantidades. Por ello no debe disolverse en todo el hialoplasma.

Los enzimas asociados en sistemas multienzimaticos cuya reacc. acopladas constituyen una secuencia de reacc.

A--->B--->C--->D--->E

                                                 E₁     E₂    E₃     E₄               Aumenta la velocidad.

Esto tiene un efecto amplificado por la compartimentación, pudiendo hacer funciones incomplementarias (orgánulos). En los orgánulos como hay poco disolvente la concentración necesaria es menor. Así una pequeña cantidad de sustrato tiene una alta concentración.

Son sistemas multienzimaticos (asociados a las membranas de los orgánulos) cuyas secuencias discurren en un orgánulo como ocurre en las mitocondrias que se produce la respiración celular o en los cloroplastos que se realiza la fotosíntesis.

+ Cinética de las reacc. catalizadas por enzimas.

Ecuación de Michaelis-Menten.

Es igual que las demás reacc. químicas pero presentan saturación por sustratos.

Las enzimas funcionan en bajas concentraciones, una vez el enzimata esta todo ocupado, llega a la velocidad máxima.

Esto Explica la cinética relacionando la velocidad de reacc. con la cantidad de concentración y ciertas características de los enzimas.

/S/=KM

La KM también es la constante de equilibrio de las reacciones. La KM es inversamente proporcional a la afinidad del enzima por el sustrato y viceversa. Cada enzima tiene su velocidad máxima y su KM característico, que varía con cada sustrato (si la enzima tiene varios) por el pH, la temperatura o con la concentración de cofactores/coenzima.

Todo esto nos lleva a hablar de valores óptimos;

pH=6´5-7    Tº=37ºC      │coenzima/cofactores│

Esto hace que la velocidad aumente.

* Factores que influyen en la cinética de las reacc. enzimáticas.

Existen una serie de parámetros generales que afectan a todos los enzimas, como la 

│S│=V ; │S│≈V ; │S│≠V_max

La temperatura óptima para la mayoría de los enzimas esta entorno a los 37ºC, si es inferior, no se alcanza la energía de activación disminuyendo la velocidad. Una temperatura superior, como la MO es termolábil, aumentando su agitación térmica, rompe los enlaces débiles de las proteínas (que son la mayoría), disminuyendo la velocidad de la reacc. alterando la forma catalíticamente activa del enzima, llegando a perder el estado nativo y así la función, siendo V=0.

El pH óptimo es de 6´5-7, depende de los PK de los grupos ionizables de sus Aa (PK indica el grado de ionización de la proteína a cierto pH), las proteínas presentan cargas deseables que determinan el estado nativo, Aa unión y Aa catalíticos, estos dos últimos son esenciales.

La│coenzimas/cofactores│ óptimo, son mecanismo de control, de la velocidad inespecíficos inútiles para regular.

+ Clasificación y nomenclatura de los enzimas.

-Clasificación por acción química:

      Deshidrogenan

      Sintetizan

      Oxido/reducen

      Deshidratan

-Nomenclatura:

Sustrato + Acción química + Asa

Sulcínico Deshidrogenasa

Pirúvico Fosfatasa

Glucógeno Fosforilasa

- Regulación  de la acción cinemática (modificaciones).

Los parámetros generales afectan a todas las enzimas. Las necesidades celulares son cambiantes, teniendo el metabolismo que adaptar su velocidad a las necesidades. Esto lo hace por economía, por coordinación general.

Esto se consigue con la activación/inhibición enzimática y además enzimas reguladores (alostéricos u moduladores covalentes) capaces de cambiar en muy poco tiempo la intensidad metabólica, esto se conoce como Regulación a nivel enzimático.

Además hay otro a nivel genético enzimático en la síntesis de los enzimas (ác. nucleicos).

- Teoría del Operón.

+ Activación/inhibición enzimática.

Hay una serie de factores activadores de la acción enzimática, como la presencia de │S│, │Coenzimas│, su ausencia inhibe hasta hacer su velocidad = 0. Hay mecanismos más específicos con el uso de inhibidores que son sustancias.

+ Inhibición enzimática.

Los inhibidores, disminuyen la velocidad y se distinguen experimentalmente por su efecto en la cinética. El inhibidor aumenta la KM aparentemente, disminuyendo la afinidad por el sustrato. Hay varios tipos:

+ Inhibición acompetitiva.

El inhibidor no se une al enzima libre sino que lo hace al complejo E-S, bajando la velocidad. Si aumentamos la concentración de sustrato baja más la velocidad.

+ Inhibición no competitiva.

El inhibidor se une tanto al enzima libre, como al E-S por lugares diferentes del centro activo y así bajando la velocidad.

Si aumentamos la │S│ como uno aumenta la velocidad y la otra lo disminuye, la velocidad se queda igual. Estas inhibiciones son reversibles.

·         Inhibición irreversible.

Esto lo hacen los insecticidas o el mercurio que se combinan covalentemente/irreversiblemente con algún Aa esencial del enzima, alterándolo irreversiblemente. “Veneno metabólico”.

- Enzimas reguladores.

Tienen un papel fundamental en la regulación de la actividad enzimática. Son ciertos enzimas capaces de alterar en muy poco tiempo la intensidad del metabolismo; Hay dos tipos:

      Alostéricos:

Viene del latín y significa “Otro sitio”. Se caracteriza porque además de el centro activo, presenta un centro alostérico donde se unen unos moduladores que pueden ser positivos (activa el enzima) o negativo (Disminuye el enzima). Tienen de forma característica una cinética diferente a los demás enzimas.

Hay enzimas monovalentes, que solo presentan 1 modulador y los enzimas alostéricos polivalentes, que presenta varios moduladores cada uno con su sitio en el centro.

Se encuentran típicamente al comienzo de una secuencia de reacc.

L-Treonina => => => => => L- Isolencina

La primera de las reacc. esta catalizada por un enzima llamado L-treonin deshidratasa, este enzima es alostérico. El L- isolencia actúa como modulador negativo de la L-Treonin deshidratasa. Esto sirve para mantener constante una variable (verdadera regulación), se conoce como retroalimentación negativa, por lo que quiere decir que la salida influye sobre la entrada y negativa porque la influencia es de signo contrario a la entrada.

Es un mecanismo de control bastante extendido en los S. vivos ya que con una enzima controla 5 reacc.

También se encuentra enzimas alostéricos en los encrucijados metabólicos, los cuales constituyen una red de control de enzimas alostéricos polivalentes controlados por moduladores positivos y negativos por los productos finales de otras secuencias.

Cuando se produce retroalimentación positiva ocurre igual que la negativa pero el modulador es positivo, se puede decir que es un mecanismo de descontrol y solo se utiliza para una respuesta máxima.

      Moduladores covalentes.

Tienen dos formas, una mas activa que la otra. Se interconvierten por cambios covalentes de su estructura. Estos cambios están producidos por otras enzimas como ocurre con el glucógeno Fosforilasa.

Glucógeno + ATP => (Glucosa) n-1

Glucógeno+ G-1-P + ADP + H₂O

Libera glucosa del glucógeno para ser utilizada como fuente de energía en casos de emergencias.

F_a tiene senina que esta Fosforilasa

4ADP + 4H₂O => 2F_b + 4 ATP

Estos enzimas se utilizan para amplificar una señal. Una sola molécula de adrenalina permite que salgan millones de glucosas. Esto ocurre por la cascada de amplificación.