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ENZIMAS. QUIMICA BIOLOGICA. FACULTAD CS. DE LA SALUD. UNSa. 2021
BIOMOLÉCULAS
ENZIMAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE
SALTA
FACULTAD CIENCIAS DE LA
SALUD
CATEDRA: QUIMICA
BIOLOGICA
AÑO 2021
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ENZIMAS. QUIMICA BIOLOGICA. FACULTAD CS. DE LA SALUD. UNSa. 2021
ENZIMAS
Químicamente las enzimas son proteínas con actividad biológica que actúan
como catalizadores específicos con respecto al sustrato y a la reacción que
catalizan. Son específicas puesto que una enzima no cataliza cualquier reacción, sino que
existe una enzima para cada tipo de sustrato y reacción.
En los seres vivos se producen innumerables reacciones químicas
constantemente, y la velocidad y eficiencia con la que se producen son considerables. Si
quisiéramos reproducir esas mismas reacciones en un laboratorio, nos daremos cuenta
que solo son posibles si las realizamos en condiciones de temperaturas muy altas o
bajas, ph extremos, etc, condiciones que no serían compatibles con la vida humana. Sin
embargo, las reacciones químicas se producen en el ser vivo, en condiciones muy
moderadas de temperatura, ph y presión, gracias a la presencia de catalizadores.
Un catalizador es un agente capaz de acelerar una reacción química, sin formar
parte de los productos y sin desgastarse durante la reacción. Es decir que las enzimas
son biocatalizadores que aceleran las reacciones químicas de una forma selectiva y
eficiente en el entorno celular.
La primera enzima aislada por Summer en el año 1926, en forma cristalina fue la
ureasa. En la actualidad se han identificado un millar de enzimas diferentes.
CLASIFICACIÓN SEGÚN COMPOSICIÓN
A semejanza de otras proteínas, las enzimas pueden clasificarse basándose en su
composición química, en:
Enzima simple: están constituidas únicamente por aminoácidos, por ej.
hidrolasas, pepsina, entre otros.
Enzimas conjugadas: están constituidas por aminoácidos y otro compuesto no
proteico, por ejemplo, citocromos, constituidos por aminoácidos e hierro.
ESTRUCTURA DE UNA ENZIMA
Desde el punto de vista funcional algunas enzimas dependen para su actividad
solamente de su estructura proteica; mientras que otras necesitan para ser activas,
estructuras no proteicas denominado cofactor.
El complejo Enzima-Cofactor se denomina Holoenzima, mientras que la
Apoenzima es la enzima desprovista del cofactor, por lo que no puede llevar a cabo su
acción catalítica. Las coenzimas unidas estrechamente a la enzima se llaman Grupos
Prostéticos.
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El cofactor puede ser:
Ion metálico: Mg
++
, Cu
++
, Zn
++
, Fe
++
.
Moléculas orgánicas complejas que se denominan coenzimas.
Los iones metálicos contribuyen al proceso catalítico por su capacidad para atraer o
donar electrones. En todas las metaloenzimas la eliminación del componente metálico
determina perdida de actividad enzimática. A continuación, les presentamos diferentes
iones metálicos y las enzimas a las cuales están asociados:
Fe
++
: Catalasa, peroxidasas y citocromos. HemoproteÍnas en las cuales el hierro es
esencial para la actividad enzimática.
Cu
++
: Tirosinasa, ácido ascórbico oxidasa, citocromo oxidasa (que posee además Hierro).
Zn
++
: Alcohol deshidrogenasa y anhidrasa carbónica.
Mg
++
: Es requerido por enzimas que usan ATP (adenosin trifosfato) como cofactor. La
forma activa de ATP es un complejo ATP- Mg
++
. El magnesio se une a los grupos fosfatos
con carga negativa en el ATP.
Las coenzimas están relacionadas con las vitaminas, particularmente las del complejo B.
Las vitaminas del complejo B, se encuentran formando parte de la estructura de las
coenzimas, y en esto radica su importancia fisiológica. Es importante destacar también,
que el organismo no puede sintetizar estas vitaminas, por lo que las mismas deben ser
aportadas a través de la alimentación. A continuación, mencionamos algunos ejemplos
de coenzimas con sus vitaminas constituyentes:
Pirofosfato de tiamina: constituída por Tiamina (vitamina B1).
Flavina adenina dinucleótido (FAD): constituída por Riboflavina (vitamina B2).
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Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD): constituída por Nicotinamida (vitamina B3).
Coenzima A: formada por Ácido pantoténico (vitamina B5).
Los cofactores generalmente son estables al calor, mientras que muchas proteínas
enzimáticas son termolábiles.
SUSTRATO Y SITIO ACTIVO
La molécula o sustancia sobre la cual la enzima ejerce su acción catalítica se denomina
sustrato. En bioquímica, un sustrato es una molécula sobre la cual actúa una enzima.
El lugar de la enzima en el cual se fija el sustrato se denomina sitio activo, centro activo
o sitio catalítico y es el lugar donde el sustrato es transformado por acción de la enzima.
El sitio activo es una agrupación de un número no muy grande de aminoácidos,
distribuido espacialmente de manera precisa. Esta disposición se mantiene gracias a la
contribución de las estructuras (primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria) de la
proteína. En la formación del sitio activo participan restos aminoacídicos situado a veces
en posiciones distante de la cadena polipeptídica, que convergen en una zona
restringida y se ubican en posiciones espaciales adecuada gracias a los plegamientos y
torsiones de la cadena.
La unión del sustrato a la enzima comprende la formación de interacciones no
covalentes, tales como puentes de hidrogeno, enlaces iónicos, interacciones
hidrofóbicas, y fuerzas de Van der Waals.
En el siguiente esquema se representan dos reacciones enzimáticas, con
sustratos y sus enzimas específicas, como así también los productos que se obtienen de
cada reacción:
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Como podemos observar, en una reacción enzimática intervienen:
Enzima (E)
Sustrato (S)
Producto (P)
El sustrato se une a la enzima y se forma el complejo enzima-sustrato (ES). Al finalizar la
reacción catalizadora se desprenden los productos quedando la enzima libre para
catalizar una nueva reacción (ver Imagen 2).
IMAGEN N° 2
ZIMÓGENOS
Los zimógenos son precursores enzimáticos en estado inactivo, se conocen también
como proenzimas o preenzimas. En la mayoría de los casos, estos precursores son
proteínas simples que se convierten en enzima activa por un proceso de hidrólisis.
Agentes específicos, frecuentemente enzimas hidrolíticas, producen ruptura de la
cadena polipeptídica del zimógeno, cambian la conformación de la molécula y le otorga
una actividad catalítica.
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Algunos ejemplos de zimógenos son:
Tripsinógeno, proenzima secretada por el páncreas que luego se transformará
en Tripsina
Angiotensinógeno, sintetizado principalmente en hígado, que luego dará lugar a
la enzima activa Angiotensina I
Pepsinógeno, secretado en estómago, que en contacto con el jugo gástrico se
activará dando lugar a la enzima Pepsina.
NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN
Muchas enzimas han sido designadas añadiendo al nombre del sustrato el sufijo asa,
por ejemplo, amilasa, ureasa (que actúan sobre almidón y urea respectivamente). Por
otro lado, algunas enzimas tienen nombres propios como ser la ptialina (saliva), pepsina
(jugo gástrico), tripsina y quimotripsina (jugo pancreático).
Debido al uso de nombres según distintos criterios, se adoptó una nomenclatura y
clasificación siguiendo las recomendaciones de la Comisión Internacional de Enzimas
(CIE), de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (UIBMB).
Este sistema divide a las enzimas en seis clases principales:
ENZIMA
FUNCIÓN
OXIDORREDUCTASAS
Catalizan reacciones de oxidorreducción. Comprenden
deshidrogenasas, oxidasas, peroxidasas y oxigenasas. Ej:
lactato deshidrogenasa, citocromo C oxidasa, succinato
deshidrogenasa.
TRANSFERASAS
Catalizan la transferencia de un grupo de átomos como
amina, carbonilo, carboxilo, metilo, acilo, glicosilo, desde un
sustrato donante a otro aceptor. Ej:aminotransferasas o
transaminasas, fosfotransferasas, transaldolasas,
transcetolasas.
HIDROLASAS
Catalizan la ruptura de enlaces C-O, C-N, C-S y O-P por adición
de agua. En general para mencionarlas se agrega el sufijoasa
al nombre del sustrato sobre el cual actúan. EJ:
arginasa, lipasa, fosfatasa.
LIASAS
Catalizan la ruptura de uniones C-C, C-S y C-N, por un proceso
distinto al de hidrólisis, eliminando grupos del sustrato y
formando dobles ligaduras o ciclo, o agregando grupos
atómicos a enlaces dobles. Ej: aldolasa, descarboxilasa,
deshidratasa.
ISOMERASAS
Convierten un isómero en otro. Ej: fosfoglucoisomerasa,
epimerasa, cis-trans isomerasa.
LIGASAS O
SINTETASAS
Catalizan la unión de dos moléculas, acoplada a la hidrólisis
de un ATP o GTP como proveedores de energía para la
reacción. Se forman uniones C-C, C-N, C-S o C-O. Ej: glutamina
sintetasa, ADN ligasa, carboxilasas.
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CINÉTICA QUÍMICA
La cinética química es un área de la fisicoquímica que se encarga del estudio de la
velocidad de la reacción, cómo cambia bajo condiciones variables y qué sucede con las
moléculas que participan en la reacción.
Vamos a ver algunos términos que se deben conocer en cuanto a reacciones químicas.
Si en una reacción nos basamos en el número de moléculas que deben reaccionar para
formar los productos de la reacción hablaremos de reacciones monomoleculares,
bimoleculares y trimoleculares.
Si clasificamos a la reacción química sobre una base cinética o sea por el orden de
reacción tendremos:
Reacciones de orden cero: son reacciones químicas donde los productos se forman a
velocidad constante, independientemente de la concentración de reactivos (por más
que se agregue más reactivo, esta velocidad no aumenta). La representación de la
velocidad en función de la concentración de reactivos dará una línea horizontal.
Reacciones de primer orden: son aquellas que ocurren a una velocidad exactamente
proporcional a la concentración de un reaccionante o reactivo, se dice que es
monomolecular, porque no se requieren colisiones moleculares para obtener el
producto. Ej.
O sea, la velocidad de la reacción es proporcional a la velocidad de desaparición de A ó
aparición de P.
Reacciones de segundo orden: en éstas la velocidad es proporcional al producto de la
concentración de dos reaccionantes (por eso la reacción es bimolecular). Ej.
Reacciones de tercer orden: son menos frecuentes, la velocidad es proporcional al
producto de tres términos de concentración. Ej.
En toda reacción química es necesario suministrar energía a los reactivos para que se
produzca la misma.
El reactivo se transforma en Producto porque cierta fracción del reactivo posee en un
instante dado, mucha más energía que el resto de la población, esta energía seria la
necesaria para alcanzar un estado activo en el que se rompe o se establece un enlace
químico para dar lugar a la formación del Producto. En toda reacción hay un estado de
transición (ver imagen 3) que sería el estado rico en energía y la energía necesaria para
que se produzca una reacción se denomina Energía de Activación.
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Si se eleva la temperatura, se incrementa la energía y se hace mayor el número de
moléculas capaces de entrar al estado de transición. Este recurso es comúnmente
utilizado en laboratorio, sin embargo, en el cuerpo humano temperaturas muy elevadas
serian incompatibles con la vida, por lo tanto, los catalizadores (enzimas) son los que
favorecen que se produzcan las reacciones químicas a una determinada velocidad. Los
catalizadores aceleran las reacciones disminuyendo la energía libre de activación (ver
imagen 3 y 4).
IMAGEN N° 3
IMAGEN Nº 4
A bajas concentraciones de sustrato la velocidad de la reacción enzimática crece de
forma lineal, representando esta sección de la curva la reacción de primer orden. A
medida que aumenta la curva se llega lentamente a una situación en la cual la actividad
enzimática no aumenta más a pesar de que se aumente la concentración del sustrato.
La curva adopta una dirección horizontal que se corresponde con la velocidad máxima
(Vmax), observándose un fenómeno donde la enzima se ha saturado (ver Imagen 5).
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IMAGEN N°5
Este efecto de saturación condujo a Michaelis y Menten (1913) a formular una
teoría general de la acción de las enzimas y de su cinética.
Usualmente la enzima se une con el sustrato en una reacción reversible, para
formar el complejo enzima sustrato, luego se disocia el complejo liberándose la enzima
y el producto.
Ante bajas concentraciones de sustrato hay mayor cantidad de enzimas libres,
pero a medida que aumenta la concentración de sustrato todas las enzimas van
formando este complejo enzima sustrato y la velocidad de reacción va aumentando de
manera proporcional.
Finalmente llega un punto correspondiente a la velocidad máxima en donde por
más de que se aumenten las concentraciones de sustrato, como todas las enzimas están
saturadas de sustrato la velocidad no varía (reacción de orden cero, ver Imagen 6).
Es difícil determinar la concentración de sustrato que se necesita para llegar a la
velocidad máxima puesto que esto solo sucede a concentraciones infinitas de sustrato.
Es por esto que, para establecer alguna relación entre velocidad inicial y concentración
de sustrato, Michaelis y Menten, definieron una constante llamada Km (constante de
Michaelis).
La constante Km corresponde a la concentración de sustrato con la cual la
velocidad de reacción alcanza un valor igual a la mitad de la máxima (ver Imagen 6).
La Km es un indicador indirecto de la afinidad que tiene la enzima por su sustrato,
esta afinidad es inversamente proporcional, es decir, valores elevados de Km indican
menor afinidad de la enzima por el sustrato y viceversa.
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Ahora veamos, ¿Qué utilidad tiene?
Representa un índice de la afinidad de la E por el S. Es decir, a menor Km mayor
afinidad de la enzima por el sustrato y viceversa. Sí una enzima tiene una constante
de Michaelis muy bajo con un determinado sustrato, quiere decir que se requiere
una pequeña concentración de sustrato para lograr saturar la mitad de las moléculas
de la E y luego para alcanzar la mitad de Vmax.
Indica cuál es el sustrato preferente de una enzima cuya especificidad se amplía.
La Km tiene un valor fijo para cada enzima y sirve para caracterizarla.
El estudio del Km es un elemento de juicio para interpretar el mecanismo
enzimático, pues varía si se modifica el pH, por la presencia de otros sustratos, si la
reacción es bimolecular, etc.
La hipérbola de saturación de una enzima por su sustrato puede deducirse con la
ecuación de Michaelis y Menten:
IMAGEN N° 6
A partir de la ecuación se deduce que cuando el sustrato está por debajo del
valor de la Km, la velocidad de reacción depende de la concentración de sustrato
(reacción de primer orden). Cuando la concentración de sustrato está muy por encima
de la Km, la velocidad es prácticamente máxima (reacción de orden cero). Ahora bien,
cuando la concentración de sustrato es igual al valor del Km la velocidad de reacción es
igual a la mitad de la velocidad máxima.
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INHIBIDORES ENZIMÁTICOS
Los inhibidores enzimáticos son agentes químicos capaces de inhibir la acción
catalítica de las enzimas, es decir, disminuir la velocidad de las reacciones enzimáticas
sin que se haya desnaturalizado la enzima. Existen inhibidores que alteran
irreversiblemente la estructura de la enzima y su efecto no desaparece al eliminar el
inhibidor. Son los llamados inhibidores irreversibles. Otros, por el contrario, se fijan
reversiblemente a la molécula enzimática y su efecto desaparece cuando son
eliminados: son los inhibidores reversibles.
Existen 3 tipos de inhibidores: competitivos, no competitivos y acompetitivos.
Representaremos la acción de cada tipo de inhibidor a través de la gráfica de
Lineweaver-Burk y de un esquema gráfico.
En la gráfica de Lineweaver-Burk, se encuentran representados 2 ejes
(ordenadas, que representa la velocidad y abscisas, que representa la concentración del
sustrato). Para cada tipo de inhibición, en rojo verán representada la actividad de la
enzima con el inhibidor y en negro la actividad de la enzima sin el inhibidor.
La intersección de la pendiente con el eje de las ordenadas, representa la
velocidad máxima y la intersección de la pendiente con el eje de las abscisas, representa
la Km, como se observa en el siguiente gráfico:
INHIBIDORES COMPETITIVOS
Las enzimas poseen sitios activos, que sería el lugar donde se fija el sustrato. Los
inhibidores competitivos se fijan en el sitio activo de la enzima por ser químicamente
semejantes al sustrato y lo hacen en forma reversible (Ver Imagen 7).
Si se aumenta la concentración del sustrato (el sustrato y el inhibidor compiten
por el sitio activo de la enzima), el sustrato ganará el sitio activo. En cambio, si aumenta
la concentración del inhibidor, ocupará los sitios activos de la enzima evitando que se
una el sustrato.
En este tipo de inhibición se basa el mecanismo de acción de las estatinas
(medicamento para reducir el colesterol), las mismas tienen similitud estructural con el
colesterol, por lo que al unirse al sitio activo de la enzima que cataliza la formación de
colesterol, inhiben la síntesis del mismo.
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IMAGEN N°7: Representación esquemática de inhibición competitiva.
INHIBIDORES NO COMPETITIVOS
Se unen a la enzima en un lugar diferente al sitio activo, denominado sitio
alostérico (del griegoallo: otro; stereo: sitio o lugar) y por lo tanto actúan en forma
independiente de la concentración del sustrato. Su acción se explica porque anulan o
destruyen ciertos grupos de la enzima, necesarios para que se fije el sustrato, por lo cual
el mismo ya no es capaz de unirse a la enzima (Ver Imagen 8). Ejemplo de este tipo de
inhibidor son los venenos organofosforados, conocidos como insecticidas. Los mismos
se unen de manera irreversible a la acetilcolinesterasa, enzima muy importante del
sistema nervioso.
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IMAGEN N° 8: Representación esquemática de inhibición No competitiva.
INHIBIDORES ACOMPETITIVOS
En cuanto a los inhibidores acompetitivos, el inhibidor se une al complejo enzima
sustrato y forma el complejo inactivo enzima-sustrato-inhibidor ESI. La actividad es
disminuida porque el complejo enzima sustrato unido al inhibidor es inefectivo, se
disminuye tanto la Vmax como el Km. Esto se da cuando participan varios sustratos en
la reacción (Ver imagen 9).
IMAGEN N° 9: Representación esquemática de inhibición Acompetitiva.
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CUADRO COMPARATIVO ENTRE LOS TRES TIPOS DE INHIBICIÓN
INHIBIDORES COMPETITIVOS
INHIBIDORES NO
COMPETITIVOS
INHIBIDORES
ACOMPETITIVOS
No modifican la velocidad
máxima de la enzima
Disminuyen la velocidad
máxima pues suprimen
moléculas de la enzima
Disminuyen la
velocidad máxima
Aumenta el Km pues la acción
del inhibidor disminuye la
afinidad de la enzima por el
sustrato
No modifican el Km
El km disminuye
Los cambios que producen son
reversibles
Producen cambios
irreversibles
Es un proceso
reversible
FACTORES QUE MODIFICAN LA ACTIVIDAD DE UNA ENZIMA
Influencia del pH en la velocidad de la reacción enzimática: las enzimas para actuar con
eficacia necesitan un determinado Ph en el medio en que se encuentren.
En el ser humano no hay un único valor de pH establecido, todo depende de fluido
corporal de que se trate, por ejemplo, hay enzimas que actúan a pH sumamente ácido
o sumamente alcalino, como la pepsina del jugo gástrico cuyo pH óptimo es 1,5 o la
fosfatasa ácida de la próstata cuyo pH óptimo es 5 y fosfatasa alcalina de hueso y otros
órganos que alcanza máxima actividad a pH 9,5.
Cambios de pH modifican la Vmax y el Km de las enzimas. Si el pH no es el correcto para
una enzima puede ocurrir una desnaturalización parcial de la enzima y reducirse su
actividad, por ejemplo, el Ph de la sangre arterial es de 7,35 – 7,45, siendo el valor
óptimo 7,40 (Ver imagen 10).
IMAGEN N° 10: Efecto del Ph sobre la actividad enzimática de la sangre. El Ph se indica
en el eje de abscisas. La actividad enzimática se indica en ordenadas
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Influencia de la temperatura en la velocidad de la reacción: la temperatura afecta en
forma notable la actividad de la enzima. A 0º C se inhibe por completo la acción de la
enzima, a medida que se aumenta la temperatura aumenta la actividad enzimática.
A mayor temperatura va disminuyendo gradualmente la actividad hasta que a 100º C la
mayoría se inactivan por completo. Esta inactivación sería irreversible pues las proteínas
se desnaturalizan por coagulación. Para la gran mayoría de enzimas de animales
endotermos, la Tº optima está alrededor de los 37
o
C (Ver imagen 11).
IMAGEN N° 11: Efecto de la temperatura corporal sobre la actividad enzimática. La
actividad enzimática se representa en el eje de abscisas, y en el eje de ordenada se
representa la velocidad enzimática.
Efecto de la concentración de sustrato en la actividad enzimática: si se mantiene
constante la concentración de la enzima, la velocidad inicial de una reacción molecular
depende de la concentración de sustrato pues a mayor concentración de sustrato habrá
mayor concentración del complejo E – S
En las reacciones enzimáticas llegamos a una Vmax donde a pesar de aumentar la
concentración de sustrato la velocidad no aumenta, es constante. O sea que se
transforma en una reacción de orden cero donde la velocidad es independiente de la
concentración del sustrato, esto sucede porque todos los sitios activos de la enzima se
saturan con sustrato. (Ver imagen 12).
IMAGEN N° 12: Efecto de la concentración de sustrato sobre la actividad enzimática. En
el eje de abscisas representa la escala de concentraciones de sustrato, sobre el de
ordenadas la velocidad enzimática.
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