49971985.Serie Nº 6. Enzimas y Coenzimas

Serie Nº 6
Enzimas y Coenzimas
SERIE Nº 6. Enzimas y Coenzimas
Enzimas
Las reacciones químicas que ocurren en los organismos vivos presentan casi
siempre una energía de activación tan elevada, que en condiciones compatibles con la
vida ocurrirían a velocidades casi nulas, con lo cual la vida (al menos en las condiciones
actuales) sería prácticamente imposible.
Como consecuencia, una de las principales adquisiciones evolutivas de los seres
vivos fue la aparición de proteínas con actividad catalítica (enzimas), que al disminuir
la energía de activación de las reacciones hacen posible no sólo que éstas se
produzcan a gran velocidad, sino que se lleven a cabo en condiciones moderadas de
presión, temperatura, pH, etc., compatibles con la vida.
Las enzimas son, generalmente, proteínas globulares con actividad catalítica. La
enorme variedad de reacciones que comprende la vida son mediadas, casi todas ellas,
por estos catalizadores biológicos, que son producidos únicamente por organismos
vivos.
Aunque las enzimas se hallan sometidas a las mismas leyes naturales que
gobiernan el comportamiento de otras sustancias, se diferencian de los catalizadores
químicos ordinarios en varios aspectos importantes:
• Velocidades de reacción más elevadas.
• Condiciones de reacción más suaves: temperaturas por debajo de 50°C, a la
presión atmosférica y a valores de pH casi neutros.
• Mayor especificidad de reacción: especificidad muy grande, tanto respecto
a las identidades de sus sustratos (reactantes) como de sus productos.
• Capacidad para la regulación: propiedad fundamental para la relación entre
la actividad enzimática y la homeostasis de los organismo vivos.
Las enzimas se clasifican y designan de acuerdo con la naturaleza de las reacciones
químícas que catalizan.
Existen seis clases principales de reacciones que catalizan los enzimas, así como
subclases y sub-subclases dentro de las clases.
• Oxidorreductasas. Son aquellas enzimas que catalizan las reacciones de
óxido – reducción, o sea, la transferencia de electrones o sus equivalentes
entre un donante y un aceptor.
• Transferasas. Catalizan la transferencia de un grupo químico entre un
donante y un aceptor; se excluyen aquéllas que transfieren electrones o sus
equivalentes, pues pertenecen a la clase anterior, y aquéllas en que el
aceptor del grupo es el agua, pues pertenecen a la clase siguiente.
• Hidrolasas. Catalizan la ruptura de enlaces químicos con la participación de
las moléculas del agua.
• Liasas. Catalizan reacciones en las cuales se produce la adición o sustracción
de grupos químicos a dobles enlaces o para formar dobles enlaces.
• Isomerasas. Este es un grupo heterogéneo de enzimas. Las isomerasas
catalizan varios tipos de rearreglos intramoleculares que llevan ese nombre.
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•
Ligasas. Catalizan la unión covalente de dos sustratos mediante la energía
de hidrólisis de nucleósidos trifosfatados, generalmente el ATP.
Zimógenos o Proenzimas
Son precursores inactivos de las enzimas.
Un zimógeno es una molécula que necesita ser activada para convertirse en una
enzima activa, por lo que es más exacto decir que los zimógenos son precursores de
enzimas, que decir que son enzimas inactivas.
Las enzimas digestivas, algunos factores de la coagulación y otras proteínas son
sintetizadas como zimógenos.
La síntesis de enzimas en forma de zimógenos es uno de los “mecanismos de
seguridad” con que cuenta el organismo para su supervivencia. Por ejemplo, la síntesis
de enzimas digestivas en forma inactiva es un mecanismo de seguridad para las células
que sintetizan esas enzimas, ya que las enzimas proteolíticas sintetizadas como
zimógenos no son activadas hasta que abandonan la célula y son secretadas al tracto
gastrointestinal.
Isoenzimas
Las isoenzimas son enzimas que difieren en la secuencia de aminoácidos, pero
que catalizan la misma reacción química.
Estas enzimas suelen mostrar diferentes parámetros cinéticos, o propiedades de
regulación diferentes.
La existencia de las isoenzimas permite el ajuste del metabolismo para satisfacer
las necesidades particulares de un determinado tejido o etapa del desarrollo.
En bioquímica, las isoenzimas son isoformas (variantes estructurales
estrechamente relacionadas) de las enzimas. En muchos casos, son codificadas por
genes homólogos que han divergido con el tiempo.
De forma estricta, las aloenzimas representan enzimas de diferentes alelos de un
mismo gen y las isoenzimas representan enzimas de diferentes genes cuyos productos
catalizan la misma reacción.
Catálisis Enzimática
Las enzimas presentan dentro de su estructura proteica dos regiones o sitios
importantes para la realización de su actividad catalítica:
• Sitio de unión: reconoce y liga al sustrato.
• Sitio catalítico, una vez unido el sustrato, cataliza la reacción.
Estas dos regiones en conjunto reciben el nombre de centro activo de la enzima.
El centro activo representa una porción pequeña del volumen total de la enzima:
muchos de los residuos de aminoácidos de la enzima no entran en contacto con el
sustrato. Está situado superficialmente en la enzima; permite el acceso de las
moléculas del sustrato con relativa facilidad.
El centro activo de una enzima tiene un conjunto de grupos químicos ordenados
espacialmente de forma precisa, esto hace que el sustrato quede unido al centro
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activo de forma tan íntima que casi ninguna otra molécula puede unirse de la misma
manera.
Los aminoácidos de las dos regiones del centro activo generalmente no están
adyacentes unos a otros en la cadena polipeptídica lineal; el acercamiento se produce
como consecuencia del plegamiento de la cadena proteica al adquirir su estructura
terciaria.
Todas las reacciones enzimáticas se realizan al menos en dos etapas, una primera
en la cual se forma de manera reversible la unión física entre la enzima (E) y el sustrato
(S), que da origen al complejo enzima-sustrato (ES).
Una vez formado el complejo enzima-sustrato éste puede realizar la
transformación del sustrato, dando origen al producto (P) y a la enzima libre que está
en condiciones de volver a iniciar el proceso.
A la etapa número 1 le llamamos etapa de unión, y a la número 2, etapa catalítica.
Esta es una representación simplificada. pues es posible suponer la existencia de
otros complejos intermedios sobre todo cuando en la reacción intervienen cofactores
o más de un sustrato.
El punto crucial de este mecanismo básico es la existencia del complejo enzimasustrato, que fue propuesta por primera vez por Henry en 1905. A partir de ese
momento se ha reunido suficiente evidencia para demostrar su presencia.
Se han postulado dos hipótesis para explicar la formación del complejo enzima
sustrato, las llamadas de la llave y la cerradura, así como la de acoplamiento inducido.
De acuerdo con la hipótesis de la llave y la cerradura, el sitio de unión del sustrato
existe preformado en la estructura de la enzima aún en ausencia del sustrato unido.
En el caso de la hipótesis del acoplamiento inducido, la molécula de sustrato
induce un cambio conformacional en el sitio activo de la enzima de manera de quedar
perfectamente acoplados. El cambio de forma de la enzima facilita la interacción
enzima-sustrato y la reacción.
Los estudios por rayos X indican que los sitios de unión del sustrato de la mayor
parte de las enzimas se hallan preformados (llave y cerradura) pero que la mayor parte
de ellos exhiben al menos cierto grado de acoplamiento inducido al unirse al sustrato.
Después que la reacción se completa y se libera el producto, el sitio activo recupera
su forma libre y la enzima está dispuesta para fijar una nueva molécula de sustrato.
La molécula blanco que se une a la superficie de la enzima en un sitio específico
recibe el nombre de sustrato de la enzima.
Las reacciones catalizadas por las enzimas son reacciones que ocurrirían de todas
maneras espontáneamente pero a velocidades muy lentas; las enzimas no son
sustancias mágicas, las reacciones que catalizan deben ser químicamente posibles.
La mayor parte de las enzimas funcionan in vivo (en la célula) catalizando una
reacción particular sobre un sustrato específico, esto conforma la especificidad de
sustrato (sin embargo, las enzimas pueden actuar sobre varios sustratos
estructuralmente relacionados, aunque con diferentes eficiencias. También es cierto
que un misma molécula puede servir como sustrato a varios tipos de enzimas
diferentes).
La especificidad de acción determina que la enzima cataliza sólo una de las
posibles transformaciones del sustrato.
La estéreo especificidad de las enzimas es también muy elevada, tanto respecto a
la unión de sustratos quirales como respecto a las reacciones que catalizan. La estéreo
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especificidad de los enzimas procede de su quiralidad inherente, pues como ya
sabemos las proteínas están constituidas sólo por L-aminoácidos.
Existen distintos factores capaces de afectar la actividad enzimática:
• Influencia de la temperatura: Existe una temperatura óptima para la cual la
actividad enzimática es máxima.
• Influencia del pH: Todas las enzimas tienen dos valores límites de pH entre
las cuales son efectivas. Traspasados estos valores, la enzima se
desnaturaliza y deja de actuar. Entre estos límites existe un pH óptimo en el
cual la enzima posee una máxima eficacia.
• Concentración del sustrato: En una reacción enzimática, al incrementar la
concentración de sustrato, para una concentración de enzima constante se
produce un aumento de velocidad de reacción. Si la concentración de
sustrato es excesiva, la velocidad de reacción no aumentará, debido a que
se produce una saturación de la enzima, cuyas moléculas se hallan todas en
forma de complejo enzima-sustrato.
• Inhibidores: Son sustancias que disminuyen la actividad de la enzima.
Pueden ser:
Irreversibles: Tienen lugar cuando el inhibidor se fija
permanentemente al centro activo de la enzima alterando su
estructura.
Reversibles: Tienen lugar cuando no se inutiliza el centro activo,
sino que sólo impide temporalmente su normal funcionamiento.
Competidores: Se debe a la presencia de una sustancia similar al
sustrato por lo que se puede competir en la fijación al centro
activo.
No competidores: Es debida a un inhibidor que se une a la
enzima impidiendo la fija ion del sustrato al centro activo.
Coenzimas
Las coenzimas cambian químicamente en las reacciones enzimáticas en las que
participan. Así, para completar el ciclo catalítico la coenzima debe ser devuelta a su
estado original.
Cuando se trata de coenzimas unidas de modo transitorio, tales como NAD+, la
reacción de regeneración es usualmente catalizada por una enzima diferente.
La proteína que, cuando se encuentra aislada y separada de su cofactor, es inactiva
enzimáticamente, se designa como apoenzima.
El complejo enzima-cofactor, activo catalíticamente, se llama holoenzima; es decir:
Apoenzima (inactiva) + cofactor Holoenzima (activa).
Algunas coenzimas importantes se citan a continuación:
• FAD (flavín-adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones.
• FMN (Flavín mononucleótido): transferencia de electrones y protones.
• NAD+(nicotín-adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones.
• NADP+ (nicotín-adenín dinucleótido fosfato): transferencia de electrones y
protones.
• Coenzima A: transferencia de grupos acetilo y de grupos acilo en general.
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Coenzima Q: transferencia de electrones en la cadena respiratoria.
Coenzima B12: transferencia de grupos metilo o hidrógenos entre
moléculas.
TPP (Pirofosfato de tiamina): transferencia de grupos aldehído; forma parte,
entre otros, del complejo piruvato deshidrogenasa.
PLP (fosfato de piridoxal): transferencia de grupos amino.
PMP (fosfato de piridoxamina): transferencia de grupos amino.
FH4 (ácido tetrahidrofólico): transferencia de grupos formilo, metenilo y
metileno.
Biotina: transferencia de dióxido de carbono.
Ácido lipoico: transferencia de hidrógenos, grupos acilo y metilamina.
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EJERCITACIÓN
1) ¿Cuáles son las partes del sitio activo de una enzima? Describa sus funciones.
2) ¿Como una enzima acelera la velocidad de una dada reacción química? Muestre en
un esquema energético de reacción.
3) Según el tipo de reacción que catalicen las enzimas, se pueden dividir en seis
grupos. Teniendo en cuenta las diferentes definiciones a continuación una con fechas
aquellas que se corresponden.
Catalizan reacciones de óxido-reducción,
como son las oxidasas...
TRANSFERASAS
Catalizan reacciones de transferencia de
grupos moleculares, de una molécula a otra.
LIASAS
Catalizan reacciones de hidrólisis, como
proteasas, lipasas, etc.
LIGASAS
Catalizan reacciones de adición de grupos
moleculares a dobles enlaces, con lo que
pasa a ser un enlace sencillo.
HIDROLASAS
Catalizan reacciones de isomerización, es
decir, de transformación de una molécula en
su isómero.
ÓXIDOREDUCTASAS
Catalizan reacciones en las que dos
moléculas se unen para formar una tercera.
ISOMERASAS
4) La actividad de una enzima se ve afectada por factores ambientales, como la
temperatura y el pH, y también por ciertos productos químicos que actúan inhibiendo
la acción enzimática. A continuación se enumeran una serie de cuestiones sobre este
proceso; pero deben elegir aquellas correctas:
a) Normalmente, a un incremento de temperatura se corresponde un aumento en
la velocidad de la reacción enzimática.
b) Si un inhibidor se une a la enzima mediante enlaces covalentes, la inhibición es
irreversible.
c) Con respecto al pH, los valores óptimos para cada enzima oscilan entre 6 y 8.
d) Si la molécula del inhibidor tiene una estructura semejante a la del sustrato y
compite con él para unirse al centro activo, se trata de una inhibición
competitiva.
e) Un inhibidor enzimático se une siempre al centro activo de la enzima.
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5) ¿Que son los cofactores y las coenzimas?
6) Teniendo en cuenta las Figuras N° 1 y N° 2, señale:
a) ¿Que tipo de moléculas son?
b) ¿Cuál es su origen?
c) ¿Cómo son sus bases nitrogenadas?
d) ¿Están oxidadas o reducidas?
Figura N° 1
Figura N° 2
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7) Complete el siguiente cuadro con las funciones de algunas conenzimas.
Coenzima
Localización
Funcion
TPP
Ácido lipoico
NADH
CoA
8) Completar el siguiente crucigrama a partir de los conceptos explicados en el texto, y
de las definiciones que figuran abajo.
5
1
4
2
3
6
7
8
9
10
11
12
HORIZONTALES:
1. Se dice de la reacción química en la
que se libera energía.
2. Sustancia capaz de acelerar una
reacción química, permaneciendo éste
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VERTICALES:
4. Se dice de la reacción química en la
que se necesita un aporte de energía
para que se produzca.
químico
que
se
5. Compuesto
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mismo inalterado (no se consume
durante la reacción).
que
presenta
dos
3. Enzima
configuraciones una activa y otra
inactiva.
8. Sustancia capaz de unirse a la enzima,
impidiendo que pueda unirse al
sustrato.
9. Parte proteica de una enzima.
11. Parte de una enzima necesaria para su
funcionamiento y que puede ser un
simple catión metálico.
12. Molécula muy rica en energía. La
"moneda" de intercambio de energía
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transforma en un producto en una
reacción enzimática.
6. Parte no proteica de una enzima
necesaria para su funcionamiento y
químicamente tiene que ser una
molécula orgánica.
7. Sustancia o sustancias que se
obtienen
en
una
reacción
enzimática.
10. Sustancia que cataliza reacciones
químicas acelerando la velocidad de
la reacción.
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