Enzimas

Proteínas. Actividad enzimática. Estructura. Centro activo. Mecanismos de reacción

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LAS ENZIMAS

Las enzimas son proteínas, casi todas con estructura terciaria globular que se caracteriza por ser biocatalizadores, es decir, catalizadores de los seres vivos (favorecen las reacciones químicas en los seres vivos, que suceden con mas rapidez, con mayor facilidad). Es vital para todos los seres vivos, porque van a ocurrir cuando se necesiten.

Las enzimas tienen características comunes con el resto de catalizadores químicos:

  • Se necesitan en muy poca cantidad

  • No desaparecen con las reacciones químicas (son reutilizables).

Además las enzimas van a tener características que no van a tener los demás catalizadores:

  • Son muy específicos: cualquier enzima no cataliza cualquier reacción química sino que existen enzimas específicos para reacciones químicas específicas.

  • Acelerar las reacciones químicas mucho más que cualquier otro catalizador, es decir, son mucho más activos.

  • Siempre trabajan a temperatura ambiente, temperatura corporal de los seres vivos.

  • Son moléculas de elevado peso molecular.

Podemos hacer una clasificación de los enzimas en función de la estructura que presenta en:

  • Enzimas estrictamente proteicas: formadas por aminoácidos en estructura secundaria, terciaria (la mayoría) y la cuaternaria.

  • Holoenzimas: tienen unida de forma temporal o permanente una zona no proteica (elemento, Ion, molécula)

Cuando el enzima trabaja se une al cofactor, cuando no trabaja el enzima, se separa el cofactor (porque sino se le unen el cofactor las enzimas no funcionan) tienen la ventaja de que un mismo cofactor puede servir para varias reacciones químicas.

Los cofactores pueden ser inorgánicos u orgánicos.

  • Cofactores inorgánicos: elementos químicos, iones, son los que se unen

  • Cofactores orgánicos: reciben entonces el nombre de coenzima, los mas frecuentes son los nucleótidos y vitamina (NAD)(NADP)(FAD)

Cuando la unión es permanente se le llama grupo prostético, se unen al apoenzima con enlaces mucho mas fuertes que lo que lo hacen los cofactores.

Proteicas apoenzimas

Enzimas holoenzimas

No proteica Grupo prostético (unión permanente)

Cofactor (unión temporal) orgánicos (coenzima)

Inorgánicos

Mecanismo de las reacciones enzimaticas

Cualquier reacción química se inicia con la rotura de ciertos enlaces entre los átomos que constituyen la moléculas se los reactivos para formar posteriormente los nuevos enlaces que originan las moléculas de los productos, ese estado en el que los enlaces de los reactivos están debilitados o rotos pero en el que aun no se han formado los nuevos se conoce como estado de transición o estado de activado; para acelerar el estado de transición y en definitiva, para que la reacción química tenga lugar es preciso comunicar a los reactivos cierta cantidad de energía denominada “energía de activación”.

En las reacciones espontáneas la energía de activación es tan baja, que se obtiene de la propia energía cinética de las moléculas o incluso de la luz que incide en el lugar de la reacción, en las reacciones no espontáneas, esta energía es tan alta que no se produce si no se aplica calor.

La acción catalizadora de las enzimas consiste en rebajar la energía de activación para llegar fácilmente al estado de transición y permitir que la reacción se lleve a acabo, en definitiva, sin la presencia del catalizador no es posible alcanzar el estado de transición espontáneamente, y con él si lo es, los catalizadores realizan su acción favoreciendo la aproximación de las moléculas de los reactivos, todas las reacciones metabólicas salvo alguna excepción son reacciones catalizadas por enzimas.

------------------------------ Estado de transición

Sin

catalizador

------------------ Estado de

con transición

catalizador

B

B

Cuando un sustrato se encuentra con la enzima correspondiente se produce la reacción catalizada, la cual se lleva a cabo en tres etapas:

  • El sustrato se une al enzima formando el complejo enzima-sustrato (E.S.). Esta unión se caracteriza por un alto grado de especificidad de modo que cada tipo de sustrato y de reacción necesita un enzima concreto; la especificidad enzimatica se debe a la estructura proteica del enzima el cual presenta una zona denominada centro activo con una forma espacial característica en la que se acopla el sustrato. Este acoplamiento es explicado mediante dos teorías:

  • La teoría de la “llave-cerradura”: el enzima y el sustrato encaja tan exactamente en el centro activo como una llave en su cerradura, por lo que cualquier cambio que se produzca en la forma impedirá su acoplamiento.

  • la teoría del “ajuste inducido” o del guante y la mano: en algunos enzimas el centro activo es capaz de modificar su forma para adoptarse al sustrato.

  • La especificidad del enzima puede darse en varios grados:

    • Especificidad absoluta: se da cuando un enzima solo actúa sobre un sustrato.

    • Especificidad de grupo: se da cuando el enzima reconoce un determinado grupo de moléculas.

    • Especificidad de clase: es la menos específica ya que la actuación del enzima no depende del tipo de molécula sino del tipo de enlace.

    La unión enzima-sustrato es reversible, pues una parte del complejo enzima-sustrato se disocia y debido precisamente a esta reversibilidad esta primera etapa es la más lenta.

    La unión de los radicales de los aminoácidos (aa) del centro activo al sustrato consigue debilitar sus enlaces provocando cambios energéticos que permiten alcanzar más fácilmente el estado de transición.

  • Una vez formado el complejo enzima-sustrato: si el enzima posee cofactor o grupo prostético éste es el que lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final esta etapa es muy rápida e irreversible, en el caso de que no existan partes no proteicas en el enzima la acción catalítica la realizan algunos aa del propio centro activo.

  • El producto de libera del centro activo y el enzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato, es irreversible.

  • El centro activo de los enzimas

    La unión del enzima con el sustrato (para que este actúe sobre el sustrato) se realiza a través del centro activo del enzima (un hueco sobre la superficie enzimatica y en la que se va a encargar perfectamente el sustrato) en el centro activo lo único que hay son aa, y son los radicales de algunos aa los que establecen enlaces con el sustrato para que la unión se pueda realizar y establecer. Los enlaces que se establecen son débiles. El centro activo de cualquier enzima tiene las siguientes características:

    • Ocupa un pequeño volumen del total del enzima

    • Posee una estructura tridimensional complementaria a la del sustrato que actúa en él (de manera que el acople sea perfecto)

    • Está exclusivamente formada por aa

    • Las cadenas laterales de algunos de estos aa presentan afinidad química con el sustrato (consiguen atraerlo y unirse a él).

    Si se analiza la parte proteica de un enzima nos encontramos que hay tipos de aa:

    • Aminoácidos estructurales: dan la forma, soporte, a la molécula enzimatica, son los mayoritarios en el enzima, nunca establecen enlaces con el sustrato.

    • Aminoácidos de fijación: se encuentran situados en el centro activo y son los encargados de fijar el sustrato formando enlaces débiles con el sustrato, haciendo que el sustrato quede fijado en el centro activo.

    • Aminoácidos catalíticos: estos no van aparecer siempre en el enzima, se encuentran situados también en el centro activo del enzima y su función es romper los enlaces del sustrato y formar nuevos enlaces para que aparezca el producto, no aparecen cuando el enzima tiene parte proteica (encargado de romper los enlaces)

    Cinética de la actividad enzimatica

    Como varia la velocidad de la reacción en función de la actividad que presentan las enzimas.

    A medida que aumentamos la concentración de sustrato en una reacción enzimatica, la velocidad de la reacción se va haciendo cada vez mayor, porque, a mayor cantidad de sustrato nos encontramos que se va a favorecer el encuentro del enzima con su sustrato especifico.

    Cuando ya no quedan mas enzimas disponibles para trabajar, la velocidad queda constante (llega a la velocidad máxima) es decir, se produce la saturación del enzima, se produce cuando todos los encimas están en la forma enzima-sustrato, cada enzima está unida a un sustrato.

    Esta velocidad viene dada por la capacidad de saturación. ---------------------------------

    Las enzimas de nuestras células nunca van a estar trabajan-

    do al 100% sino, como mucho, los enzimas van a trabajar

    a la mitad de lo que pueden y mantendrían siempre esa ve-

    locidad, con el fin de que siempre haya enzimas libres por

    si ocurre algo poder actuar rápido.

    Por ello aparece el concepto de Km= constante que recibe el nombre de michaelis-menten. La Km se define como aquella concentración de sustrato que permite a los enzimas trabajar a la mitad de su velocidad máxima (velocidad semi-máxima). Que tienen una constante de cada tipo de enzima diferente, la Km es muy importante como indicador de la especificidad (de lo especifico) que es el enzima para un sustrato en concreto. Cuanto mas pequeño sea el valor de Km, mayor especificidad, cuanto mayor sea el valor de Km menor especificidad. Con un solo sustrato el enzima a reconocido el sustrato rápidamente (mayor especificidad) si necesitan mayor sustrato para que el enzima pueda reconocerlo es menos especifico.

    B El enzima B es menos específico para este sustrato que el enzima A

    A

    Otros factores que afectan a la actividad enzimatica

    • Concentración de sustrato (anteriormente)

    • La temperatura: es importante porque cambia la actividad enzima por dos razones:

      • Si se aplica calor: al calentarse las moléculas adquieren mayor energía térmica, presenta mayor energía cinética (mayor velocidad), si aumenta la velocidad del sustrato y el enzima, facilita el encuentro de los dos (el calor puede ser en un principio beneficioso ya que aumenta la velocidad y facilita el encuentro), pero si se aplica demasiada calor puede provocar la desnaturalización de la proteína (decae la actividad catalítica), desnaturalización del enzima.

      • Pero si disminuye la temperatura, disminuye la velocidad, la energía cinética, no se van a encontrar con tanta velocidad, su posterior unión y su posterior formación. Si se disminuye tanto la temperatura, puede ocurrir la desnaturalización de la proteína del enzima.

    Se desnaturaliza antes si se aplica demasiada temperatura que si se disminuye demasiado la temperatura. Todos los enzimas van a tener una temperatura optima, para que la actividad de los enzimas sea perfecta, trabajan mejor que nunca (la de los seres humanos es la de 36.5º)

    • El pH: las enzimas tiene que trabajar en unas concentraciones de pH concreta (como proteínas que son) si se salen de esas condiciones de pH se pone al enzima en condiciones desfavorables y se puede producir la desnaturalización del enzima. Es malo tanto el pH básico como el pH ácido. Nuestros enzimas tienen un pH óptimo de trabajo, sobre pH 7.

    • Inhibidores: disminuyen la actividad enzimatica e incluso la pueden llegar a anular. Son sustancias perjudiciales pero también beneficiosas:

    • Inhibidores Irreversibles: anula para siempre la actividad enzimatica, alteran el centro activo del enzima de manera que esta alteración queda permanente, se conocen como venenos y serían inhibidores perjudiciales para el individuo.

    • Inhibidores Reversibles: inutilizan temporalmente al enzima, en función del mecanismo que empleen para inutilizarlos se clasifica:

      • Competitivos: sustancias que se caracterizan por tener una forma muy parecida a la del sustrato especifico de ese enzima, y por lo tanto compite con ese sustrato para instalarse en el centro activo, el hecho de que posean la misma forma, permiten a los organismos disminuir la acción del inhibidor aumentando la concentración de sustrato. Este es un mecanismo beneficioso en algunas ocasiones y es el que hace que el enzima no esté siempre trabajando.

      • Acompetitivos: no suelen unirse nunca al centro del enzima por lo tanto no va a tener una forma parecida al sustrato. Este se une a uno de los muchos huecos que tiene en su superficie el enzima pero no va a ser el centro activo. Provoca un impedimento fisco para la actuación del enzima, o bien, el inhibidor se coloca antes de que lo haga el sustrato en el centro activo e impide la unión sustrato-enzima porque va a estar tapando el centro activo, o bien, se coloca después de que se hayan unido enzima-sustrato e impide su separación. La mayoría son perjudiciales.

    LAS ENZIMAS

    - 4 -

    Km = especificidad

    Km = especificidad

    [s]= velocidad

    [s]= velocidad