T8 Enzimología - Apuntes 8 PDF

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Bioquimica I medicina...

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TEMA 8 INTRODUCCIÓN A LA ENZIMOLOGÍA  Enzimas: Composición y Clasificación  Mecanismo de acción  Energía de Activación y Estado de Transición o Energía de fijación o Catálisis  Modelos de acción catalítica  Mecanismo catalítico: Aminoácidos catalíticos  Ejemplo -oOoEnzimas: Composición y Clasificación La vida depende de la existencia de unos catalizadores muy potentes y específicos denominados enzimas. Todos los pasos de todos los procesos metabólicos están catalizados por enzimas, y esta capacidad catalítica es, junto con la capacidad de autorreplicación, una de las características fundamentales de la vida. La especificidad de las enzimas es muy importante para los seres vivos. Cada célula contiene varios cientos de miles de compuestos diferentes, y existen muchas combinaciones posibles entre las reacciones químicas que estos compuestos pueden experimentar. Las enzimas cuidan de que tengan lugar, de manera específica, aquellas reacciones que son esenciales e indispensables para que la célula viva. Además de la especificidad y la alta eficiencia, otras dos características que diferencian a las enzimas de los catalizadores químicos, son que las enzimas pueden saturarse por sustrato y tienen capacidad para regular su actividad. Estos catalizadores funcionan en condiciones fisiológicas, es decir, en condiciones suaves de pH y temperatura, siendo estos dos factores que afectan a la actividad catalítica, ya que dicha actividad depende del mantenimiento de la estructura. Salvo un pequeño grupo de moléculas de ARN con capacidad catalítica, denominadas ribozimas, todas las enzimas conocidas son proteínas. Composición La actividad de algunas enzimas depende solamente de su estructura como proteína, mientras que otras necesitan, además, uno o más componentes no proteicos, llamados cofactores o coenzimas. El cofactor puede ser un ion metálico. La coenzima suele ser una molécula orgánica o metalo-orgánica. Algunos enzimas necesitan de ambos. El cofactor puede estar fuertemente unido a la proteína y recibe entonces el nombre de grupo prostético. Las coenzimas suelen estar débilmente unidas, por lo que se une de manera similar a sustrato específico de la enzima, como un co-sustrato, sin embargo, se le denomina coenzima por ser necesario para la actividad catalítica del enzima.

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El complejo enzima-cofactor catalíticamente activo recibe el nombre de holoenzima. Cuando se separa el cofactor, la proteína restante, que por sí misma es inactiva catalíticamente, se designa con el nombre de apoenzima. HOLOENZIMA = APOENZIMA + COFACTOR/COENZIMA

Los cofactores son iones metálicos. En la tabla 1 se muestran algunos de ellos, indicando a qué enzima se unen para que la holoenzima realice su actividad catalítica Tabla 1. Cofactores metálicos y enzima a la que se unen. Elaboración: Ana Martínez

COFACTOR Cu2+ Fe2+ o Fe3+ K+ Mg2+ Mn2+ Ni2+ Se Zn2+

EJEMPLOS DE COFACTORES ENZIMA Citocromo Oxidasa, Amino Oxidasa Citocromo Oxidasa, Peroxidasa, Catalasa Piruvato Quinasa Hexoquinasa, Glucosa-6-fosfatasa Piruvato Quinasa Arginasa, Ribonucleótido Reductasa Ureasa Glutatión peroxidasa Alcohol deshidrogenasa, Carboxipeptidasas A y B

Los coenzimas actúan como transportadores transitorios de grupos funcionales específicos, como NAD+, transportador de electrones (NAD+, etc.), Coenzima A, transportador de grupos acilo. La mayor parte de las coenzimas derivan de vitaminas, nutrientes orgánicos que son necesarios en pequeñas cantidades en la dieta. Clasificación Muchas enzimas han sido designadas añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato, es decir, la molécula sobre la cuál ejerce su actividad catalítica. Por ejemplo la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea, y la arginasa cataliza la hidrólisis de la arginina (a urea y ornitina). Otras enzimas han recibido su nombre en función del tipo de reacción que catalizan; así la Gliceraldehído-3P-deshidrogenasa cataliza la oxidación del la Gliceraldehído-3P. Incluso algunas se conocen de hace mucho tiempo y mantienen su nombre, sin dar información alguna del sustrato o la reacción que catalizan (tripsina). No obstante existe una clasificación sistemática de las enzimas que las divide en 6 grandes grupos, cada uno de los cuales se divide a su vez en subclases: 1.Oxido-reductasas (reacciones de oxido-reducción). Catalizan reacciones de trasnferencia de electrones.Incluyen deshidrogenasas, oxidasas, reductasas, peroxidasas, catalasa, oxigenasas e hidroxilasas. 2.Transferasas (transfieren grupos funcionales). Catalizan reacciones de transferencia de grupos funcionales.Incluyen transladolasas y transcetolasas, fosforiltransferasas, quinasas y fosfomutasas. 3.Hidrolasas (reacciones de hidrólisis). Catalizan reacciones de hidrólisis.Incluyen esterasas, glucosidasas, peptidasas, fosfatasas, tiolasas, fosfolipasas, amidasas, desaminasas y ribonucleasas. 4.Liasas (reacciones de adición a los dobles enlaces). Catalizan reacciones de rotura de enlaces C–C, C–N o C–S, y forma un doble enlace en la molécula Universidad Alfonso X el Sabio

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resultante.Incluyen descarboxilasas, aldolasas, hidratasas, deshidratasas, sintasas y liasas. 5.Isomerasas (reacciones de isomerización). Catalizan reacciones de transferencia de grupos dentro de una molécula.Incluyen racemasas, epimerasas, isomerasas y mutasas. 6.Ligasas (formación de enlaces con consumo de ATP). Catalizan reacciones de condesación dependiente de hidrólisis.Incluyen sintetasas y carboxilasas.

La nomenclatura oficial acordada por la Comisión Enzimática de expertos asigna a cada enzima un número con cuatro componentes. Los dos primeros indican la clase y subclase o grupo funcional modificado, y los dos últimos se refieren a aspectos específicos de la reacción. Así, por ejemplo, la enzima hexoquinasa, que cataliza la fosforilación de D-glucosa se representa como EC2,7,1,1, ya que pertenece a la clase 2, subclase 7, el aceptor del grupo fosfato es un grupo hidroxilo (1) de un aD-Glc (1). Mecanismo de acción Para explicar la actividad catalítica de las enzimas, se ha propuesto un mecanismo general, en dos etapas: Sustrato + Enzima ↔ Complejo Enzima-Sustrato ↔ Complejo Enzima-Producto ↔ Enzima + Producto S + E ↔ E-S ↔ E-P ↔ E + P En la primera etapa, la enzima (E) se une a la molécula de sustrato (S), para formar el complejo enzima-sustrato (ES). En una segunda etapa, el sustrato se transforma en producto pero sigue estando unido a la enzima (EP). En una tercera etapa, el producto (P) se libera dando lugar a la enzima (E), que vuelve a estar disponible para reaccionar con otra molécula de sustrato. Por lo general, la molécula de enzima es mucho mayor que la del sustrato por lo que sólo una pequeña parte de la enzima está implicada en la formación del complejo; esta región que interacciona con el sustrato y en la que tiene lugar la reacción, se denomina centro activo de la enzima. El centro activo es una región tridimensional de la enzima con una distribución de los grupos única para posibilitar la unión a su sustrato de manera específic y proporciona un ambiente específico dentro del cual la reacción es más favorable. Dichos grupos del enzima no tienen por qué ser necesariamente consecutivos en la secuencia de la proteína. Algunos aminoácidos del centro activo son esenciales para unir el sustrato, se denominan aminoácidos de unión. Otros, los aminoácidos catalíticos del centro activo, están implicados en la transformación de sustrato en producto. Las enzimas son necesarias para las reacciones biológicas porque determinan la velocidad de dichas reacciones. El hecho de que una reacción sea espontánea energéticamente, es decir que su energía libre, ΔG, sea negativa, se refiere unicamente al inicio y fin de la reacción. Es una función de estado. Pero no tratan los aspectos relacionados con la velocidad de dichas reacciones. De hecho, existe una barrera energética que las reacciones deben sobrepasar para poder realizarse: la energía de activación (ΔG‡).

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Energía de Activación y Estado de Transición En una gráfica en la que se representa la energía libre del sistema frente al proceso de la reacción (S →P) se describen los cambios energéticos durante la reacción (eje horizontal). La energía de activación representa la barrera energética entre el estado basal y el de transición. Una reacción espontánea, no implica que la conversión de sustrato en producto sea rápida. La glucolisis de la sacarosa (azúcar de mesa) a pesar de ser una reacción espontánea no sucede; el azúcar sigue estando intacto en forma de granitos blancos a lo largo del tiempo. Eso se debe a que es una reacción infinitamente lenta. En presencia de enzimas la energía de activación disminuye, ya que las enzimas proporcionan un entorno para disminuir esa barrera y acelerar la reacción. Resulta difícil, por ejemplo, en la unión de dos sustratos, diferentes aspectos que hacen que la energía de activación sea elevada: 1- que se encuentren en una solución acuosa 2- que interaccionen con los grupos funcionales orientados de forma adecuada 3- que traspasen el recubrimiento por moléculas de agua Esto es lo que se conoce como estado de transición: el momento molecular en el que es igual de probable que se forme producto o sustrato. Los reactivos deben alcanzar este estado de transición o activación para poder ser transformados en productos. Las enzimas alteran las velocidades de reacción, disminuyendo las energías de activación. Lo hacen gracias a que proporcionan un centro activo de unión muy específico que facilita: 1-el alineamiento de los grupos reactivos (disminución de la entropía), 2-la pérdida de las moléculas de agua que rodean al sustrato 3-la formación de cargas inestables transitorias (aumento de la entalpía), 4-los reordenamientos de enlaces (aumento de la energía libre) 5-y otras transformaciones necesarias para que la reacción tenga lugar, representada en la «colina energética» de la figura 4. En la primera parte de la reacción E + S, las enzimas crean interacciones débiles con el sustrato facilitando los puntos 1 y 2 mencionados y proporcionando la energía de fijación, necesaria para disminuir la energía de activación. En una segunda etapa, la etapa catalítica, se pueden formar enlaces covalentes o transferir grupos entre la enzima y el sustrato, lo que también hace disminuir la energía de activación. Energía de fijación La energía de fijación contribuye a la especificidad de la reacción. Se favorece la correcta orientación de los grupos que vana areaccionar y se eliminan las moléculas de agua que interfieren en la reacción. Como consecuencia se crean enlaces débiles entre la enzima y el sustrato (puentes de H, puentes salinos, fuerzas de van der Waals e interacciones hidrofóbicas), logrando una disminución de la entropía. En el complejo enzima-sustrato se dan algunas interacciones débiles que son máximas en el estado de transición, de modo que la energía libre (energía de fijación) liberada por la formación de estas interacciones equilibra parcialmente la energía requerida para llegar a lo alto de la colina energética, de modo que en presencia de enzima esa colina es más baja: las interacciones de fijación débiles entre la enzima y el sustrato proporcionan una fuerza motriz sustancial para la catálisis enzimática. Universidad Alfonso X el Sabio

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Catálisis Por otro lado, las enzimas reordenan los enlaces covalentes, formando enlaces entre la enzima y el sustrato y transferencias de grupo, generando rutas alternativas de menor energía. La catálisis aumenta las velocidades de reacción disminuyendo las energías de activación (ver figura 6): a una energía de activación elevada se da una reacción más lenta. La velocidad de una reacción se expresa como V = k[S], siendo «k» una constante de velocidad que tiene en cuenta la energía de activación, de manera inversa y exponencial: k = kbT/he–ΔG‡/RT kB corresponde a la constante de Bolzan, que relaciona la temperatura absoluta y la energía, y que equivale a 1.3806504 x 10–23 J/K h es la constante de Plank, que desempeña un papel central en la teoría de la mecánica cuánica y que equivale a 6.62606896(33)×10-34 Jxs. Según esta ecuación matemática, la realción existente enytre la constante de velovidad k y la energía de activación, ΔG‡, es inversa y exponencial, es decir, una energía de activación menor supone una velocidad de reacción mayor. Sin embargo, no hay ninguna relación entre la velocidad de la reacción y ΔG, la espontaneidad de una reacción, ya que las enzimas alteran las velocidades de las reacciones pero no los equilibrios. Modelos de acción catalítica Ya hemos visto que las moléculas son catalizadores biológicos muy específicos porque optimizan el uso de las interacciones débiles entre la enzima y el sustrato en el estado de transición, de tal manera que los centros activos de las enzimas son complementarios a estos estados de transición, más que a los propios sustratos. Los modelos que simulan los mecanismos de acción catalítica tratan de explicar cómo las enzimas hacen lo que hacen. Los distintos modelos que existen consideran los siguientes aspectos: ‐ Alta especificidad de la enzima por el sustrato. ‐ Compensación entre la energía de fijación y el estado de transición, teniendo en cuenta interacciones débiles optimizadas en el estado de transición. ‐ Que los centros activos sean complementarios al estado de transición, no a los propios sustratos. En ausencia de enzima, la barrera de activación es demasiado elevada para que los sustratos la puedan superar por sí mismos, aunque la reacción S Æ P sea espontánea. El modelo de Emil Fischer, en 1894, suponía que las enzimas eran complementarias a los sustratos, acoplándose del mismo modo que una llave y una cerradura, es decir, tienen una relación estructural complementaria. El problema es que este modelo teórico explica la alta especificidad de una enzima por su sustrato pero presenta limitaciones: si el centro activo posee una estructura prediseñada para el sustrato, debería estar perfectamente diseñado para que también encaje el producto de la reacción. Este modelo no explica la catalisis, ya que si el sustrato encajara perfectamente con la enzima, no encajaría con el estado de transición y se perderían las interacciones débiles. Universidad Alfonso X el Sabio

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El modelo de catálisis enzimática propuesto por Michael Polanyi en 1921 y John B.S. Haldane en 1930, y posteriormente elaborado por Linus Pauling en 1946 supone que la enzima ha de ser complementaria al estado de transición, salvando así el obstáculo del modelo de Fischer. Este modelo implica que las interacciones óptimas entre la enzima y el sustrato tienen lugar en el estado de transición. En un ejemplo, una vara metálica se une a la enzima varasa. Para romper la vara es necesario pasar por un estado de transición, la vara doblada. Sin enzima, la barrera energética es muy elevada; en presencia de enzima, si la vara encaja perfectamente en el centro activo, no se permite el paso al estado de transición pero si la enzima es complementaria al estado de transición, se favorece la desestabilización de la vara para llegar al estado de transición, proporcionando así la energía necesaria que compensa el aporte energético necesario requerido para doblar la vara. Los diagramas energéticos muestran las consecuencias energéticas de la ausencia o presencia de enzima, y en este caso, de los distintos modelos. Además, el modelo de complementariedad al estado de transición supone que hay unos sitios específicos para la unión de sustrato: sitios de unión, y otros que catalizan la reacción: sitios catalíticos. La hipótesis más aceptada actualmente es el modelo del encaje inducido, propuesto en 1958 por Daniel Koshland que sugiere que el sitio activo no necesita ser una cavidad geométricamente rígida y preexistente, sino que dicho sitio activo debe tener una disposición espacial, precisa y específica, de ciertos grupos de la enzima que en presencia del sustrato se adaptan a su estructura cuando interaccionan con él. Una vez formado el complejo ES, mediante un mecanismo de distorsión, se activan los enlaces que hay que romper y se aproximan los grupos que hay que enlazar, favoreciendo la formación del producto resultante de la reacción catalizada y quedando la E libre para comenzar de nuevo el proceso catalítico. Mecanismo catalítico: Aminoácidos catalíticos En la mayor parte de las enzimas, la energía de fijación empleada para formar el complejo ES es solamente una de las numerosas contribuciones al mecanismo catalítico general. Una vez que el sustrato se une a la enzima, ésta tiene grupos funcionales catalíticos situados adecuadamente que colaboran en la rotura o formación de enlaces mediante distintos mecanismos que incluyen la catálisis ácido–base, catálisis covalente o catálisis por iones metálicos. Son mecanismos distintos de los basados en la energía de fijación porque suponen una interacción covalente entre la enzima y el sustrato, o transferencia de grupos desde o hacia el sustrato. La mayor parte de las enzimas utilizan una combinación de diversas estrategias catalíticas para lograr el aumento de la velocidad de las reacciones que catalizan. Catálisis ácido–base Ocurre cuando se generan intermediarios metabólicos cargados inestables que tienden a descomponerse rápidamente en sus especies reactivas constituyentes, impidiendo la reacción. Estos intermediarios cargados se estabilizan transfiriendo H+ a o desde el sustrato o intermediario, dando lugar a una especie que se transforma más fácilmente en productos. Algunas de las cadenas de Aa del sitio activo de la enzima actúan como dadores o aceptores de H+, generando incrementos en la velocidad de la reacción. Universidad Alfonso X el Sabio

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Catálisis covalente Implica la formación de un enlace covalente entre la enzima y el sustrato, de modo que la reacción A–B → A + B se realiza en dos pasos (A–B + E → A–E + B → A + B + E), alterando la ruta de la reacción de manera que los dos pasos son más rápidos que en el caso de la reacción sin enzima. Hay distintas cadenas laterales de Aa que sirven como nucleófilos o electrófilos para la formación de enlaces covalentes con los sustratos y que luego deben sufrir una reacción adicional para regenerar el enzima libre. El enlace covalente formado entre la enzima y el sustrato puede activar al sustrato para que se dé la reacción. Catálisis por iones metálicos Los metales, independientemente de si están fuertemente unidos a la enzima o son captados junto con el sustrato, pueden participar de diferentes maneras en la catálisis. Las interacciones iónicas entre el metal fijado a la enzima y el sustrato pueden ayudar a orientar al mismo para que reacciones o que se estabilicen los estados de transición de la reacción que estén cargados; además, pueden facilitar reacciones de óxido–reducción mediante cambios reversibles en el estado de oxidación del ión metálico. ¿Para qué sirve esto en medicina? Curiosidad médica El término enzimopatía se refiere a toda enfermedad hereditaria debida a la ausencia total o parcial de uno o varios enzimas. Hay casos de anemias hemolíticas por deficiencias enzimáticas, por defecto en distintas reacciones de la glucolis. Los síntomas de la anemia hemolítica son los clásicos de un síndrome anémico, a saber, palidez de piel y mucosas, astenia, disnea, palpitaciones, cefalea, falta de concentración, irritabilidad, insomnio o descenso de la libido, consecuencias de la mala oxigenación de los tejidos. Por otro lado, las anemias hemolíticas se caracterizan por presentar ictericia de predominio conjuntival y esplenomegalia, es decir, un aumento del tamaño del bazo. También hay distintas enfermedades relacionadas con el almacenamiento del glucógeno (EAG), que constituyen un grupo de trastornos genéticos hereditarios en las que el glucógeno se almacena o se libera del cuerpo de modo incorrecto, aumentando las cantidades de glucógeno en los tejidos de manera anormal. Debido a que el glucógeno se almacena fundamentalmente en hígado y músculo, las EAG afectan al funcionamiento del hígado, del músculo o a ambos. El albinismo se le conoce como hipopigmentación. Su causa radica en un defecto en la producción de melanina que...