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TEMA 4: Las proteínas y la acción enzimática. Biología 2º Bachillerato

LOS ENZIMAS Y LA ACCIÓN ENZIMÁTICA.LAS VITAMINAS

LOS ENZIMAS.CONCEPTO.

Los enzimas son proteínas con actividad catalítica (biocatalizadores). La catálisis se define como la aceleración de una reacción química por efecto de una sustancia o catalizador.

En una reacción enzimática, las moléculas que reaccionan reciben el nombre de sustratos, y las sustancias formadas se denominan productos. Los enzimas no se consumen en las reacciones que catalizan, son reutilizables y por ello actúan en pequeñas concentraciones.

Toda reacción química precisa una energía mínima para desarrollarse. Esta energía es la necesaria para formar los nuevos enlaces y debilitar los que se van a romper y se denomina energía de activación. A veces, esto supone una barrera difícil de superar en las células vivas, pues requeriría de fuertes aportaciones de energía en forma de calor, o descargas eléctricas intensas etc. El problema de superar esta “barrera energética” se soluciona con los enzimas, que reducen la energía de activación necesaria para que las reacciones se produzcan en el ambiente de la célula viva . Los enzimas solo rebajan la energía de activación, no otros parámetros de la reacción, lo único que hacen es facilitarla y hacer que se produzca a mayor velocidad.

Propiedades de los enzimas.-

Los enzimas poseen las mismas propiedades que las proteínas (solubilidad, capacidad amortiguadora, desnaturalización y especificidad) y además las siguientes:

Gran actividad catalítica: Aceleran la reacción entre 106 y 1014 veces. No se consumen en las reacciones que catalizan.

Especificidad de sustrato: Actúan sobre uno o pocos sustratos catalizando un tipo de transformación concreto.

Actúan en condiciones de pH y temperaturas suaves. Cada enzima posee unos valores de pH y temperatura idóneos para su actividad llamados pH y temperatura óptimas del enzima.

Pueden regularse por estímulos intra o extracelulares.

Tipos de enzimas.

1) Según su naturaleza se clasifican en dos grupos: Holoproteínas (constituidos exclusivamente por aa) y holoenzimas (presentan una parte no proteica.). Presentan una parte proteica o apoenzima y una no proteica o cofactor. El cofactor puede ser un ión metálico o un coenzima (molécula orgánica compleja: NAD+, FAD+, Coenzima A CoA). Si el cofactor se une permanentemente al apoenzima se denomina grupo prostético y sería una heteroproteína. El apoenzima es responsable de la especificidad de sustrato y el cofactor es necesario para que se produzca la reacción. Por separado son inactivos. Los cofactores y coenzimas aportan al enzima grupos con cargas o de otros tipos, átomos etc. que son necesarios para el acoplamiento del sustrato y el desarrollo de la reacción.

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2) Según la reacción en la que participen:

Hidrolasas. Catalizan reacciones de hidrólisis.

Transferasas. Transfieren grupos funcionales u otros radicales de una molécula a otra.

Liasas. También “sintetasas”, unen grupos u otros radicales a una molécula.

Isomerasas. Transforman una molécula en un isómero suyo.

Oxidorreductasas. Participan en reacciones de oxido-reducción.

LA ACCIÓN ENZIMÁTICA

Energía de activación: Para que se produzca una reacción química es necesario alcanzar un nivel mínimo de energía que se denomina energía de activación. Los enzimas actúan bajando este nivel formando una asociación pasajera con los sustratos de la reacción o reactivo formando el complejo enzima-sustrato. De esta forma consiguen que la reacción suceda más rápidamente.

Centro activo: En las reacciones enzimáticas el enzima (E) se une al sustrato (S) para formar el complejo enzima-sustrato (ES). Tras la reacción se obtienen los productos (P) y el enzima queda libre (E). La unión tiene lugar en una pequeña parte del enzima que se denomina centro activo.

El centro activo tiene una forma que se adapta perfectamente a la forma del sustrato. Se localizan dos tipos de aa: de unión (con grupos hidrófobos o cargas que permiten la unión del sustrato) y catalíticos (responsables de la transformación). En los holoenzimas el cofactor se encuentra en el centro activo y su presencia es obligatoria para el acoplamiento del sustrato o sustratos al enzima. Suelen aportar cargas eléctricas y otros factores precisos para el acoplamiento, sin ellos la actividad del enzima no es posible.

Especificidad enzimática. Consiste en que cada enzima se acopla al sustrato o sustratos sobre los que actúa de forma precisa en su centro activo. No permitiéndose normalmente el acoplamiento de otros sustratos. Los enzimas se dice que tienen dos tipos de especificidad:

o De acción: Un enzima sólo realiza un tipo de transformación (oxidación, reducción, descarboxilación, polimerización, etc.)

o De sustrato: Cada enzima actúa sobre un solo tipo de sustrato o sobre un número reducido de ellos que suelen ser moléculas muy similares, según esto tenemos:

Especificidad de sustrato absoluta: Sobre un único sustrato.

Especificidad de grupo: Sobre un grupo de sustratos que presentan un tipo de enlace concreto.

Especificidad estereoquímica: Sobre un tipo de estereoisómero (D o L)

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FORMACIÓN DEL COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO. HIPÓTESIS DEL AJUSTE INDUCIDO

La unión entre enzima y sustrato se produce en el centro activo del enzima, un lugar de su superficie con una estructura complementaria de alguna parte de las moléculas o molécula de sustrato sobre el que actúa. Además del encaje estructural, es preciso que existan fuerzas que estabilicen la unión, cargas eléctricas de algunos radicales de aminoácidos del centro activo, o zonas hidrofóbicas etc. Aquí intervienen los aminoácidos de unión del centro activo. La clave de la acción de los enzimas está en la formación de un complejo activo o complejo enzima-sustrato formado por el enzima y sustrato donde se debilitan los enlaces que van a desaparecer y comienzan a formarse los nuevos, y donde el nivel energético necesario para formarlo (energía de activación) es inferior al que se necesitaría para que la reacción se produjese solo con los sustratos y sin el enzima. Para explicar la formación del complejo activado o enzima-sustrato, tradicionalmente se hablaba del modelo de “llave y cerradura” para hablar de la forma de interactuar entre enzima y sustrato, esto implica una unión rígida que parece que en realidad no se produce, así aparece la hipótesis del acoplamiento inducido que se resume:

1. Inicialmente, la forma del centro activo y del sustrato no son exactamente complementarias.

2. La cercanía del sustrato provoca un cambio en la estructura del enzima que permite el acoplamiento entre ellos.

3. El sustrato es transformado gracias a los aminoácidos catalíticos del centro activo, se liberan los productos y el enzima recupera su conformación original.

CINÉTICA ENZIMÁTICA (ESTUDIO DE LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES ENZIMÁTICAS)

Estudia la velocidad de la catálisis. Esta velocidad depende de algunos factores como la concentración de sustrato, la concentración del propio enzima, el pH, la temperatura y los inhibidores o activadores.

1. Concentración de sustrato: Si la concentración de sustrato aumenta y se mantiene constante la concentración del enzima, la velocidad de la reacción aumenta. Al principio este aumento es exponencial y luego se hace más lento hasta alcanzar una velocidad máxima que ya no varía aunque sigamos aumentando la concentración de sustrato. En este momento todas las moléculas de enzima están ya ocupadas por los reactivos o sustratos y la velocidad del proceso no puede aumentar más, se dice que se alcanza el punto de saturación del enzima. La representación gráfica de esta cinética (llamada de saturación) sigue la ecuación de Michaelis y Menten:

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Constante de Michaelis (Km): Concentración de sustrato (en milimoles por litro) necesaria para que la reacción alcance la mitad de la velocidad máxima. Valores altos indican poca afinidad enzima-sustrato, y valores bajos indican lo contrario.

2. Efecto de la concentración del enzima. Si aumentamos la cantidad de enzima aumenta la velocidad del proceso mientras existan moléculas del sustrato disponibles. La concentración del enzima está regulada genéticamente. También se consigue situándolas juntas en un mismo compartimento o sobre una membrana formando lo que se llama “complejo enzimático”.

3. Efecto del pH: Lo enzimas presentan un pH óptimo en el cual su actividad es máxima (velocidad máxima y Km mínima). Pequeñas variaciones de pH provocan un descenso brusco en la actividad porque se alteran las cargas del centro activo y del sustrato afectando la unión ES. Si la variación de pH es muy acusada, el enzima se desnaturaliza perdiendo su funcionalidad. Normalmente el pH óptimo de un enzima coincide con el del lugar donde debe realizar su trabajo. Por ejemplo las enzimas gástricas actúan a pH ácido.

4. Efecto de la temperatura: Un pequeño incremento de Tª aumenta la velocidad de la reacción. Valores superiores a 40ºC provocan la desnaturalización del enzima. Cada enzima también posee un valor de temperatura en el que su funcionamiento es óptimo o temperatura óptima.

5. Inhibidores: Son sustancias químicas que disminuyen o bloquean la actividad enzimática. La inhibición puede ser irreversible o reversible. Cuando la inhibición es irreversible, suele ocurrir que la molécula de inhibidor bloquea permanentemente el sitio activo del enzima, por unirse a él, o por alterar la conformación del mismo. Los inhibidores irreversibles también se llaman venenos. Cuando la inhibición es reversible pueden darse dos casos:

a. Inhibición competitiva: El inhibidor compite con el sustrato por el centro activo. Un aumento de la concentración de sustrato aminora el efecto del inhibidor, de modo que con bastante sustrato podemos alcanzar aunque más tarde la velocidad máxima posible del proceso.

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b. Inhibición no competitiva: El inhibidor se une al enzima por un lugar distinto al centro activo provocando un cambio en su conformación que impide la unión del sustrato. Un aumento en la concentración de sustrato no afecta a la acción del inhibidor, pues se une a un sitio distinto, y aunque aumentemos la cantidad de sustrato no se alcanza nunca la velocidad máxima posible del enzima para la cantidad de sustrato disponible.

El DIPF reacciona con el aminoácido serina del sitio activo de la enzima acetilcolinesterasa, inhibiéndola irreversiblemente. Esta enzima participa en el mecanismo de propagación de los impulsos nerviosos. El DIPF es conocido como gas nervioso, algunos ejemplos son el gas SARIN (usado en el ataque terrorista en un subte en Tokio en 1995)y el MALATION (insecticida). Otros venenos también son inhibidores irreversibles de algunos enzimas.

6. Los sustratos activadores, muchas veces el propio sustrato de la reacción catalizada por el enzima, activan a ésta y aumentan su afinidad por el sustrato incrementando la velocidad de la reacción o permitiendo que se ponga en marcha, en este último caso, los enzimas se sintetizan en una forma inicialmente inactiva hasta que se presenta el sustrato activador.

REGULACIÓN ENZIMÁTICA

La regulación de la actividad enzimática puede ejercerse de varias formas:

1. Sobre la síntesis del enzima: El enzima sólo se produce cuando hace falta y se degrada rápidamente tras ejercer su acción. En las células existe un principio básico llamado “de la máxima economía de partes y procesos”, lo que quiere decir que no se fabrica nada si no es necesario. La síntesis del enzima está controlada genéticamente.

2. Sobre la actividad enzimática: El enzima presenta una forma inactiva y otra activa que se consigue por la unión de un ligando (una molécula que se une al enzima). Los enzimas que se sintetizan inicialmente de forma inactiva se denominan proenzimas.

a. Modificación covalente

b. Efectos del medio

c. Enzimas alostéricos

MODIFICACIÓN COVALENTE

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Algunos enzimas sufren un proceso reversible de fosforilación-defosforilación (sobre un residuo de serina) que regula su estado de actividad o inactividad, esto lo realizan otras enzimas que fosforilan ( quinasas) o defosforilan (fosfatasas).

MODIFICACIONES PROVOCADAS POR EL MEDIO

A veces son las condiciones del medio las que provocan cambios en su conformación activándola ( por ejemplo ciertos valores de pH). Así, inicialmente se sintetizan en forma inactiva ( por ejemplo enzimas digestivas), llamados proenzimas y solo se activan en el lugar adecuado para el desarrollo de su papel.

ENZIMAS ALOSTÉRICOS

Enzimas regulados por la unión no covalente de una molécula (modulador o efector alostérico) a un sitio distinto del centro activo (sitio alostérico). Los moduladores pueden actuar como inhibidores (Véase inhibición no competitiva) o como activadores.

Los inhibidores suelen ser los productos finales de las rutas metabólicas, de manera que cuando aumenta su concentración se detiene la ruta que los produce.

Los activadores pueden ser los mismos sustratos, capaces de unirse tanto al centro activo como al sitio alostérico.

Aquí se ilustran con dibujos esquemáticos la forma de actuar de los enzimas alostéricos:

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LAS VITAMINAS

CONCEPTO DE VITAMINA.

Son sustancias orgánicas, de naturaleza y composición variada. Se necesitan en muy pequeñas cantidades, aunque su presencia es imprescindible para el desarrollo normal del organismo. Tienen una función reguladora, frecuentemen-te actúan colaborando con enzimas como coenzimas. Las necesidades vitamínicas varían según las especies, con la edad y con la actividad. Los vegetales, hongos y microorganismos son capaces de elaborarlas por sí mismos. Los animales, salvo algunas excepciones, carecen de esta capacidad, por lo que deben obtenerlas a partir de los alimentos de la dieta (son micronutrientes esenciales).

En algunos casos los animales obtienen algunas vitaminas a través de sus paredes intestinales, cuya flora bacteriana simbionte las producen (vitamina K en humanos). Ciertas vitaminas son ingeridas como provitaminas (inactivas) y posteriormente el metabolismo animal las transforma en activas (en el intestino, en el el hígado, en la piel, etc.), tras alguna modificación en sus moléculas. Son sustancias lábiles (frágiles y que se descomponen con facilidad), ya que se alteran fácilmente por cambios de temperatura y pH, presencia de luz y también por almacenamientos prolonga -dos.

Los trastornos orgánicos en relación con las vitaminas se pueden referir a:

Avitaminosis; si hay carencia total de una o varias vitaminas, si la carencia es parcial se habla de Hipovi-taminosis. En cualquier caso conducen a padecer enfermedades por falta de dichas vitaminas. En general las enfermedades causadas por falta de algún nutriente se denominan “enfermedades carenciales”.

Hipervitaminosis.- si existe un exceso por acumulación de una o varias vitaminas, sobre todo las que son poco solubles en agua y, por tanto, difíciles de eliminar por la orina. Frecuentemente quedan retenidas en las grasas corporales o el hígado.

CLASIFICACIÓN DE LAS VITAMINAS.

Las vitaminas se designan utilizando letras mayúsculas, el nombre de la enfermedad que ocasiona su carencia o bien el nombre de su constitución química. Clásicamente se establecen 2 grupos según su capacidad de disolución en agua o en las grasas o disolventes de éstas. Así, se habla de: vitaminas hidrosolubles y liposolubles respectivamente.

VITAMINAS LIPOSOLUBLES

Son vitaminas no solubles en agua y químicamente se trata de derivados de lípidos insaponificables (TERPENOS O ESTEROIDES). Cuando se acumulan en exceso se disuelven en las grasas corporales y es difícil su eliminación. La hipervitaminosis en este caso también produce enfermedades al igual que la carencia o hipovitaminosis.

VITAMINA FUENTE FUNCIONAMIENTO ENFERMEDADES POR

HIPOVITAMINOSIS

ENFERMEDADES POR HIPERVITAMINOSIS.

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A

Retinol

Alimentos ricos en beta caroteno, en general productos de origen vegetal como tomates o zanahorias. La leche y otros productos animales como huevos e hígado.

Sintetizada a partir del beta-caroteno (terpenos), participa en la formación de los pigmentos existentes en la retina que intervienen en la visión, en el mantenimiento de los epitelios y en la síntesis del colágeno.

Ceguera nocturna ( sus primeros síntomas son pérdida de visión en ambientes con poca luz) y progresiva pérdida de visión generalizada. Inflamación del ojo o “xeroftalmia”. Retrasos en el crecimiento y fragilidad de huesos.

Se acumula en las grasas corporales y en el hígado, provocando daño hepático, visión borrosa, somnolencia, aturdimiento, dolor en los huesos, problemas en la piel, vómitos etc. y es especialmente grave en bebes, donde produce el reblandecimiento de zonas del cráneo y retraso en el crecimiento.

D

Calciferol o antirraquítica

Leche y huevos.

Se sintetiza a partir del colesterol en la piel gracias a la acción de los rayos solares ultravioleta. Es pues, un esteroide. Su acción es favorecer la absorción del calcio en el intestino y su fijación en huesos y dientes.

En los niños produce raquitismo ( formación defectuosa de los huesos) y en los adultos osteomalacia ( fragilidad en los huesos )

Algunos de los síntomas por toxicidad con vitamina D son: hipercalcemia (nivel elevado de calcio en la sangre), el cual es causado por un aumento en la absorción intestinal de calcio. Esto puede causar el depósito de calcio en tejidos blandos como los riñones, el corazón, los pulmones y el sistema vascular lo que puede producir hipertensión y fallos cardiacos. La toxicidad por el consumo de la provitamina D, también puede convertirse en una causa de hipertensión arterial. Dentro de los síntomas gastrointestinales por toxicidad se incluyen: anorexia, náuseas y vómitos, a los cuales pueden seguir de poliuria (producción excesiva de orina), polidipsia (sed incrementada), debilidad, nerviosismo, prurito y eventualmente fallo renal

E

Tocoferol

Aceites de origen vegetal y hojas comestibles. También en la yema de huevo

Es una molécula antioxidante que actúa en la síntesis de los grupos hemo de la hemoglobina de la sangre. Es muy importante en la asimilación intestinal de las grasas. Actúa también

Problemas en los glóbulos rojos de la sangre ( fragilidad) y por ello síntomas de anemia.

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evitando la autooxidación de algunos ácidos grasos.

K

Naftoquinona o antihemorrágica

Hígado, productos vegetales frescos y aceites vegetales.

Interviene en la síntesis de proteínas llamadas “factores de coagulación” de la sangre. Colabora en reacciones de descarboxilación como coenzima.

Coagulación sanguínea deficiente.

Bloquea el efecto antioxidante de otras vitaminas y favorece procesos de envejecimiento prematuro. El exceso en sangre provoca la destrucción de los glóbulos rojos.

VITAMINAS HIDROSOLUBLES

Son sustancias solubles en agua, por ello su exceso no produce enfermedades ya que se elimina fácilmente en la orina. Se trata de coenzimas o precursores de coenzimas, necesarias para muchas reacciones enzimáticas del metabolismo.

VITAMINA FUENTE FUNCIÓN/HIPOVITAMINOSIS

GRUPO B (B1)

TIAMINA

Carne de cerdo, hígado, leche, pescado, levadura de cerveza, germen de trigo etc.

Enfermedad llamada “Beri-Beri”, que produce alteraciones neurológicas, falta de coordinación, debilidad muscular y posible fallo cardiaco, ya que la vitamina actúa en la transmisión de los impulsos nerviosos y como coenzima de enzimas del ciclo de Krebs y por tanto del metabolismo energético.

GRUPO B (B2)

RIVOFLAVINA

Hígado, lácteos, levadura, setas, cereales y verduras.

Agotamiento físico, fotofobia, problemas en la piel como dermatitis. Forma parte de los coenzimas FMN y FAD, esenciales en el metabolismo para transportar electrones en reacciones de oxido reducción.

GRUPO B (B3)

ÁCIDO NICOTÍNICO

Carne, pescado y legumbres.

Es un componente de los coenzimas NAD y NADP esenciales en el transporte de electrones en reacciones de oxido-reducción. También forma parte del llamado Coenzima-A (CoA) que interviene en el metabolismo energético. Su falta provoca la enfermedad llamada “Pelagra”, cuyos síntomas son dermatitis, diarrea y demencia, por lo que se la conoce también como enfermedad de las tres D.

GRUPO B (B5)

ÁCIDO PANTOTÉNICO

Cereales, legumbres, huevos, jalea real, levadura, carne etc.

Forma parte del Coenzima-A. Su nombre viene del griego “pantothen”, que significa “en todas partes”, pues se encuentra en todo tipo de alimentos y por ello su déficit es poco frecuente. Si falta, se producen problemas neuromotrices, cardiacos y

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molestias intestinales.

GRUPO B (B6)

PIRIDOXINA

Cereales, hígado, riñones, pescado, huevo, legumbres etc.

Su carencia es poco frecuente, provoca dermatitis, trastornos nerviosos y convulsiones. Participa en el metabolismo de los aminoácidos y ácidos grasos.

GRUPO B (B12)

CIANOCOBALAMINA

Carne, hígado, pescado, huevos y riñones. ( casi todos productos de origen animal)

Participa como coenzima en el metabolismo de los aminoácidos. Su deficiencia provoca una enfermedad llamada “anemia perniciosa” pues conduce a una malformación de los glóbulos rojos de la sangre.

BIOTINA (B8/B7 o vitamina H)

Necesaria en la síntesis de ácidos grasos, metabolismo de las purinas y aminoácidos. Su deficiencia poco frecuente provoca dermatitis, dolores musculares y debilidad.

ÁCIDO FÓLICO (vitamina B9)

Su nombre viene de “folium” que significa hoja en latín, pues es abundante en espinacas y otros vegetales. También en huevos, leche, carne y pescado.

Coenzima para la síntesis de ácidos nucleicos y la formación de glóbulos rojos. Su déficit provoca problemas en la maduración de los glóbulos rojos (anemia perniciosa), pérdida de peso y debilidad. En embarazadas produce malformaciones en el feto.

VITAMINA C

ÁCIDO ASCÓRBICO

Fruta fresca y en especial los cítricos ( naranjas, limones, pomelos etc.). Esta vitamina se deteriora fácilmente por la luz y el tiempo, por lo que es esencial que los productos que la contienen sean frescos.

Participa en la síntesis de la sustancia fundamental del tejido conectivo; colágeno. Actúa también como antioxidante. Su déficit provoca una enfermedad conocida como escorbuto, que se manifiesta por problemas en la cicatrización de heridas, en la regeneración de la piel y el hueso. Todo ello conduce a la aparición de ulceraciones en la piel, pérdida de dientes y deterioro de las mucosas ( llagas), y en los casos extremos debilidad extrema, perdida extrema de peso, ceguera y la muerte. Era la típica enfermedad de los marineros, cuando no se podían conservar en los barcos frutas ricas en vitamina C y las singladuras duraban demasiado. Los síntomas remiten rápidamente tras la administración de la vitamina ( directamente o en forma de fruta fresca, sobre todo cítricos ).

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