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Enzimas
Universidad de Guadalajara
Centro Universitario de Ciencias de la
SaludDepartamento de Biología Molecular y Medicina Genómica
Academia de Bioquímica
Enzimas
Contenido
• Introducción
• Nomenclatura de las enzimas
• Clasificación
• Propiedades de las enzimas
• Modo de acción enzimático
•Mecanismos de acción enzimática
•Factores que afectan la velocidad de la reacción
•Inhibición enzimática
Enzimas
Introducción
Con el afán de entender qué son las enzimas, cuál es su función y su importancia, es
necesario establecer la definición de los siguientes
conceptos: Catalizador Enzima Ribozima Cofactor Coenzima Grupo
prostético
Enzimas
Introducción
Conocemos como catalizador a cualquier sustancia que acelera la
velocidad de una reacción, pero sin participar
químicamente en ella.
Por ejemplo, la descomposición del peróxido
de hidrógeno a agua y oxígeno es extremadamente lenta, pero la adición de ión férrico acelera la reacción,
con la formación observable de burbujas de oxígeno.
Reacción del peróxido de hidrógeno con la sangre
"Catalizador (química)." Microsoft® Encarta® 2006 [DVD]. Microsoft Corporation, 2005.
Enzimas
Introducción
Muchas reacciones cotidianas no sucederían con la velocidad que lo notamos sin la participación de los
catalizadores.
¿Has notado qué es lo que oxida los objetos de metal?
¿Cómo se evita la emisión de gases peligrosos de los escapes de automóviles?
"Catalizador (química)." Microsoft® Encarta® 2006 [DVD]. Microsoft Corporation, 2005.
Enzimas
Introducción
Las reacciones de los sistemas biológicos suceden
en tiempos apreciables debido a que están catalizadas por agentes, en su gran mayoría
de naturaleza proteica, llamados enzimas.
Por lo que podemos concluir que las enzimas son los
catalizadores de los sistemas biológicos.
Modelo de tridimensional de cintas de una enzima
Biochemistry, 3° ed. Matthews, van Holde. McGrawHill, 2004
Enzimas
Introducción
Una ribozima es una enzima de naturaleza ribonucleica, es decir, está formada por una o
varias cadenas de ARN.
Son necesarias para la expresión correcta de los
genes.
Por ejemplo, tenemos a los RNA nucleares pequeños (U1 a U6)
Intrón autoeditable de Tetrahymena
Biología Celular y Molecular, 1° ed. Gerald Karp. McGrawHill Interamericana, 1998.
Enzimas
Introducción
Un cofactor es una molécula químicamente diferente a la
enzima, que está unida a esta y es necesaria para que ésta pueda tener una actividad
catalítica. Existen tres tipos: coenzimas, grupos prostéticos
e iones metálicos.
La DNA polimerasa, enzima encargada de la replicación del DNA, necesita de Mg+2 para su
actividad.
DNA polimerasa
Bioquímica Fundamental 4° ed. Conn, Stumpf, Bruening. Limusa-Wiley, 2001.
Enzimas
Introducción
Una coenzima es una molécula pequeña que está
químicamente unida a la enzima y es necesaria para su
función catalítica, ya que forma parte de su sitio activo,
el lugar de la enzima que realiza la reacción.
Un ejemplo son las vitaminas del complejo B, necesarias para la
formación de energía útil para la célula.
Reacción de óxido-reducción de la niacina
(vitamina B3)
Bioquímica Fundamental 4° ed. Conn, Stumpf, Bruening. Limusa-Wiley, 2001.
Enzimas
No todas las enzimas necesitan coenzimas, pero aquellas que lo
hacen no pueden trabajar sin su
coenzima.
A la parte proteica de la enzima se le llama
apoenzima, y a la unión de apoenzima y
coenzima se le conoce como holoenzima, que
ya es activa.
Dominio carboxitransferasa de la acetil-CoA carboxilasa
Introducción
Bioquímica Fundamental 4° ed. Conn, Stumpf, Bruening. Limusa-Wiley, 2001.
Enzimas
Un grupo prostético es una molécula con características
químicas diferentes a la enzima (como una coenzima),
que está unida a ella, pero que no participa como parte
del sitio activo.
Por ejemplo, algunas enzimas están glucosiladas o tienen
residuos de lípidos.
La inmunoglobulina G tiene residuos de carbohidrato en la región constante
Introducción
Bioquímica Fundamental 4° ed. Conn, Stumpf, Bruening. Limusa-Wiley, 2001.
Enzimas
Nomenclatura
Con el fin de distinguir una enzima de otra, a cada una se
le designa con un nombre. Para ello, se toma el nombre del sustrato (reactivo de la
reacción que cataliza) y se le agrega el sufijo –asa.
Por ejemplo, al grupo de enzimas bacterianas que destruyen la
penicilina y los beta-lactámicos se les conoce como penicilinasas
o lactamasas.
Escherichia coli, algunas de sus cepas son resistentes a las penicilinas
Bioquímica Fundamental 4° ed. Conn, Stumpf, Bruening. Limusa-Wiley, 2001.
Enzimas
Nomenclatura
Esto creo confusión, porque varias enzimas pueden tener el mismo sustrato. Por ello, se
sistematizó la forma de ponerles nombres a las
enzimas. Ahora, se siguen los pasos que se muestran en el
cuadro en naranja.
El encargado de ello es el Comité de Nomenclatura Enzimática de
la Unión Internacional de Bioquímica.
1. Se toman el (los) sustratos de la enzima.
2. Se separan con dos puntos (:).
3. Se escribe la actividad de la enzima.Por ejemplo, existe una enzima
que transfiere un grupo fosfato del ATP a la glucosa, en el carbono 6.
Por lo tanto, se llamará:
ATP : D-glucosa 6-fosfotransferasa
Sustratos separados por dos
puntos (:)
La enzima transfiere 1 grupos fosfato del ATP en la posición 6 de la
glucosa
Bioquímica, 4° ed. Lubert Stryer. Reverté ed., 2001.
Enzimas
Sin embargo, con el fin de evitar la simplicidad y la
complejidad excesivas, se recomienda que se nombre
primero el sustrato y después la actividad que tiene la enzima sobre el mismo.
Por ejemplo, en vez de ATP : D-glucosa 6-fosfotransferasa, es más sencillo escribir glucosa
cinasa (las cinasas son enzimas que transfieren grupos fosfatos).
Modelo tridimensional de la glucosa cinasa. En verde se muestra el ATP, y en
amarillo la glucosa
Nomenclatura
Bioquímica, 4° ed. Lubert Stryer. Reverté ed., 2001.
Enzimas
Clasificación
Debido al increíble avance de la biología molecular, la
caracterización y descubrimiento de enzimas de hacía de manera rutinaria. Sin embargo, cada instituto usaba
sus propias reglas para nombrarlas, lo que creo una
gran confusión.
Con ello, surge el Comité de Nomenclatura de Enzimas, de
la Unión Internacional de Bioquímica.
Logo de la Unión Internacional de Bioquímica
Biochemistry, 3° ed. Matthews, van Holde. McGrawHill, 2004
Enzimas
Clasificación
Clase Reacción Ejemplo
1. Oxidorreductasas
Reacciones de oxido-reducción. Peroxidasas, deshidrogenasa
s
2. Transferasas Transfieren grupos de un solo átomo de carbono de un sustrato a otro.
Cinasas, cetoaldolasas
3. Hidrolasas Ruptura de enlaces con adición de moléculas de agua (H2O).
Peptidasas, glucosidasas.
4. Liasas Ruptura de enlaces sin adición de moléculas de agua.
Carboxipeptidasas
aldolasas
5. Isomerasas Alteran la configuración molecular de los sustratos.
Racemasas, epimerasas.
6. Ligasas Acoplan la energía de ATP a la unión de dos moléculas.
RNA ligasa
Biochemistry, 3° ed. Matthews, van Holde. McGrawHill, 2004
Enzimas
Propiedades
Por supuesto, las enzimas poseen varias
propiedades que las distinguen de sus
congéneres proteicos. Se revisarán: Sitio activo o
catalítico
Número de recambio
Especificidad
Regulación
Las enzimas tienen diversas propiedades dependiendo de su configuración,
conformación e interacción con otras moléculas.
Bioquímica, 4° ed. Lubert Stryer. Reverté ed., 2001.
Enzimas
Propiedades
El sitio activo de la enzima es la región conformacional de la misma que está directamente involucrada en la reacción
que se cataliza.
A su vez, tiene varias propiedades que se revisarán posteriormente.
Explicación de la conformación del sitio
activo y su participación en la catálisis de la reacción
Bioquímica, 4° ed. Lubert Stryer. Reverté ed., 2001.
Enzimas
Propiedades
El número de recambio es la
cantidad de sustrato (en moles) que una
cantidad de enzima (también en moles)
convierte en producto por unidad de tiempo
(en minutos).
Por ejemplo, la anhidrasa carbónica puede catalizar
la hidratación de 105 moléculas de CO2 a HCO3-
1 en un segundo.
Anhidrasa carbónica humana
Bioquímica Fundamental 4° ed. Conn, Stumpf, Bruening. Limusa-Wiley, 2001.
Enzimas
Propiedades
Especificidad significa que una enzima sólo
puede reconocer a un, y sólo a un, sustrato.
A veces, debido a que una molécula se parece mucho
a un sustrato, la enzima los puede “confundir”,
pero no puede catalizar su conversión a producto.
La especificidad es producto de la necesaria complementariedad conformacional que debe
existir entre el sitio activo y el sustrato.
Bioquímica Fundamental 4° ed. Conn, Stumpf, Bruening. Limusa-Wiley, 2001.
Enzimas
Finalmente, es necesario que las enzimas estén
reguladas, ya que pueden agotar sus sustratos o producir demasiado
producto. Hay varios tipos de regulación: Alostérica
Por catabolitos (asa de retroalimentación)
Inhibidores
Estadios inactivados
Factores externos
Dominios de la glucógeno fosforilasa
Propiedades
Bioquímica Fundamental 4° ed. Conn, Stumpf, Bruening. Limusa-Wiley, 2001.
Enzimas
Modo de acción
Para que una reacción química tenga lugar, los
reactivos deben de alcanzar un estado de
energía, de modo que se puedan activar y transformarse en
productos.
A esta energía se le conoce como energía de
activación.
Termodinámica de la reacción de
desplazamiento del bromuro de etilo y oxhidrilo
a etanol y bromuro.
Biochemistry, 3° ed. Matthews, van Holde. McGrawHill, 2004
Enzimas
Modo de acción
Cuando es necesario agregar energía a los sustratos (calor, por
ejemplo), y por lo tanto los productos tienen más
energía que los sustratos, se dice que la reacción es
exergónica.
Cuando durante la reacción, los sustratos
liberan energía al transformarse en
productos, la reacción se conoce como
endergónica.
La combustión del magnesio es una reacción exergónica porque se libera energía en forma
de luz durante la reacción.
“Reacción química." Microsoft® Encarta® 2006 [DVD]. Microsoft Corporation, 2005.
Enzimas
Modo de acción
La energía de activación es un paso limitante en la
velocidad de las reacciones.
Las enzimas aceleran las reacciones al disminuir la
energía de activación necesaria para llevar a
cabo la reacción.
Esto no quiere decir que los sustratos pierden o ganan energía, sólo se necesita menos para realizar su
transformación.Biochemistry, 3° ed. Matthews, van Holde. McGrawHill, 2004
Enzimas
Modo de acción
Como se mencionó, el sitio activo es la región de la enzima
donde se lleva a cabo la catálisis. Para tal efecto
tiene varias características, que se mencionan en el
cuadro naranja.
1. Es una porción muy pequeña de la enzima.
2. Es tridimensional.
3. Los sustratos se unen al sitio activo mediante fuerzas débiles.
4. Son hoyos o hendiduras.
5. Hay estereoespecificidad entre el sitio activo y su sustrato.
a) Modelo de llave-cerradura.
b) Modelo de ajuste inducido.
6. Las cadenas laterales de los aminoácidos y otros cofactores del sitio activo son los responsable de la catálisis y participan formando intermediarios de manera covalente.
Bioquímica, 4° ed. Lubert Stryer. Reverté ed., 2001.
Enzimas
Modo de acción
Modelo de ajuste inducido
Modelo de llave-cerradura
Bioquímica, 4° ed. Lubert Stryer. Reverté ed., 2001.
Enzimas
Modo de acción
Sitio activo de la ribulosa 1,5 difosfato
carboxilasa-oxigenasa, con su sustrato, la
ribulosa 1, 5 difosfato
Bioquímica, 4° ed. Lubert Stryer. Reverté ed., 2001.
Enzimas
Modo de acción
Sin embargo, la realidad es mejor que los
modelos. Enzima que actúa según el modelo de ajuste inducido. En
rojo, las cadenas laterales que participan en la catálisis (junto con el zinc), y en amarillo, el
sustrato.
Bioquímica, 4° ed. Lubert Stryer. Reverté ed., 2001.
Enzimas
Factores moduladores
Las células suelen tener bajo un fino control la
actividad de las enzimas. Además de los mecanismos discutidos, existen toda una serie
de factores componentes de las
reacciones que modifican la velocidad
de catálisis de las enzimas.
Como parte de las reacciones, muchos factores que participan directamente en ellas afectan la
velocidad con que funcionan las enzimas
Biología Celular y Molecular, 1° ed. Gerald Karp. McGrawHill Interamericana, 1998.
Enzimas
Factores moduladores
Un factor importante es la cantidad de enzima
presente en la reacción. A mayor cantidad, mayor
cantidad de sitios activos para cada sustrato, y más
rápidamente se lleva a cabo la reacción.
Con la ingesta de alcohol, la cantidad de alcohol
deshidrogenasa del hígado aumenta para eliminar esta
toxina.
Entre más obreros haya en una fábrica, más fácil podrá ser cubrir la demanda del mercado.
Biología Celular y Molecular, 1° ed. Gerald Karp. McGrawHill Interamericana, 1998.
Enzimas
Factores moduladores
La cantidad de sustrato también es un factor determinante. A una
cantidad constante de enzima, entre más sustrato haya, menos sitios activos habrá para cada sustrato, y las enzimas se “saturarán”,
hasta que no puedan ir más rápido de un límite.Si una sola contadora tratara de auditar a todas
las empresas en México, iría mucho más lento que si tuviese ayuda, pues tiene una velocidad máxima
de auditoria.
Biología Celular y Molecular, 1° ed. Gerald Karp. McGrawHill Interamericana, 1998.
Enzimas
Gráfica de cinética de saturación
Alcohol deshidrogenasa
Factores moduladores
Bioquímica, 4° ed. Lubert Stryer. Reverté ed., 2001.
Enzimas
Asimismo, las enzimas por su naturaleza proteica están fuertemente influenciadas
por la temperatura y el pH, de modo que sólo pueden trabajar en rangos muy
específicos de estos dos.
La pepsina, un enzima hidrolítica del estómago, sólo trabaja a pH’s
bajos, mientras que la DNA polimerasa de Thermus aquatica
sólo trabaja a más de 70° C.
La mayoría de las enzimas trabajan en rangos muy estrechos de pH, como se muestra en la
gráfica.
Factores moduladores
Biología Celular y Molecular, 1° ed. Gerald Karp. McGrawHill Interamericana, 1998.
Enzimas
Inhibidores
Los inhibidores son sustancias que reducen de
manera dramática la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas al
interactuar con ellas, al grado de ser capaces de detener por completo la reacción.
Hay dos tipos: reversible e irreversible.
Muchos venenos metabólicos y medicamentos llevan a cabo sus acciones al inhibir de alguna
manera enzimas.
Biochemistry, 3° ed. Matthews, van Holde. McGrawHill, 2004
Enzimas
Los inhibidores irreversibles son aquellos que se unen
covalentemente a la enzima en alguna región que bloquea o
interfiere por completo con su actividad catalítica. La velocidad
de la reacción no aumenta al aumentar la cantidad de
sustrato, porque la enzima no tiene actividad.
Un ejemplo notable es el cianuro, que se une a los grupos hem de los citocromos, bloqueando de manera
permanente su actividad.
Citocromo c oxidasa
Inhibidores
Biología Celular y Molecular, 1° ed. Gerald Karp. McGrawHill Interamericana, 1998.
Enzimas
Los inhibidores reversibles son de dos tipos: competitivos,
no competitivos y acompetitivos. No se unen de manera covalente a la enzima,
pero si interfieren con su actividad. Cuando se aumenta la cantidad de sustrato, aumenta
la velocidad de la reacción.
Los competitivos son compuestos que se parecen
mucho al sustrato, y compiten con este por el sitio activo.
Inhibidores
La succinato deshidrogenasa es inhibida competitivamente por el malato. Su función es la catálisis de succinato a fumarato, sin embargo, el malato la inhibe por tener una semejanza con el
sustrato original.
Bioquímica Fundamental 4° ed. Conn, Stumpf, Bruening. Limusa-Wiley, 2001.
Enzimas
Inhibidores
Los inhibidores no competitivos no compiten por el sitio activo, sino que se unen a este cuando la enzima se ha unido a su
sustrato (formando el complejo enzima-sustrato-inhibidor –ESI-) o cuando la enzima está libre (formado
el complejo EI).
Los inhibidores acompetitivos sólo logran inhibir a la enzima cuando
ésta ha formado el complejo ES, pero no
cuando está libre; es decir, no forman complejo EI
Bioquímica Fundamental 4° ed. Conn, Stumpf, Bruening. Limusa-Wiley, 2001.
Enzimas
Modelos de inhibición enzimática reversible.
Inhibidores
Bioquímica Fundamental 4° ed. Conn, Stumpf, Bruening. Limusa-Wiley, 2001.
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