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BIOQUIMICA
Diagrama de flujo: Bioquímica: enzimas
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ENZIMAS
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
Las enzimas, que catalizan las reacciones químicas que hacen posible
la vida en la Tierra, participan en la descomposición de los nutrientes
para suministrar energía y componentes químicos, lograr
el ensamblaje de esos bloques en proteínas, DNA, membranas,
células y tejidos, y posibilitar el aprovechamiento de la energía para
potenciar la motilidad celular, la función neuronal y la contracción
muscular.
Además de servir como catalizadores para todos los procesos
metabólicos, la impresionante actividad catalítica, la especificidad
del sustrato y la estereoespecificidad de las enzimas les permiten
cumplir funciones únicas en la salud y el bienestar humanos.
LAS ENZIMAS SON CATALIZADORES
ALTAMENTE ESPECÍFICOS
Y EFECTIVOS
Las enzimas pueden
sufrir modificación transitoria durante la catálisis, pero no se consumen
ni se alteran permanentemente. Además de ser muy eficientes,
las enzimas también son en extremo selectivas
A diferencia de
la mayoría de los catalizadores utilizados en la química sintética,
las enzimas son específicas no sólo para el tipo de reacción catalizada,
sino también para un único sustrato o un pequeño conjunto
de sustratos muy relacionados.
La mayoría de las enzimas son catalizadores
estereoespecíficos que típicamente actúan sobre un solo
estereoisómero de un compuesto dado
LAS ENZIMAS ESTÁN CLASIFICADAS
POR TIPO DE REACCIÓN
la Unión Internacional de Bioquímica desarrolló un sistema de nomenclatura
enzimática en el que cada enzima tiene un nombre único y
un número de código que identifica el tipo de reacción catalizada
y los sustratos involucrados. Las enzimas se agrupan en las siguientes
seis clases:
Oxidorreductasas: enzimas que catalizan oxidaciones y reducciones.
Transferasas: enzimas que catalizan la transferencia de restos,
tales como grupos glucosilo, metilo o fosforilo.
Hidrolasas: enzimas que catalizan la escisión hidrolítica de
C—C, C—O, C—N y otros enlaces covalentes.
Liasas: enzimas que catalizan la escisión de C—C, C—O, C—N
y otros enlaces covalentes por eliminación de átomos, generando
dobles enlaces
Isomerasas: enzimas que catalizan cambios geométricos o estructurales
dentro de una molécula.
Ligasas: enzimas que catalizan la unión (ligadura) de dos moléculas
en reacciones acopladas a la hidrólisis del ATP.
GRUPOS PROSTÉTICOS,
COFACTORES Y COENZIMAS
JUEGAN IMPORTANTES FUNCIONES
EN LA CATÁLISIS
Grupos prostéticos: Los grupos prostéticos se incorporan de manera firme y estable
en la estructura de una proteína mediante fuerzas covalentes o no
covalentes.
Cofactores asociados
reversiblemente con enzimas
o sustratos: Cofactores asociados
reversiblemente con enzimas
o sustratos
Muchas coenzimas, cofactores
y grupos prostéticos son derivados
de las vitaminas B
Las vitaminas B solubles en agua suministran componentes importantes
de numerosas coenzimas.
Las coenzimas sirven como transbordadores
de sustrato: Las coenzimas sirven como medios reciclables que transportan
muchos sustratos desde un punto dentro de la célula a otro.
LAS ENZIMAS EMPLEAN MÚLTIPLES
MECANISMOS PARA FACILITAR
LA CATÁLISIS
Catálisis por proximidad: Para que las moléculas interactúen, deben estar dentro de la distancia
de formación de enlaces entre sí. Cuanto mayor sea su
concentración, más frecuentemente se encontrarán entre sí, y
mayor será la velocidad a la que reaccionan.
Catálisis ácido-base: La catálisis específica de
ácido o base se refiere a reacciones para las cuales los únicos ácidos
o bases que participan son protones o iones de hidróxido.
Catálisis por tensión: Para la catálisis de las reacciones líticas, que implica romper un
enlace covalente, las enzimas normalmente se unen a sus sustratos
en una conformación que debilita el enlace dirigido a la escisión a
través de la distorsión física y la polarización electrónica.
Catálisis covalente:El proceso de catálisis covalente implica la formación de un enlace
covalente entre la enzima y uno o más sustratos. La enzima modificada
se convierte así en un reactivo.
LA ACTIVIDAD CATALÍTICA
DE LAS ENZIMAS FACILITA
SU DETECCIÓN
Las cantidades relativamente pequeñas de enzimas contenidas típicamente
en las células dificultan la determinación de su presencia
y abundancia.
Enzimología de una sola molécula:
La sensibilidad limitada de los ensayos enzimáticos tradicionales
requiere el uso de un grupo grande, o conjunto, de moléculas de
enzimas con el fin de producir cantidades medibles de producto.
El descubrimiento de fármacos requiere
ensayos enzimáticos adecuados para
el cribado de alto rendimiento
Las enzimas son objetivos frecuentes para el desarrollo de fármacos
y otros agentes terapéuticos. Éstos generalmente toman la forma
de inhibidores de enzimas
LAS ENZIMAS FACILITAN EL
DIAGNÓSTICO DE ENFERMEDADES
GENÉTICAS E INFECCIOSAS
Muchas técnicas de diagnóstico aprovechan la especificidad y la
eficacia de las enzimas que actúan sobre los oligonucleótidos, como
el DNA.
IMPORTANCIA BIOMÉDICA
Se requiere un conjunto completo y equilibrado de actividades enzimáticas
para mantener la homeostasis.
LAS REACCIONES QUÍMICAS
SON DESCRITAS UTILIZANDO
ECUACIONES EQUILIBRADAS
Una ecuación química equilibrada enumera las especies químicas
iniciales (sustratos) presentes y las nuevas especies químicas (productos)
formadas para una reacción química particular, todo en sus
respectivas proporciones o estequiometría.
A + B → P + Q
A + B ⇄ P + Q
Las flechas dobles indican reversibilidad, una propiedad intrínseca
de todas las reacciones químicas. Por tanto, para la reacción
(1), si A y B pueden formar P y Q, entonces P y Q también pueden
formar A y B. La designación de un reactante particular como un
“sustrato” o “producto” es, por tanto, un poco arbitraria ya que
los productos para una reacción escritos en una dirección son los
sustratos para la reacción inversa.
Las flechas unidireccionales también se usan para describir reacciones
en células vivas donde los productos de la reacción (2)son
inmediatamente consumidos por una reacción posterior catalizada
por enzimas o rápidamente escapan de la célula, por ejemplo, CO2.
La eliminación rápida del producto P o Q, por tanto, impide de
manera efectiva la aparición de la reacción inversa, haciendo que la
ecuación (2) sea funcionalmente irreversible bajo condiciones
fisiológicas.
LOS CAMBIOS EN LA
ENERGÍA LIBRE DETERMINAN
LA DIRECCIÓN Y EL ESTADO
DE EQUILIBRIO DE LAS
REACCIONES QUÍMICAS
El cambio de energía libre de Gibbs ΔG (también llamado energía
libre o energía de Gibbs) describe en forma cuantitativa tanto la
dirección en la cual una reacción química tenderá a proceder como
las concentraciones de reactantes y productos que estarán presentes
en equilibrio.
La ecuación (3) ilustra la relación entre el equilibrio Keq constante
y ΔG0:
ΔG0 = –RT ln Keq
NUMEROSOS FACTORES
AFECTAN LA VELOCIDAD
DE REACCIÓN
Temperatura
Elevar la temperatura ambiente aumenta la energía cinética de las
moléculas.Aumentar la
energía cinética de las moléculas también aumenta su rapidez
de movimiento, y por tanto la frecuencia con la cual colisionan.
Concentración del reactante
La frecuencia con la que colisionan las moléculas es directamente
proporcional a sus concentraciones.
MÚLTIPLES FACTORES AFECTAN LAS
VELOCIDADES DE LAS REACCIONES
CATALIZADAS POR ENZIMAS
Temperatura:
Incrementar la temperatura aumenta la velocidad tanto de las reacciones
catalizadas por enzimas como de las no catalizadas, al acrecentar
la energía cinética y la frecuencia de colisión de las moléculas
que reaccionan.
Concentración de iones de hidrógeno: La velocidad de casi todas las reacciones catalizadas por enzimas
exhibe una dependencia significativa de la concentración de iones
de hidrógeno. La mayoría de las enzimas intracelulares exhiben
una actividad óptima en los valores de pH entre 5 y 9.
LOS ANÁLISIS DE LAS REACCIONES
CATALIZADAS POR ENZIMAS
MIDEN TÍPICAMENTE
LA VELOCIDAD INICIAL
La mayoría de las mediciones de las velocidades de las reacciones
catalizadas por enzimas emplean periodos relativamente cortos,
condiciones que se consideran aproximadas a las condiciones de la
velocidad inicial
LA CONCENTRACIÓN
DEL SUSTRATO AFECTA
LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
bajo condiciones de pseudoprimer orden el comportamiento
de una enzima multisustrato imitará a uno que tiene un
sustrato único.
LAS ECUACIONES DE
MICHAELIS-MENTEN Y HILL
MODELAN LOS EFECTOS DE LA
CONCENTRACIÓN DEL SUSTRATO
La ecuación de Michaelis-Menten ilustra en términos
matemáticos la relación entre la velocidad de reacción inicial vi y la
concentración de sustrato [S],
ECUACION 29
La constante de Michaelis Km es la concentración de sustrato
en la cual vi es la mitad de la velocidad máxima (Vmáx/2) alcanzable
a una concentración particular de la enzima.
La dependencia de la
velocidad de reacción inicial en [S] y Km puede ilustrarse mediante
la evaluación de la ecuación de Michaelis-Menten bajo tres condiciones.
1. Cuando [S] es mucho menor que Km, el término Km + [S] es esencialmente igual a Km.
Reemplazando Km + [S] con Km reduce la ecuación
ECUACION 30
2. Cuando [S] es mucho mayor que Km, el término Km + [S] es en esencia igual a [S].
ECUACION 31
3. Cuando [S] = Km
ECUACIÓN 32
El ANÁLISIS CINÉTICO DISTINGUE
LA INHIBICIÓN COMPETITIVA
DE LA NO COMPETITIVA
Los inhibidores de las actividades catalíticas de las enzimas proporcionan
tanto agentes farmacológicos como herramientas de investigación
para el estudio del mecanismo de acción enzimática
Los inhibidores competitivos típicamente
se asemejan a los sustratos
Los efectos de los inhibidores competitivos se pueden superar elevando
la concentración de sustrato.Más frecuentemente, en la inhibición
competitiva, el inhibidor se une a la porción de unión
al sustrato del sitio activo bloqueando así el acceso del sustrato
Los diagramas dobles recíprocos
facilitan la evaluación
de los inhibidores
Los diagramas dobles recíprocos se usan típicamente para distinguir
entre inhibidores competitivos y no competitivos y para simplificar
la evaluación de las constantes de inhibición.
Los inhibidores no competitivos
simples disminuyen Vmáx
pero no afectan Km
En estricta inhibición no competitiva, la unión del inhibidor no
afecta la unión del sustrato. La formación tanto de EI como de los
complejos de sustrato inhibidor de enzima (EIS, enzyme inhibitor
substrate) es, por tanto, posible.
LA MAYORÍA DE LAS REACCIONES
CATALIZADAS POR ENZIMAS
INVOLUCRAN DOS O MÁS
SUSTRATOS
Si bien varias enzimas tienen un solo sustrato, muchas otras tienen
dos y a veces más sustratos y productos.
Reacciones de desplazamiento secuencial
o simple: En las reacciones secuenciales, ambos sustratos deben combinarse
con la enzima para formar un complejo ternario antes de que la
catálisis pueda proceder
Reacciones de ping-pong: Las reacciones de ping-pong implican
catálisis covalente y una forma transitoria y modificada de
la enzima. Las reacciones de ping-pong Bi-Bi a
menudo son referidas como reacciones de doble desplazamiento
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- Ingeniería Flowchart on BIOQUIMICA, created by LINA MARCELA SANTIAGO ACU�A on 12/12/2021.
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- LINA MARCELA SANTIAGO ACU�A
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