METABOLISMO CELULAR:

ENZIMAS

Concepto de metabolismo

• El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que se producen en el interior de las células y que conducen a la transformación de unas biomoléculas en otras.

• Las distintas reacciones químicas del metabolismo se denominan vías metabólicas y las moléculas que intervienen se llaman metabolitos.

• Todas las reacciones del metabolismo están reguladas por enzimas, que son específicas para cada metabolito inicial o sustrato y para cada tipo de transformación.

• Las sustancias finales de una vía metabólica se denominan productos.

• Las conexiones existentes entre diferentes vías metabólicas reciben el nombre de metabolismo intermediario.

Se pueden considerar tres fases en el metabolismo:

Catabolismo: Transformación de moléculas orgánicas complejas en otras más sencillas, con liberación de energía que se almacena en ATP.

Anabolismo: Síntesis de moléculas orgánicas complejas a partir de otras más sencillas. Se necesita suministrar energía, en forma de ATP

Anfibolismo: (una fase intermedia). Procesos en los que se almacena gran cantidad de energía (para los posteriores procesos anabólicos)

• Las enzimas son los catalizadores de las reacciones biológicas.

• Actúan rebajando la energía de activación, y por tanto acelerando la velocidad de la reacción, la cual se puede medir por la cantidad de producto que se forma por unidad de tiempo.

• Exceptuando las ribozimas, son proteínas globulares, solubles en agua, que se difunden bien en los líquidos orgánicos, y que pueden actuar a nivel intracelular, es decir, en el interior de la célula donde se han formado, o a nivel extracelular, en la zona donde se segregan, como sucede con las enzimas digestivas.

• Las ribozimas son unos ARN capaces de catalizar a otros ARN, quitándoles o añadiéndoles nucleótidos, sin consumirse ellos mismos.

• Se considera que en la primera materia viva la función catalítica la realizaba el ARN, luego aparecieron las proteínas, en las que se delegó la función enzimática, y los ADN, en los que se delegó, por su mayor estabilidad, la función de almacenar la información.

Enzimas

Holoenzima = Apoenzima + Cofactor (proteína) (no proteína)

Ión Metálico Molécula orgánica (Mg, Mn, Fe, Cu…) (Coenzima)

Además, a diferencia de los catalizadores no biológicos, las enzimas presentan estas características:• Son muy específicas. Pueden actuar en una reacción determinada sin

alterar otras.• Actúan siempre a temperatura ambiente, la temperatura del ser vivo.• Son muy activas. Algunas consiguen aumentar la velocidad de

reacción mas de un millón de veces, muy superior a los catalizadores no biológicos.

• Presentan un peso molecular muy elevado.• Dada su naturaleza proteica, su síntesis implica una codificación

genética.

Las enzimas cumplen las dos características de todos los catalizadores:

• Incluso en cantidades muy pequeñas, aceleran la reacción. No se obtiene más producto, sino la misma cantidad en menos tiempo.

• No se consumen durante la reacción biológica.

Diferencias entre catalizadores biológicos y químicos

BIOLÓGICOS QUÍMICOSSon específicos para una determinada reacción química o para un grupo de reacciones químicas a para un sustrato o grupo de sustratos.

Aceleran cualquier reacción inespecíficamente.

Son proteínas (aunque hay ARN –Ribozimas- con función enzimática).

Son sustancias simples finamente divididas.

Son saturables No son saturables.

Son altamente eficaces (son eficaces en bajas concentraciones).

Son medianamente eficaces.

Puede ser regulada su actividad catalítica.

No pueden ser regulados.

Son termolábiles y su actividad puede variar también de acuerdo al pH del medio.

No son termolábiles ni se alteran con cambios de pH.

1. La enzima (E) actúa fijando al sustrato en su superficie (adsorción) mediante enlaces débiles

2. Se forma el complejo enzíma-sustrato (ES). Se generan tensiones que debilitan los enlaces del sustrato, por lo que para llegar al estado de transición del complejo enzima-sustrato, (complejo activado) se requiere mucha menos energía que para llegar al estado de transición del sustrato solo.

3. Se liberan la enzima intacta (E) y el producto (P)

La reacción enzimática

El centro activo de los enzimas

• La actividad enzimática se inicia con la formación del complejo ES.

• Esta unión se realiza gracias a los radicales de algunos pocos aminoácidos que establecen enlaces con el sustrato (y con el grupo prostético si lo hay), fijándolo y luego rompiendo alguno de sus enlaces.

• La región de la enzima que se une al sustrato recibe el nombre de centro activo.

Características del centro activo

• Es una parte muy pequeña del volumen total de la enzima.

• Tienen una estructura tridimensional en forma de hueco que facilita encajar al sustrato.

• Están formados por aminoácidos lejanos en la secuencia polipeptídica, que debido a los repliegues de ésta, quedan próximos.

• Los radicales de estos aminoácidos presentan afinidad por el sustrato, lo atraen y establecen enlaces débiles con él.

• Esto facilita que, una vez roto alguno de sus enlaces, los productos resultantes se puedan separar con facilidad del centro activo.

ENZIMASMECANISMO DE ACCIÓN II

Teoría de la “llave-cerradura” de Fischer - Los salientes y entrantes del centro activo y del sustrato encajarían exactamente

Teoría de “acoplamiento inducido” de Koshland- El centro activo sufre ligeros cambios para adaptarse al sustrato mientras dura el complejo ES

Concentración de sustrato (concentración de enzima fija)

Vel

ocid

ad d

e la

rea

cció

n

Después de que se alcanza esta velocidad, un aumento en la concentración del sustrato no tiene efecto en la velocidad de la reacción. (todos los

enzimas están ocupados)

A medida que aumenta la concentración de sustrato, aumenta la velocidad de reacción

(mientras queden enzimas libres).

Concentración de enzima (concentración de sustrato fija)

Vel

ocid

ad d

e la

rea

cció

n

Después de que se alcanza esta velocidad, un aumento en la concentración del enzima no tiene

efecto en la velocidad de la reacción. (no hay más sustrato que procesar)

A medida que aumenta la concentración de enzima, aumenta la velocidad de reacción (mientras queden sustrato sin reaccionar).

Factores que afectan la actividad enzimática

Concentración del sustrato

A mayor concentración del sustrato, a una concentración fija de la enzima se obtiene la velocidad máxima. Después de que se alcanza esta velocidad, un aumento en la concentración del sustrato no tiene efecto en la velocidad de la reacción.

Concentración de la enzima

Siempre y cuando haya sustrato disponible, un aumento en la concentración de la enzima aumenta la velocidad enzimática hacia cierto límite.

Influencia del pH. • Las enzimas presentan dos valores límite de pH entre los cuales son

eficaces; traspasados estos valores, las enzimas se desnaturalizan y dejan de actuar.

• Entre los dos límites existe un pH óptimo en el que la enzima presenta su máxima eficacia.

Factores que afectan la actividad enzimática

• El pH óptimo está condicionado por el tipo de enzima y de sustrato, debido a que el pH influye en el grado de ionización de los radicales del centro activo de la enzima y también de los radicales del sustrato.

• Las variaciones de pH provocan cambios en las cargas eléctricas, alterando la estructura terciaria del enzima y por tanto, su actividad.

Influencia de la temperatura.

• Si a una reacción enzimática se le suministra energía calorífica, las moléculas aumentan su movilidad y el número de encuentros moleculares, por lo que aumenta la velocidad en que se forma el producto.

• Existe una temperatura óptima para la cual la actividad enzimática es máxima.

Factores que afectan la actividad enzimática

• Si la temperatura aumenta, se dificulta la unión enzima-sustrato y a partir de cierta temperatura la enzima se desnaturaliza, pierde su estructura terciaria y cuaternaria si la tiene y, por tanto, pierde su actividad enzimática.

Inhibidores.

• Los inhibidores son sustancias que disminuyen la actividad de una enzima o bien impiden completamente la actuación de la misma.

• Pueden ser perjudiciales o beneficiosos como, por ejemplo, la penicilina, que es un inhibidor de las enzimas que regulan la síntesis de la pared bacteriana, por lo que es útil contra las infecciones bacterianas, y el AZT, que es un inhibidor de la transcriptasa inversa, por lo que retrasa el desarrollo del SIDA.

Factores que afectan la actividad enzimática

1. NOMENCLATURA ANTIGUA: SUFIJO -asa

• Nombre de la fuente u origen del enzima: Pancreasa

• Nombre del sustrato: Proteasa

• Tipo de reacción catalizada: Hidrolasa

2. NOMENCLATURA ACTUAL:

Enzyme Commission [E.C.] de la IUBMB

• Clasificación de enzimas (6 clases)

• Asignación de código E.C.: 1.1.1.1

• Nombre sistemático:

Sustrato:Cosustrato Tipo de Reacción -asa

Etanol:NAD+ Oxidorreductasa

Nomenclatura de los Enzimas

CLASE TIPO DE REACCION CATALIZADA

1. OXIDO-REDUCTASAS Transferencia de electrones20 subclases Sred + S’ox Sox + S’red

2. TRANSFERASAS Transferencia de grupos 9 subclases S-grupo + S’ S’-grupo + S

3. HIDROLASAS Rotura hidrolítica de enlaces11 subclases A-B + H2O A-H + B-OH

4. LIASAS Rotura de enlaces A-B A+B7 subclases Salida de grupos CX-CY C=C + X-Y

Adición a dobles enlaces C=C + XY CX-CY

5. ISOMERASAS Cambios internos6 subclases Transferencias internas de grupos

6. LIGASAS Formación de enlaces mediante reacciones de 5 subclases condensación con gasto de energía (ATP)

Clasificación de los Enzimas

International Union of Biochemistry and Molecular Biology [IUBMB]

La inhibición puede ser de dos tipos: irreversible y reversible.

1. La inhibición irreversible. Los inhibidores irreversibles son los que se combinan o destruyen un sitio esencial para la actividad de la enzima.

2. La inhibición reversible tiene lugar cuando no se inutiliza el centro activo, sino que sólo se impide temporalmente su normal funcionamiento. Existen tres modalidades:

a) Competitiva b) No competitivac) Acompetitiva

Inhibición enzimática

Inhibidores enzimáticos

Reversibles

Competitivos Conformación similar al sustrato

No competitivosSe unen a un sitio distinto

al centro activo

(alosterismo)

Acompetitivos Se unen al complejo ES

Irreversibles Venenos

Inhibición enzimática

• La inhibición reversible competitiva se debe a la presencia de un inhibidor cuya molécula es similar al sustrato por lo que compite con este en la fijación al centro activo del enzima.

• Si se fija el inhibidor, la enzima queda bloqueada.

• La velocidad de la reacción disminuye en función de la concentración del inhibidor.

• La inhibición reversible no competitiva es cuando un determinado producto se une a un lugar del enzima distinto del centro activo, cambiando la forma del enzima e impidiendo la unión del sustrato

Las enzimas alostéricas son aquellas que pueden adoptar dos formas estables diferentes (activa e inactiva).

Estas enzimas, además del centro activo, tienen al menos otro lugar, denominado centro regulador, al que se puede unir una determinada sustancia, denominada ligando.

Los ligandos pueden ser activadores o inhibidores.

Enzimas alostéricas

Los inhibidores alostéricos se unen a una zona de la enzima y cambian la configuración del centro activo de tal manera que impiden que el sustrato se pueda unir a él.

sustrato

inhibidor

Enzima inactiva

Enzima activa

Inhibición alostérica.

Sin inhibidor

con inhibidor

El alosterismo permite la autorregulación de la actividad enzimática. Hay dos casos:

1. Regulación por retroinhibición o inhibición feed-back. Se da en enzimas cuya conformación inicial es la activa. Se produce cuando el producto final es el que al fijarse al centro regulador actúa como inhibidor, provocando la transición alostérica a la forma inactiva de la enzima.

2. Regulación por inducción enzimática. Se da en enzimas cuya conformación inicial es la inactiva. Se produce cuando alguna sustancia inicial es la que al fijarse sobre el centro regulador provoca la transición alostérica a la forma activa de la enzima, por lo que ésta empieza a actuar sobre el sustrato

Las enzimas alostéricas suelen estar formadas por varias subunidades moleculares denominadas protómeros.

Cada protómero posee un centro activo y al menos un centro regulador. En muchas enzimas, cuando al centro regulador se une una molécula denominada activador o ligando, la conformación del protómero varía, haciendo funcional al centro activo.

La variación en la conformación de este protómero se transmite instantáneamente a los otros protómeros asociados haciéndolos a su vez activos, efecto que se denomina transmisión alostérica.

De esta forma la enzima pasa de estado inhibido a un estado activo o catalítico.

Cooperativismo

Como para que una enzima alostérica actué es precisa la unión de uno o más ligandos y luego la del sustrato, la velocidad de reacción en función de la concentración de sustrato no aumenta tan rápidamente como en las enzimas no alostéricas.

En cambio, si esta enzima es una subunidad y su transformación al estado activo se transmite alostéricamente a todas las demás subunidades, son muchas las que súbitamente empiezan a actuar, lo que se denomina cooperativismo, y se produce un cambio de velocidad de reacción muy grande, la llamada «ley del todo o nada».

La representación gráfica de la relación entre la velocidad de reacción y la concentración del sustrato no es una hipérbola, sino una curva sigmoidal o curva en «S»

Enzima sustrato

inhibidorEnzima

regulador

Enzimasustrato

Inhibición competitiva

sustrato

El centro activo está ocupado. El sustrato no puede entrar

El centro activo se modifica por la acción del regulador. El sustrato no puede entrar

Inhibición alostérica

sustratoInhibición

acompetitiva

El sustrato esta modificado, no puede entrar en el centro activo

VitaminasSon moléculas muy variadas que pueden pertenecer a distintos grupos de principios inmediatos. Algunas son indispensables en la dieta, ya que no pueden ser sintetizadas por el organismo (excepto la B5). Otras vitaminas son necesarias para la actuación de determinados enzimas, ya que funcionan como coenzimas que intervienen en distintas rutas metabólicas y , por ello, una deficiencia en una vitamina puede originar importantes defectos metabólicos. Las cantidades necesarias son mínimas (una dieta variada garantiza las necesidades del organismo)

Vitaminas

Defecto

Avitaminosis

Hipovitaminosis

Exceso Hipervitaminosis

Las vitaminas se clasifican según su solubilidad en agua:

1. Vitaminas hidrosolubles. • Actúan como coenzimas o precursores de coenzimas. • Son las del complejo B o la vitamina C

2. Vitaminas liposolubles. • No son solubles en agua y si en disolventes no polares.• Son lípidos insaponificables.• No suelen ser cofactores o precursores. • Son las vitaminas A,D,E y K

VITAMINASFUNCIONES

Enfermedades carenciales

C (ácido ascórbico)

Coenzima de algunas peptidasas. Interviene en la síntesis de colágeno

Escorbuto

B1 (tiamina)Coenzima de las descarboxilasas y de las enzima que transfieren grupos aldehidos

Beriberi

B2 (riboflavina)Constituyente de los coenzimas FAD y FMN

Dermatitis y lesiones en las mucosas

B3 (ácido pantoténico)

Constituyente de la CoAFatiga y trastornos del

sueño

B5 (niacina)Constituyente de las coenzimas NAD y NADP

Pelagra

B6 ( piridoxina)Interviene en las reacciones de transferencia de grupos aminos.

Depresión, anemia

B12 (cobalamina)Coenzima en la transferencia de grupos metilo.

Anemia perniciosa

BiotinaCoenzima de las enzimas que transfieren grupos carboxilo, en metabolismo de aminoácidos.

Fatiga, dermatitis...

A (retinol)Ciclo visual, crecimiento, protección y mantenimiento del tejido epitelial

Ceguera nocturna, xeroftalmia,

desecación epitelial

DMetabolismo del Ca2+, esencial en el crecimiento y mantenimiento de los huesos

Raquitismo, deformidades oseas