enzimas
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ENZIMAS
1. DEFINICION:
Las enzimas son proteínas complejas que producen un cambio
químico específico en otras sustancias, sin que exista un cambio en
ellas mismas. Por ejemplo, las enzimas pueden convertir los
almidones, las proteínas y los azúcares en sustancias que el cuerpo
pueda utilizar. La coagulación de la sangre es otro ejemplo del trabajo
de las enzimas.
En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas moléculas
denominadas sustratos, las cuales se convierten en moléculas
diferentes denominadas productos. Casi todos los procesos en las
células necesitan enzimas para que ocurran a unas tasas
significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las
denomina reacciones enzimáticas.
Las enzimas son esenciales para todas las funciones corporales y se
encuentran en la boca (saliva), el estómago (jugo gástrico), los
intestinos (jugo pancreático, jugo y mucosa intestinal), la sangre y en
cada órgano y célula del cuerpo.
2. PARTES DEL SISTEMA ENZIMÁTICO:
1. Sustrato; cualquier compuesto químico.
Sustancia, compuesto químico que sufre la reacción
química.
Aquellas sustancias en las que actúa la enzima.
Cualquier origen químico.
2. La enzima ; siempre actúa sobre un sustrato para
producir una catálisis y su resultado es un producto.
3. Coenzimas; provienen de las vitaminas (forma activa de
las vitaminas), tienen peso molecular bajo. Biomoleculas
no proteicas que favorece y/o potencial izan la acción de
una enzima.
4. Sustancias activadoras : temperatura, electrolitos y pH.
3. NOMENCLATURA :
3.1. HISTORIA:
Cien años atrás solo se conocían enzimas, muchas de estas,
catalizaban la hidrólisis de enlaces covalentes. Algunas enzimas, de
manera especial las que fueron descubiertas en un principio,
recibieron nombres ligados a su sitio de procedencia anatómica que
no siguen ninguna regla ni sistema; tal es el caso de la:
« Ptialina de la saliva: ataca al almidón de la pepsina del
estómago
« Tripsina del páncreas: atacan proteínas
« Renina: que coagula la leche
« Papaina, enzima proteolítica que se encuentra en la papaya.
« Proteasas: se encuentran en las células.
Las enzimas relacionadas con la cuagulación de la sangre, como
son la trombina, la plasmina, el plasminógeno, etc. reciben también
nombres sistematizados.
Al descrubir nuevas enzimas y proceder a su caracterización
estricta se aplicaron reglas de nomenclatura basadas en el nombre
del sustrato atacado, o en el tipo general de sustrato, o en la reacción
catalizada y se ha añadido convencionalmente, la terminación -asa.
Por ejemplo:
« Las lipasas (hidrolizan lípidos o grasas)
« Las amilasas (hidrolizan almidón)
« Las proteasas (hidrolizan proteínas)
« Las esterasas (basado en la unión general de tipo éster
presentes en muchas sustancias) Colesterol estrerasa (si la
esterasa es específica de los esteres de colesterol) y
acetilcolina esterasa (si la esterasa de la acetilcolina).
Otros ejemplos:
« Las fosfatasas son enzimas que atacan las uniones éster, pero
en este caso, toman su nombre del grupo vecino a la unión que
van a atacar, de manera que se denominan fosfatasas (cuando
quitan una molécula de monofosfato), pirofosfatasas (cuando
quitan el ácido fosfórico como esteres dobles (pirofosfatos), o
triples, etc.)
« Las carbohidrasas se denominan así genéricamente, pero
pueden comprender enzimas con nombres proveniente del
sustrato particular sobre el que actúan como la amilasa que
ataca al almidón y la celulasa que actúa sobre la celulosa y, en
otras ocasiones, se denominan de acuerdo con la unión
atacada, como la b -glucosidasa que actúa sobre las uniones b -
glucosídicas.
Los ejemplos se pueden extender a todos los terrenos de la actividad
enzimática, como en las enzimas proteolíticas, las fosforilasas, las
nucleasas, etc.
Esta manera de llamarlas, se demostró que era inadecuada porque al
descubrirse varias enzimas, notaron que varias enzimas catalizaban
reacciones diferentes del mismo sustrato, por ejemplo, oxidación o
reducción de la función alcohol de un azúcar.
Aunque el sufijo –asa continúa en uso; actualmente, al nombrar a las
enzimas, se enfatiza el tipo de reacción catalizada. Por ejemplo: las
hidrogenasas catalizan la eliminación de hidrogeno y las transferasas,
reacciones de transferencia de grupo. Con el descubrimiento de mas
y mas enzimas, surgieron ambigüedades y con frecuencia no estaba
claro cual era la enzima que un investigador deseaba estudiar.
Para remediar esta deficiencia, la Comisión para el estudio de las
enzimas, que constituye con respecto a los sistemas anteriores un
punto de vista más uniforme, preciso y descriptivo; esta formada por
la Unión Internacional de Bioquímica (IUB) adoptó, en 1964, un
sistema complejo pero inequívoco de la nomeclatura enzimática
basado en el mecanismo de reacción.
El sistema se basa en la reacción química catalizada que es la
propiedad específica que caracteriza a cada enzima las cuales se
agrupan en clases, porque catalizan procesos semejantes, y en
subclases que especifican con mayor exactitud la reacción particular
considerada.
En general, las enzimas reciben un nombre de acuerdo con el
sustrato o los sustratos que participan en la reacción seguido por el
tipo de reacción catalizada y, por fin, la terminación -asa. A menudo
los nombres así obtenidos resultan largos y complejos, por lo que es
muy difícil que en la práctica se pueda excluir el uso de los nombres
triviales, consagrados por la costumbre.
Sin embargo, con fines de sistematización, se reconoce la necesidad
de aceptar el nuevo sistema.
Aunque su claridad y carencia de ambigüedad recomiendan al
sistema de nomeclatura IUB para trabajos de investigación, nombres
más ambiguos, pero bastante más cortos persisten en libros de texto
y en el laboratorio clínico. Por esta razón, a continuación solo se
presenta principios generales del sistema IUB:
1. Las reacciones y las enzimas que las catalizan se dividen en 6
clases principales, cada una con 4 a 13 subclases.
2. El nombre de la enzima tiene 2 partes: la primera es el nombre
del o los sustratos; la segunda, con terminación –asa, indica el
tipo de reacción catalizada.
3. Información adicional, si es necesario aclarar la reacción, puede
seguir el paréntesis. Por ejemplo: la enzima que cataliza L-
malato + NAD= = piruvato + CO2 NADH + H= , se denomina
como 1.1.1.37 L-malato:NAD+ oxidorreductasa
(descarboxilante).
4. Cada enzima tiene un numero clave (E.C.) que caracteriza al
tipo de reacción según la clase (primer digito), subclase
(segundo digito) y subclase (tercer digito). El cuarto digito es
para la enzima específica. Así, E.C. 2.7.1.1 denota la clase 2
(una transferasa), subclase 7 (transferencia de fosfato), sub-
clase 1 (una función alcohol como aceptor de fosfato). El último
digito denota a la enzima hexocinasa o ATP: D-hexosa-6-
fosforotransferasa, enzima que cataliza la transferencia de
fosfato desde el ATP al grupo hidroxilo de carbono 6 de la
glucosa.
Al final de sus y trabajos, clasifico las enzimas en seis grupos
principales, correspondientes por sus términos a las reacciones que
cada enzima ejerce sobre el sustrato. Estos grupos se subdividen en
otro, según el tipo de sustrato y los átomos concretos que son
sensibles a sus acciones. Estos seis grupos son los siguientes y se
analizarán más adelante:
1. Oxidoreductasas
2. Transferasas
3. Hidrolasas
4. Isomerasa
5. Liasas
3.2. NOMENCLATURA ACTUAL:
La nomenclatura enzimática está basada en 3 parámetros:
« Todas las enzimas deben de llevar el nombre del sustrato
Sustrato: parte del sistema enzimático, sustancia o
compuesto químico sobre la cual va actuar la enzima es la
sustancia o compuesto químico que sufre la reacción
química.
« Las enzimas deben de llevar el nombre de la reacción
química catalizada
Ejemplo: Glucosa oxidasa.
Las enzimas se identifican por 4 dígitos:
« El primer digito se refiere a la clasificación general, va del
uno
« El segundo dígito se refiere a la clase de enzima.
« El tercer dígito es la subclase, se refiere a la reacción
química específica que cataliza la enzima
« El cuatro dígito se refiere al número progresivo de orden de
acuerdo a su identificación.
4. CLASIFICACIÓN:
4.1. CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS DE ACUERDO A SU
COMPLEJIDAD:
Oxidación oxidasa
Reducción reductasa
Hidrólisis hidrolasa
Isomerización isomeraza
Transferencia transferasa
Síntesis ligasa
Catálisis liasa
De acuerdo a su complejidad las enzimas se clasifican como:
En las proteínas conjugadas podemos distinguir dos partes:
Apoenzima: Es la parte polipeptídica de la enzima.
Cofactor: Es la parte no proteica de la enzima.
La combinación de la apoenzima y el cofactor forman la holoenzima.
Los cofactores pueden ser:
Iones metálicos: Favorecen la actividad catalítica general de la
enzima, si no están presentes, la enzima no actúa. Estos iones
metálicos se denominan activadores. Ejemplos: Fe2+, Mg2+,
Cu2+, K+, Na+ y Zn2+
La mayoría de los otros cofactores son coenzimas las cuales
generalmente son compuestos orgánicos de bajo peso molecular,
por ejemplo, las vitaminas del complejo “B” son coenzimas que se
requieren para una respiración celular adecuada.
4.2. CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS SEGÚN SU ACTIVIDAD:
1. OXIDO-REDUCTASAS:
Son las enzimas relacionadas con las oxidaciones y las reducciones
biológicas que intervienen de modo fundamental en los procesos
de respiración y fermentación.
Son importantes a nivel de algunas cadenas metabólicas, como la
escisión enzimática de la glucosa, fabricando también el ATP,
verdadero almacén de energía. Extrayendo dos átomos de
hidrógeno, catalizan las oxidaciones de muchas moléculas
orgánicas presentes en el protoplasma; los átomos de hidrógeno
tomados del sustrato son cedidos a algún captor.
2. LAS TRANSFERASAS:
Estas enzimas catalizan la transferencia de una parte de la molécula
(dadora) a otra (aceptora). Su clasificación se basa en la naturaleza
química del sustrato atacado y en la del aceptor. También este grupo
de enzimas actúan sobre los sustratos mas diversos, transfiriendo
grupos metilo, aldehído, glucosilo, amina, sulfató, sulfúrico, etc.
3. LAS HIDROLASAS:
Esta clase de enzimas actúan normalmente sobre las grandes
moléculas del protoplasma, como son la de glicógeno, las grasas y
las proteínas.
La acción catalítica se expresa en la escisión de los enlaces entre
átomos de carbono y nitrógeno (C-N) o carbono oxigeno (C-O);
Simultáneamente se obtiene la hidrólisis (reacción de un
compuesto con el agua) de una molécula de agua. El hidrógeno y
el oxidrilo resultantes de la hidrólisis se unen respectivamente a
las dos moléculas obtenidas por la ruptura de los mencionados
enlaces.
A este grupo pertenecen proteínas muy conocidas: la pepsina,
presente en el jugo gástrico, y la tripsina y la quimiotripsina,
segregada por el páncreas. Desempeñan un papel esencial en los
procesos digestivos, puesto que hidrolizan enlaces pépticos,
estéricos y glucosídicos.
4. LAS ISOMERASAS:
Transforman ciertas sustancias en otras isómeras, es decir, de
idéntica formula empírica pero con distinto desarrollo.
Son las enzimas que catalizan diversos tipos de isomerización, sea
óptica, geométrica, funcional, de posición, etc.
Se dividen en varias subclases.
Las racemasas y las epimerasas:
Actúan en la racemización de los aminoácidos y en la
epimerización de los azúcares. Las primeras son en realidad pares
de enzimas específicas para los dos isómeros y que producen un
solo producto común.
Las isomerasas cis – trans:
Modifican la configuración geométrica a nivel de un doble ligadura.
Las óxido – reductasas intramoleculares catalizan la
interconversión de aldosas y cetosas, oxidando un grupo CHO y
reduciendo al mismo tiempo al C = O vecino, como en el caso de
la triosa fosfato isomerasa, presente en el proceso de la glucólisis ;
en otros casos cambian de lugar dobles ligaduras, como en la
(tabla) isopentenil fosfato isomerasa, indispensable en el cambio
biosinético del escualeno y el colesterol. Por fin las transferasas
intramoleculares (o mutasas) pueden facilitar el traspaso de
grupos acilo, o fosforilo de una parte a otra de la molécula, como
la lisolecitina acil mutasa que transforma la 2 – lisolecitina en 3 –
lisolecitina, etc.
Algunas isomerasas actúan realizando inversiones muy complejas,
como transformar compuestos aldehídos en compuestos cetona, o
viceversa. Estas ultimas desarrollan una oxidorreducción dentro de
la propia molécula (oxido reductasa intramoleculares) sobre la que
actúan, quitando hidrógeno, a algunos grupos y reduciendo otros;
actúan ampliamente sobre los aminoácidos, los hidroxácidos,
hidratos de carbono y sus derivados.
5. LAS LIASAS:
Estas enzimas escinden (raramente construyen) enlaces entre átomos
de carbono, o bien entre carbono y oxigeno, carbono y nitrógeno, y
carbono y azufre. Los grupos separados de las moléculas que de
sustrato son casi el agua, el anhídrido carbónico, y el amoniaco.
Algunas liasa actúan sobre compuestos orgánicos fosforados muy
tóxicos, escindiéndolos; otros separan el carbono de numerosos
sustratos.
6. LAS LIGASAS:
Realizan la degradación o síntesis de los enlaces fuertes mediante
el acoplamiento a sustancias ricas en energía como los nucleosidos
del ATP. Algunos ejemplos de estas son las Carboxilasas y las
Peptidosintetasas.
Son enzimas que catalizan la unión de dos moléculas acoplada a la
hidrólisis de un grupo pirofosforilo en el ATP o un trifosfato
nucleosilo similar.
Son enzimas que catalizan la formación de un enlace entre dos
moléculas de sustrato. La energía para estas reacciones la aporta
siempre la hidrólisis de ATP. Los nombres de muchas ligasas
incluyen el término sintetasa. Otras ligasas se denominan
carboxilasas.
Ejemplo:
Enzima Piruvato caboxilasa
4.3. ACTIVIDAD ENZIMÁTICA:
La sustancia sobre la cual actúa una enzima se llama sustrato.
Los sustratos son específicos para cada enzima:
La sacarosa es el sustrato de la sacarasa que actúa rompiéndola en
sus componentes.
Las enzimas actúan de acuerdo con la siguiente secuencia: La enzima
(E) y el sustrato (S) se combinan para formar un complejo intermedio
enzima sustrato (E-S), el cual se descompone formando un producto
y regenerando la enzima.
El grado de especificidad de las enzimas es muy alto, pueden
distinguir incluso entre diferentes tipos de isómeros. Se cree que la
especificidad de la enzima es debido a la forma particular de una
pequeña parte conocida como sitio activo, la cual se fija a la
contraparte complementaria en el sustrato.
5. COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO
Algunas proteínas tienen la capacidad de modificar los ligandos a los
cuales son unidos, es decir, actúan como catalizadores moleculares.
Su función es acelerar en varios órdenes de magnitud el ajuste de un
equilibrio de reacción químico, que en un proceso sin ellas podrían
tardar una eternidad. Estas proteínas son las denominadas enzimas.
Para realizar esta aceleración del proceso lo que consigue la enzima
es lograr la disminución de la energía de activación de la reacción.
Las enzimas dirigen las transformaciones químicas y energéticas que
tienen lugar en cada célula. Pero para realizar estas funciones básicas
y vitales para nuestra vida deben tener una capacidad de
interaccionar de forma específica y reversible con ligandos, que viene
dada por su conformación espacial en el lugar de unión. Para que la
enzima modifique el ligando (sustrato a partir de este momento) este
debe “encajar” en el lugar de unión de la enzima. Por esto decimos
que hay complementariedad geométrica entre enzima y sustrato.
Los lugares de unión acostumbran a estar en unas hendiduras de la
superficie de la enzima, formando como un “bolsillo” en el cual entra
el sustrato. De esta manera la superficie de interacción entre sustrato
y enzima es mayor, y las posibilidades de conferir especificidad a la
unión con el sustrato aumenta. La especificidad de la unión es tan
alta que la enzima es capaz de distinguir entre sustratos
esteroisómeros, por lo tanto decimos que las enzimas presentan
esteroespecificidad. La esteroespecificidad puede servir en casos
concretos para separar rutas de formación y degradación de
productos, que se realizan de forma simultánea. Este hecho se debe a
que las enzimas son moléculas asimétricas.
La unión se mantiene gracias a las fuerzas de enlaces no covalentes
entre átomos del sustrato y la enzima, como enlaces de Van der
Waals, enlace por puente de hidrógeno o puentes salinos, durante la
catálisis, pero la unión es temporal, por tanto cuando la reacción
enzimática finaliza se separan la enzima y el producto (ya no
hablamos de sustrato después de la catálisis, ya que tiene una
conformación modificada por la enzima).
6. PROPIEDADES:
Las enzimas son proteínas que incrementan la velocidad de una
reacción química y no se consumen durante la misma (algunos tipos
de ARN pueden actuar como enzimas, usualmente rompen y
sintetizan enlaces fosfodiester; a estas moléculas se les denomina
“ribozimas” y se encuentran en muy baja proporción en la
naturaleza).
6.1. SITIO ACTIVO:
Las moléculas de enzimas contienen hendiduras o cavidades
denominadas sitio activo. El sitio activo está formado por las cadenas
laterales de residuos específicos, lo que ocasiona que tenga un
arreglo tridimensional particular, diferente al resto de la proteína.
Este sitio es afín por la estructura tridimensional del sustrato:
El sitio activo la enzima (E) une al substrato (S) formando un
complejo enzima-substrato (ES). En el complejo ES, E transforma a S
en él o los productos, formando el complejo enzima-producto (EP),
finalmente la enzima libera del sitio activo a P, regenerándose.
6.2. EFICIENCIA CATALÍTICA:
ENZIMA
SUSTRATO
SITIO ACTIVOOCUPADO
SITIO ACTIVOVACIO
La mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas son muy
eficientes y transcurren desde 106 hasta 1014 veces más rápido que la
misma reacción no catalizada. Típicamente, cada molécula de enzima
es capaz de transformar cada segundo de 100 a 1000 moléculas de
substrato en producto. El número de estas moléculas transformadas a
producto por molécula de enzima en cada segundo, se conoce como
el número de recambio.
ENZIMA
VELOCIDAD
EN
AUSENCIA
DE ENZIMA
VELOCIDAD
DE
REACCIÓN
CATALIZADA
RENDIMIENT
O
Anhidrasa carbónica
Corismato mutasa
Triosafosfato
isomerasa
Carboxipeptidasa A
AMP nucleosidasa
Nucleasa
estafilococal
1.3 X 10 –1
2.6 X 10 –5
4.3 X 10 –6
3.0 X 10 –9
1.0 X 10 –11
1.7 X 10 -13
1.0 X 106
50
4300
578
60
95
7.7 X 106
1.9 X 106
1.0 X 109
1.9X 1011
6.0 X 1012
5.6 X 1014
6.3. ESPECIFICIDAD:
Las enzimas son muy específicas por el substrato de la reacción que
catalizan. Interactúan con una o muy pocas moléculas y catalizan
únicamente un tipo de reacción, por lo que las moléculas con las que
interactúan deben ser muy parecidas, tanto en composición, como en
estructura tridimensional. Por ejemplo, en la siguiente figura, en el
panel A, se muestra la reacción catalizada por la enzima triosafosfato
isomerasa (enzima que cataliza el paso 5 de la glucólisis), en el panel
B se muestran inhibidores de la catálisis:
Nótese el parecido con la estructura de los sustratos y del
intermediario
6.4. COFACTORES:
COENZIMA REACCIÓNFUENTE VITAMINICA
ENFERMEDAD HUMANA POR DEFICIENCIA
Biocitina Carboxilación Biotina *
Coenzima ATransferencia
de acilosPantotenato *
Coenzimas de Cobalamima
AlquilaciónCobalamina
(B12)anemia
perniciosaCoenzimas de
flavinaOxidación-reducción
Riboflavina (B2) *
Acido lipóicoTransferencia
de acilos- *
Coenzimas de nicotinamida
Oxidación-reducción
Nicotinamida (niacina)
Pelagra
Fosfato de piridoxal
Transferencia de grupo amino
Piridoxina (B6) *
Tetrahidrofolato
Transferencia de un grupo de
1 CarbonoAcido fólico
anemia megaloblástica
Tiemina pirofosfato
Transferencia de aldehído
Tiamina (B1) beriberi
Algunas enzimas se asocian con moléculas de carácter no proteíco
que son necesarias para el funcionamiento de la enzima, estas
moléculas se denominan cofactores. Comúnmente, los factores
encontrados en las enzimas incluyen iones metálicos como el Zn2+ o
el Fe2+, también pueden ser moléculas orgánicas que se denomina
coenzimas como el NAD+, FAD, la conezima A y la C, generalmente
las coenzimas son derivados de las vitaminas. A la enzima en
ausencia de su cofactor (cuando lo tiene), se le denomina
apoenzima, en presencia de su cofactor (cuando lo tiene), se le
denomina holoenzima. La apoenzima generalmente carece de
actividad biológica. La diferencia entre un cofactor y un grupo
prostético, como el grupo hemo, es que este último está unido de
manera covalente a la enzima, mientras que el cofactor puede ser
removido de la misma con relativa facilidad.
* no tiene un nombre específico, su aparición es muy rara.
6.5. REGULACION:
La actividad enzimática puede ser regulada, esto quiere decir que
dependiendo de los requerimientos metabólicos, las enzimas son
activadas o inhibidas, para acelerar o disminuir la velocidad con la
que catalizan la reacción, respondiendo así a las diferentes
necesidades de sus productos en la célula. La regulación más común
es modificando la concentración de su(s) substrato(s).
6.6. LOCALIZACION EN LA CELULA:
En los eucariontes, muchas enzimas se localizan en organelos
específicos en la célula. Esta compartamentalización ayuda a aislar
los substratos de la reacción o productos de la misma, de tal forma
que no hay competencia de reacciones, de esta manera se provee un
medio favorable para la reacción, de tal forma que es posible localizar
diferentes partes del metabolismo en diferentes organelos, haciendo
a la célula una entidad organizada en donde simultáneamente
funcionan miles de enzimas.