METABOLISMO: Enzimas

Control de las reacciones celulares Las enzimas son protenas globulares Las enzimas controlan la velocidad de las reacciones qumicas de la clula. Una enzima es pues un catalizador = un acelerador de las reacciones bioqumicas de la clula. La sustancia sobre la que acta una enzima se llama sustrato. Una enzima particular acta sobre cierto sustrato.

Control de las reacciones celulares Las enzimas se encuentran en todas las clulas. Los organismos vivos producen miles de enzimas diferentes. Esto se debe a que cada reaccin qumica requiere una enzima distinta para actuar en un sustrato. Esta propiedad de las enzimas es llamada especificidad enzima-sustrato. Cada enzima se adhiere al sustrato por una zona llamada sitio activo, en el que se inserta como una llave en su cerradura.

Para funcionar algunas enzimas requieren pequeas molculas orgnicas no proteicas llamadas coenzimas. Las enzimas catalizan varios millones de reacciones por segundo, utilizan sus estructuras qumicas precisas para orientar, distorsionar y reconfigurar otras molculas, mientras ellas mismas permanecen inalterables.

cmo? La forma y la carga del sitio activo obligan a los sustratos a entrar en la enzima con una orientacin especfica ya en el sitio activo de la enzima, tanto el sustrato como el sitio activo cambian de forma. Ciertos aminocidos dentro del sitio activo de la enzima pueden unirse temporalmente a tomos de los sustratos, o interacciones elctricas y los sustratos distorsionan sus enlaces qumicos, promoviendo la reaccin qumica.

Cuando termina la ltima reaccin entre los sustratos los productos ya no encajan en el sitio activo y se expulsan y la enzima regresa a su estado original y est lista para aceptar otro conjunto de sustratos.

Energa de activacin

Cada enzima, reduce la energa de activacin de las reacciones, permitiendo que la reaccin se lleve a cabo fcilmente a temperatura corporal. Una cuchara de azcar, por ejemplo, a temperatura corporal seguir siendo azcar de manera indefinida debido a su alta energa de activacin.

Sin embargo dentro de la clula, el azcar se combina fcilmente con oxgeno para formar agua y dixido de carbono. As como el alpinista y el azcar, paso a paso trepa el risco, una serie de pasos de reaccin, cada uno catalizado por una enzima baja la energa de activacin, superando la alta energa de activacin y ocurre la reaccin.

Las enzimas disminuyen la energa de activacin de las reacciones que catalizan. Al formarse el complejo enzima sustrato, la reaccin ocurre con un requerimiento energtico menor, es decir, se necesita menos energa de activacin. El ejemplo anterior se refiere a una reaccin exergnica porque la energa de producto final es menor que la del sustrato inicial.

Modelo del ajuste inducido La teora llave-cerradura no es suficiente para explicar la amplia especificidad de las enzimas. En algunas situaciones la forma molecular del sitio activo no es exactamente complementaria con la del sustrato. a) Ntese que el sitio activo no es exactamente complementario con el sustrato. b) Al unirse la enzima con el sustrato, el sitio activo modifica su forma para adaptarse a la del sustrato. Los estadios (c), (d) y (e) se explican de la misma manera que con el modelo llave-cerradura.

Rutas metablicas Los cambios qumicos en los seres vivos tiene lugar a travs de una serie de pasos intermedios. En cada etapa interviene una enzima especfica. Los procesos catablicos degradan compuestos. Los procesos anablicos sintetizan molculas.

Ejemplo: gluclisis La enzima (1) es especfica para el sustrato 1 y la transforma en el producto 1. La enzima (2) es especfica para el producto 1, que ahora acta como sustrato, y se convierte en el producto 2. la enzima (3) es especfica para le producto 2 que ahora acta como sustrato y se transforma en producto 3. El producto 3 es el producto final.

Ciclo metablico

Ejemplo: Ciclo de Krebs El producto inicial ingresa al ciclo. La enzima (1) combina al intermediario 4 con el sustrato inicial para catalizar la produccin del intermediario 1. La enzima (2) es especfica para el intermediario 1 y lo convierte en el intermediario 2. La enzima (3) es especfica para el intermediario 2 y cataliza la reaccin para convertirlo en el intermediario 3. La enzima (4) es especfica para el intermediario 3 y lo transforma en el intermediario 4. En un ciclo metablico, se regenera un intermediario que se une el sustrato

Factores que afectan la actividad enzimtica: pH Temperatura Concentracin de sustrato

El rango de pH al que actan las enzimas es amplio, reflejando lo distintos ambientes que se dan en un organismo

Efecto del pH en la actividad enzimtica La mayora de enzimas tienen un pH ptimo donde su actividad es mxima. Esto se notar en la velocidad de la reaccin qumica: ms producto en menos tiempo. Si el pH es distinto del ptimo, la actividad enzimtica disminuye o para totalmente. pH extremos desnaturalizan la enzima, haciendo que su estructura sea irreversiblemente alterada.

La temperatura afecta la actividad enzimtica de dos modos diferentes

Efecto de la temperatura: La temperatura afecta el movimiento de las partculas en un lquido. Al aumentar la temperatura el movimiento es mayor y hay ms probabilidades de encuentro entre enzima y sustrato, aumentando la actividad enzimtica. El calor puede afectar la estructura de la enzima disminuyendo su actividad o destruyndola por desnaturalizacin.

La velocidad de la reaccin aumenta con la concentracin de sustrato, hasta llegar al punto de saturacin

Efecto de la concentracin de sustrato Las enzimas solo pueden catalizar las reacciones cuando el sustrato se une al sitio activo. Cuando aumenta la concentracin de sustrato, las probabilidades de unin enzima-sustrato aumentan, y se incrementa la velocidad de la reaccin. Pero al aumentar el sustrato cada vez ms sitios activos estn llenos, hasta llegar un punto de saturacin en que la velocidad ya no puede aumentar ms.

Intolerancia a la lactosa

La lactasa es obtenida de Kluyveromyces lactis, una levadura que crece naturalmente en la leche. con biotecnologa se pueden cultivar industrialmente las levaduras para obtener la enzima

Intolerancia a la lactosa La lactosa es el azcar naturalmente presente en la leche, y puede ser descompuesta en glucosa y galactosa por accin de la enzima lactasa. La intolerancia a la lactosa se presenta cuando el intestino delgado no produce suficiente enzima lactasa. El organismo de los bebs produce esta enzima de tal forma que pueden digerir la leche, incluyendo la leche materna. Antes de que los seres humanos se convirtieran en pastores y procesaran productos lcteos, la mayora de las personas no segua consumiendo leche en su vida, de tal manera que no producan lactasa despus de las primeras etapas de la infancia. La intolerancia a la lactosa es ms comn en poblaciones asiticas, zonas de frica, nativos americanos y pueblos del Mediterrneo, que en las poblaciones del norte y occidente de Europa.

Es la intolerancia a la lactosa una anomala? La lactasa es una enzima producida en el intestino delgado y que se sintetiza durante la infancia de todos los mamferos. Su accin es imprescindible en el proceso de conversin de la lactosa, azcar doble (disacrido), en sus componentes glucosa y galactosa. La falta de lactasa origina intolerancia a la lactosa que se considera como una anomala relativamente frecuente. Se ha sugerido que la secrecin de lactasa en la etapa adulta humana es una adaptacin evolutiva que surgi hace unos miles de aos en al menos tres centros distintos del planeta: Norte de Europa, Arabia y el Este de frica.

Es la intolerancia a la lactosa una anomala? Puede argumentarse que la intolerancia a la lactosa en adultos es la condicin normal de los seres humanos: 1. Ya que solo los mamferos lactantes necesitan la lactosa, en los adultos el organismo la produccin de la enzima declina. 2. Casi el 80% de la humanidad es intolerante. 3. Argumento evolutivo: Las migraciones de los centros de origen pueden haber dispersado la tolerancia.

Distribucin de la intolerancia a la lactosa

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Intolerancia a la lactosa Sntomas: Distensin abdominal, Clicos abdominales, Diarrea, Heces con olor ftido, Gases (flatulencia), Desnutricin, Nuseas, Crecimiento lento, Prdida de peso. Esto se debe a que la lactosa pasa intacta a travs del intestino delgado, y cuando llega al intestino grueso, las bacterias la transforman en CO2 y metano CH4; estos gases son causa de los sntomas. La mayora de las personas con niveles de lactasa bajos puede tolerar de 2 a 4 onzas de leche una vez (hasta media taza).

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About 75 percent of people worldwide are lactose intolerant, meaning they lose the ability to digest the milk sugar lactose after infancy. This shift in enzyme activity is natural. According to the American Academy of Family Physicians, 6080 percent of African Americans, 5080 percent of Hispanic Americans, and at least 90 percent of Asian Americans are lactose intolerant. Symptoms can include nausea, cramps, bloating, gas, diarrhea, and other gastrointestinal distress.

Hay dos formas de usar lactasa para producir leche deslactosada 1. La enzima puede agregarse a la leche, pero la enzima permanece all. 2. La enzima puede ser inmovilizada en una superficie o en camas de material poroso. La leche fluye y recibe la accin de la enzima. Este ltimo mtodo evita contaminar el producto alimenticio con lactasa.

Investigando la actividad de la catecol oxidasa en vegetales Cuando algunas frutas se cortan, la superficie expuesta al oxgeno del aire se vuelve color caf. esto es debido a un proceso de dos pasos: 1. Una sustancia llamada catecol es convertida en un pigmento amarillo (benzoquinona?)por accin de la enzima catecol oxidasa. 2. El pigmento amarillo reacciona con el oxgeno convirtindose en melanina que es un pigmento color caf.

Investigando la actividad de la catecol oxidasa en vegetales La catecol oxidasa es liberada cuando el tejido vegetal es daado. En condiciones normales catecol (el sustrato) y catecol oxidasa (la enzima) no estn en contacto.

Investigando la actividad de la catecol oxidasa en vegetales La benzoquinona es txica para las bacterias y ayuda a prevenir la pudricin de los tejidos.

Investigando la actividad de la catecol oxidasa en vegetales Disee un experimento para determinar el efecto de la temperatura en la actividad enzimtica. Plantee la pregunta de investigacin o la hiptesis del experimento Identifique la variable independiente, la dependiente, y las variables que deber controlar. Cmo podra medir los cambios en la variables dependiente?

Investigando la actividad de la catecol oxidasa en vegetales Usando papa como fuente de catecol y catecol oxidasa. Efecto de la temperatura

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Investigando la actividad de la catecol oxidasa en vegetales Qu efecto tiene la temperatura en la reaccin de la enzima? Qu explicacin le encuentra a la diferencia observada entre los tubos 100C y 40C? Le encuentra alguna aplicacin prctica a los resultados obtenidos?

Investigando la actividad de la catecol oxidasa en vegetales La tirosinasa es una enzima que cataliza la oxidacin de fenoles (como la tirosina, que es un aminocido) y est extendida en plantas y animales. La tirosinasa es una enzima cuprfera presente en tejidos de plantas y animales que cataliza la produccin de melanina y otros pigmentos de la tirosina por oxidacin Una enzima parecida, la catecol oxidasa, es responsable del ennegrecimiento de una papa o un banano cortados y expuestos al aire.

Investigando la actividad de la catecol oxidasa en vegetales Las tirosinasas han sido aisladas y estudiadas desde una amplia variedad de plantas, animales y especies de hongos. Las tirosinasas de diferentes especies son distintas en trminos de sus propiedades estructurales, distribucin de tejido y ubicacin celular. []Se ha insinuado que no hay una estructura de protenas comn en plantas, animales y tejidos de hongos pues frecuentemente difieren respecto a su estructura primaria, tamao y caractersticas de activacin. Sin embargo, todas las tirosinasas tienen en comn un centro de cobre dentro de su sitio activo. La actividad de la tirosinasa es similar a la catecol oxidasa.

Investigando la actividad de la catecol oxidasa en vegetales Cuando una persona tiene un gen tirosinasa mutado, padece albinismo, una enfermedad hereditaria que sufre una persona cada 17.000 en los Estados Unidos.

Inhibicin competitiva

La forma molecular del sustrato y del inhibidor es similar. El inhibidor se puede unir al sitio activo. El inhibidor impide que el sustrato se una al sitio activo de la enzima. El bloqueo del sitio activo reduce la velocidad de la reaccin. Si se incrementa la concentracin de sustrato, aumenta la probabilidad de que este ocupe el sitio activo de la enzima.

Algunos medicamentos contra el cncer son inhibidores competitivos, el cncer es la divisin rpida de clulas, se generan grandes cantidades de ADN. Algunos medicamentos contra el cncer se asemejan a las subunidades que componen el ADN, stos compiten con las subunidades normales, engaando a las enzimas para que fabriquen ADN defectuoso , evitando que proliferen las clulas cancergenas. Por desgracia estos medicamentos tambin interfieren con el crecimiento de otras clulas que se dividen rpidamente, como las de los folculos del cabello y las que recubren el tracto digestivo. Esto explica por qu la prdida de cabello y las nuseas son efectos colaterales de la quimioterapia.

Inhibicin no competitiva

El sustrato y el inhibidor presentan una estructura molecular diferente. El inhibidor no se puede unir al sitio activo. El inhibidor puede unirse a otra regin de la enzima. La unin del inhibidor con la enzima ocasiona un cambio estructural en la molcula enzimtica. El sitio activo cambia su forma. El sustrato no puede unirse a la enzima y la velocidad de la reaccin disminuye. La presencia de un inhibidor no competitivo siempre reduce significativamente la velocidad de reaccin. Al incrementarse la concentracin de la enzima se aumentan las probabilidades de que colisione con el sustrato la enzima

Los venenos y drogas se unen de manera irreversible a las enzimas. Estos inhibidores penetran en los sitios activos y los bloquean de forma permanente o se adhieren a otra parte de ellas, cambiando su forma y stas ya no pueden unirse adecuadamente a sus sustratos. Algunos gases txicos e insecticidas bloquean permanentemente el sitio activo de la enzima acetilcolinesterasa,

que descompone la acetilcolina (sustancia que liberan las neuronas para activar los msculos). Esto provoca que la acetilcolina se acumule y estimule de forma excesiva los msculos, causando parlisis. La muerte sobreviene porque las vctimas no pueden respirar . Otros venenos como el arsnico, mercurio y plomo, son txicos porque se unen de manera permanente a otras partes de las enzimas, inactivndolas.

Sitios alostericos

La isoleucina es, en este ejemplo, el producto final. Esta molcula puede inhibir la accin de la enzima 1: Treonina deaminasa. La inhibicin tiene lugar en un sitio de la enzima para la inhibicin que es diferente al sitio activo. El exceso de producto final frena la produccin del mismo. Si la concentracin de isoleucina es alta, esta ase a une al sitio de inhibicin de la enzima 1. El sitio activo de la enzima 1 se modifica impidiendo su accin. Si baja la concentracin de isoluecina, esta se desprende de la enzima 1 y esta enzima 1 retoma su actividad.

Ciertas enzimas fortalecen o inhiben su actividad usando molculas reguladoras; la molcula que acta como reguladora no es el sustrato ni el producto de la enzima que regula. La molcula reguladora se une de forma reversible a un sitio regulador alostrico especial de la enzima, que no es el sitio activo de la enzima.

Esta unin temporal de la molcula reguladora altera el sitio activo de la enzima y la enzima podra volverse ms o menos capaz de unirse con sus sustratos . La enzima especfica y la molcula reguladora especfica determinan si la regulacin alostrica incrementa o reduce la actividad de la enzima.