La enzima en una reacción

Realizado por: Geyeli

Bibliografía

Christopher K.Mathews, K. H. (2002). Bioquímica. Madrid: PERSON EDUCACION S.A.

Jeremy M.Berg, J. L. (2003). Bioquímica. Barcelona, Bogotá, Buenos Aires, Caracas y México: Reverté, S.A.

Sitio catalítico

Modelo cerradura-llave

Una enzima une a una molécula de sustrato en una región de la enzima denominada lugar activo. El lugar activo es con frecuencia un bolsillo o una hendidura rodeada por cadenas laterales de aminoácidos que facilitan la unión del sustrato y por otras cadenas laterales que intervienen en la catálisis. La compleja estructura terciaria de las enzimas hace posible que en este bolsillo se ajuste el sustrato de manera muy estrecha, lo cual explica la extraordinaria especificidad de la catálisis enzimática. Esta posibilidad fue reconocida ya en 1894 por el gran bioquímico alemán Emil Fischer, que propuso la hipótesis de la cerradura y la llave para explicar la acción enzimática.

Modelo inducido

 Según este modelo, la enzima acomoda el sustrato específico de la misma manera que la cerradura lo hace con la llave específica.  La enzima no acepta simplemente al sustrato, sino que también exige que el sustrato se distorsione a algo cercano al estado de transición. Esta hipótesis del ajuste inducido propuesta por Daniel Koshland en 1958, continúa siendo el modelo más aceptado para la catálisis enzimática. El ajuste inducido implica la distorsión de la enzima, así como la del sustrato. Esta distorsión puede ser local o puede comportar un cambio importante de la conformación de la enzima.

Las enzimas hacen algo más que distorsionar o colocar simplemente sus sustratos. Se encuentran cadenas laterales de aminoácidos específicos colocados en los lugares adecuados para facilitar el propio proceso catalítico. En muchos casos estas cadenas laterales son grupos ácidos o básicos que pueden impulsar la adición o eliminación de protones. En otros casos, la enzima contiene un ion metálico en la posición exacta para participar en la catálisis. Así una enzima une el sustrato o sustratos, reduce la energía del estado de transición e impulsa directamente el acontecimiento catalítico. Cuando el proceso catalítico se ha completado, la enzima deber ser capaz de liberar el producto o productos y volver a su estado original, para estar preparada para un nuevo ciclo de catálisis. 

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No alteran reacción

Un enzima es un catalizador y en cosecuencia no puede alterar el equilibrio de una reacción química. Esto significa que una enzima acelera la reacción en un sentido y otro precisamente con el mismo cofactor. Por lo tanto la reacción se lleva a cabo aún cuando no esta la enzima.
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Regulación de la actividad enzimática

Es claro que la ventaja más importante es acelerar reacciones que de otro modo serían muy lentas para mantener la vida. Otra de las ventajas de las enzimas es que su actividad catalítica se puede regular de varias maneras. La cantidad de una enzima se puede controlar regulando la velocidad de sus síntesis o de su degradación.

En todos los organismos, el control rápido, a escala de segundos o menos, se puede lograr mediante modulación reversible de la actividad de enzimas reguladoras. Las enzimas reguladoras se definen como aquellas cuya actividad se puede modificar en una forma que afecte la velocidad de una reacción catalizada por la enzima. La actividad de una enzima regulada cambia como respuesta a señales del ambiente y permite que la célula responda a las condiciones variables, con ajustes de las velocidades de sus procesos metabólicos.
En general, las enzimas reguladoras se vuelven catalizadores más activos cuando aumenta la concentración de sustratos o cuando disminuye las concentraciones de los productos de sus rutas metabólicas. Se vuelven menos activas cuando disminuyen las concentraciones de sus sustratos o cuando se acumulan los productos de sus rutas metabólicas. La inhibición de la única enzima inicial en una ruta conserva tanto materiales como energía, evitando la acumulación de compuestos intermedios y el producto final.

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Modos químicos de la catálisis enzimática

La formación de un complejo ES coloca a los reactivos en la cercanía de residuos de aminoácidos del sitio activo de la enzima. Las cadenas laterales ionizables participan en dos clases de catálisis química: catálisis ácido-base  y catálisis covalente. Son los dos modos químicos principales de catálisis.

Residuos polares de aminoácidos en sitios activos

La cavidad del sitio activo en una enzima en general está cubierta con residuos hidrofóbicos de aminoácidos. Sin embargo, también en el sitio activo hay unos pocos residuos polares, ionizables. Los residuos polares de aminoácidos tienen cambios químicos durante la catálisis enzimática. Esos residuos forman gran parte del centro catalítico de la enzima.

Sólo una cantidad pequeña de residuos de aminoácidos participa en forma directa para catalizar reacciones. La mayor parte de los residuos contribuyen en forma indirecta, ayudando a mantener la estructura tridimensional correcta de una proteína.

Los estudios de mutagénesis in vitro de las enzimas han confirmado que la mayor parte de las situaciones de aminoácidos tiene poco efecto sobre la actividad enzimática.  Sin embargo toda enzima tiene unos pocos residuos clave que son absolutamente esenciales para la catálisis. Algunos de estos residuos participan en forma directa en el mecanismo catalítico, con la frecuencia actuando como catalizador ácido o base.

Catálisis ácido-base

En la catálisis ácido-base, la aceleración de una reacción se debe a la transferencia catalítica de un protón. Esta catálisis ácido-base es la forma más común de catálisis en química orgánica y también es común en las reacciones enzimáticas. Las enzimas que la hacen se basan en cadenas laterales de aminoácido que pueden donar y aceptar protones en las condiciones de pH neutro de las células. Este tipo de catálisis ácido-base, donde intervienen agentes de transferencia de protones, se llama catálisis ácido-base general. De hecho, los sitios activos de estas enzimas son el equivalente biológico de una solución de ácido o base.

Catálisis covalente

En la catálisis covalente se une a un sustrato en forma covalente a la enzima y se forma un compuesto intermediario reactivo. La cadena lineal que reacciona con la enzima puede ser un nucleófilo o un electrófilo. En el segundo paso de la reacción se transfiere una porción del sustrato intermedio aun segundo sustrato.

Influencia del pH sobre las velocidades de reacción de una enzima

El efecto del pH sobre las velocidades de reacción de una enzima puede indicar cuales residuos ionizables de aminoácido están en su sitio activo. La sensibilidad al pH suele reflejar una alteración en el estado de ionización de uno o más residuos que participan en la catálisis, aunque a veces se afecta la unión del sustrato.

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Inhibición enzimática

Muchos tipos diferentes de moléculas inhiben las enzimas y actúan de diversas formas. Existe una distinción importante ente la inhibición reversible y la inhibición irreversible.

Inhibición reversible: es la unión no covalente de un inhibidor a la enzima, pero difieren en los mecanismos por medio de los cuales reducen la actividad enzimática y en la forma que afectan la cinética de la reacción. En algunos casos la unión no covalente puede ser tan fuerte que parezca irreversibles en condiciones fisiológicas.

Inhibición irreversible: es la unión covalente con las enzimas y las inactivan de manera irreversible. Casi todos los inhibidores enzimáticos irreversibles son sustancias toxicas, naturales o sintéticas. En la mayoría de los casos estas sustancias reaccionan con algún grupo funcional del lugar activo para bloquear el lugar del sustrato o para dejarlo catalíticamente inactivo. 

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