La enzima en una reacción

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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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Complejos multienzimáticos y enzimas multifuncionales

En algunos casos hay distintas enzimas que catalizan reacciones consecutivas en la misma ruta y se hallan unidas entre sí en un complejo multienzimático. La presencia de actividades múltiples en una sola cadena de polipéptido suele ser el resultado de un evento de efusión de genes. 

Algunos complejos multienzimáticos son bastantes estables. En otros complejos multienzimáticos, las proteínas pueden estar asociadas más débilmente, principalmente por complementariedad estérica y electrostática, y por uniones hidrofóbicas. Aun que tales complejos disocian con facilidad. Otra forma que se pueden asociar las enzimas es por fijación a las membranas o a componentes del citoesqueleto.

Las ventajas metabólicas de los complejos multienzimáticos y de las enzimas multifuncionales incluyen la posibilidad de canalización del metabolito. La canalización de reactivos entre los sitios activos se puede dar cuando el producto de una reacción es transferido en forma directa al siguiente sitio activo, sin entrar al interior solvente. Ello puede aumentar muchísimo la velocidad de una reacción al disminuir los tiempos de transito de los intercambios entre las enzimas y producir localmente altas concentraciones de ellos.  También la canalización puede proteger químicamente a los intermedios lábiles contra la degradación del solvente. La canalización metabólica es una forma en la que las enzimas pueden acoplar adecuadamente reacciones separadas.
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Ecuación de Michaelis-Menten

Ecuación de Michaelis-Menten

Las reacciones catalizadas por enzimas, como cualquier reacción química, se pueden describir en forma matemática como ecuaciones de velocidad. En ellas, varias constantes indican la eficiencia y especificidad de una enzima y en consecuencia son útiles para determinada enzima. Las primeras ecuaciones de velocidad fueron deducidas a principios de 1900 examinando los efectos de variaciones en la concentración de sustrato. La figura siguiente muestra un resultado típico, donde la velocidad inicial (Vo) de una reacción es graficada en función de la concentración de sustrato ([s]).

Figura 5.4 Gráficas de velocidad inicial V0 en función de la concentración de sustrato ([S]) para una reacción catalizada por enzima. A) Cada punto del experimento se obtiene de una curva separada usando la misma concentración de enzima. La forma de la curva es hiperbólica. A bajas concentraciones de sustrato, la curva tiende a una recta que asciende con mucha pendiente. En esta región de la curva, la reacción depende mucho de la concentración de sustrato. A altas concentraciones de sustrato, la enzima está casi saturada y la velocidad inicial de la reacción no cambia mucho cuando se aumenta más la concentración del sustrato. B) la concentración del sustrato que corresponde a la mitad de la velocidad máxima se llama constante de Michaelis (Km). La enzima está a la mitad de la saturación cuando S=Kmáx.

El primer paso es una interacción biomolecular entre la enzima y el sustrato para formar un complejo ES. A altas concentraciones de sustrato, la velocidad inicial no cambia mucho cuando de agrega más S. Ello indica que la cantidad de enzima ha llegado a ser limitante de la velocidad de esta reacción. La concentración de la enzima es una parte importante en la reacción general como es de esperarse para la formación de un complejo ES. A bajas concentraciones de sustrato la velocidad es inicial es muy sensible a cambios de concentración de sustrato. Bajo estas condiciones la mayor parte de las moléculas de las enzimas todavía no se han unido al sustrato y la formación del complejo Es depende de la concentración del sustrato.

La pendiente de la curva de V0 en función de [S] es la de una hipérbola rectangular.  La ecuación hipérbola rectangular es

Donde a es la asíntota de la curva y b es el punto del eje X que corresponde a un valor igual  a/2. En los experimentos de cinética enzimática. Y= Vo y X= [S]. El valor asintótico (a) se llama V_máx. Es la velocidad máxima de la reacción a concentraciones de sustrato infinitivamente grandes. 

El termino b en la ecuación general de la hipérbola rectangular se llama constante de Michaelis (K_m) y se define como la concentración de sustrato cuando Vo es igual a la mitad de la V_máx. La ecuación completa de la velocidad es:
La ecuación de Michaelis-Menten describe la relación entre la velocidad inicial de una reacción y la concentración del sustrato.
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Clasificación de las enzimas

Un comité de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB, de International Union of Biochemistry and Molecular Biology) mantiene un esquema de clasificación que asigna categorías a las enzimas de acuerdo con la clase general de reacción química orgánica que es catalizada. El esquema de clasificación de la IUBMB asigna un número  único, llamado número de clasificación de la enzima o número EC (de enzyme classification) para cada enzima. La IUBMB también asigna un nombre común de la enzima.

1.- Las oxidorreductasas catalizan las reacciones de óxido-reducción. La mayor parte de esas enzimas se llaman en general deshidrogenasas También hay otras enzimas en esta clase  que se llaman oxidasas, peroxidasas, oxigenasas o reductasas.

2.- La transferasas catalizan las reacciones de transferencia de un grupo y pueden necesitar la presencia de coenzimas. En las reacciones de transferencia de grupo, una parte de la molécula del sustrato se suele enlazar en forma covalente con la enzima o con su coenzima. En este grupo se incluyen las cinasas, enzimas que catalizan la transferencia  de un grupo fosforilo del ATP.

3.- Las hidrolasas catalizan hidrólisis. Son una clase especial de transferasas donde el agua sirve como aceptor del grupo transferido.

4.- Las liasas catalizan la lisis de un sustrato, al generar un enlace covalente doble; son reacciones de eliminación, no hidrolíticas y no oxidantes. En dirección inversa la liasas cataliza la adición de un sustrato a un doble enlace de un segundo sustrato.

5.- Las isomerasas catalizan cambios estructurales dentro de una misma molécula (reacciones de isomerización). Como estas reacciones sólo tienen un sustrato y un producto son de las reacciones enzimáticas más simples. 

6.- Las ligasas catalizan la ligadura o unión de dos sustratos. Estas reacciones necesitan un suministro de energía potencial química de un  nucleósido trifosfato, como el ATP.  La ligasas son comúnmente llamadas sintetasas. 

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Función y especificidad

Función

Las enzimas son un tipo especial de proteínas cuya función biológica es la de catalizar las reacciones químicas que se dan en los organismos vivos, en condiciones adecuadas de pH, presión y temperatura en las que se desarrolla la vida.

Especificidad
Las enzimas son altamente específicos tanto en la reacción que catalizan como en la sección de las sustancias reaccionantes, denominadas sustratos. Un enzima cataliza normalmente una sola reacción química o un grupo de reacciones estrechamente relacionadas. En contraposición con las reacciones no catalizadas, en las reacciones catalizadas por enzimas son raras las reacciones colaterales que conducen a la formación de productos secundarios. El grado de especificidad del sustrato es normalmente elevado y a veces prácticamente absoluto.
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Historia sobre el descubrimiento de las enzimas

Gran parte de la historia de la bioquímica es la historia de la investigación de los enzimas. No se empleó hasta 1877, pero mucho antes ya se sospechaba que ciertos catalizadores biológicos intervenían en la fermentación del azúcar para formar alcohol. La primera teoría general sobre la catálisis química, publicada por J. J. Berzeluis en 1835 incluía un ejemplo de lo que ahora se conoce como enzima, la diastasa de la malta, y señalaba que la hidrólisis del almidón se cataliza por la diastasa con más eficacia que por el ácido sulfúrico.

Aunque Luis Pasteur reconoció que la fermentación es catalizada por enzimas, postuló en 1860 que éstos se hallaban ligados de modo inextricable  con la estructura y la vida de las células de la levadura.
En 1897 E. BÜchner consiguiera extraer las enzimas que catalizaban la fermentación alcohólica de las células de levadura. Hasta muchos años después, sin embargo,no fue aislado por primera vez un enzima en forma cristalina; ello lo consiguió J.B. Summer, en 1926, con la ureasa, aislada de extractos de la alubia Cannavalia enzyformis. Summer desmostró que los critales se hallaban constituidos por proteína y llegó a la conclusión, contraria a la opinión queprevalecía por aquel entonces, de que las enzimas son proteínas. En la actualidad se han identificado cerca de 2000 enzimas diferentes. Muchos de ellos se han aislado, en forma pura y homogénea, y alrededor de unas 200 se han podido cristalizar.

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Concepto de enzimas

Son proteínas especializadas en la catálisis de las reacciones biológicas. Se encuentran entre la más notables de las biomoléculas conocidas debido a su extraordinaria especificidad  y a su poder catalítico. Casi todas las enzimas conocidas son proteínas. Sin embargo, las proteínas no tienen el monopolio absoluto de la catálisis. No todas las proteínas son enzimas y no todas las enzimas son proteínas Las enzimas aceleran las reacciones multiplicando su velocidad por un millón de veces e incluso más. 

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Introducción

Las enzimas son catalizadores biológicos selectivos de una eficiencia extraordinaria. Toda célula viva dispone de cientos de enzimas distintas que catalizan las reacciones esenciales para la vida. Aun los organismos vivos más simples contienen múltiples copias de cientos de enzimas diferentes. En los organismos multicelulares, el complemento de las enzimas varía de un tipo celular a otro.

La mayor parte de las reacciones catalizadas por enzimas no procederían a velocidades apreciables bajo condiciones fisiológicas en ausencia de las enzimas. El papel principal de las enzimas es aumentar las velocidades de tales reacciones. En forma típica, las reacciones catalizadas por las enzimas son de 10³ a 10²⁰ veces más rápidas que las mismas sin catalizar.

Las enzimas son muy específicas para los reactivos o sustratos sobre los que actúan y varía el grado de especificidad hacia el sustrato. Algunas enzimas actúan sobre un grupo de sustratos relacionados y otras soló sobre un simple compuesto.

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