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BIOQUÍMICA GENERAL
CLASE# 12
UNIDAD IV: ENZIMAS
Conceptuales
Analizar el
concepto,
características
, funciones y
nomenclatura
de enzimas.
Generalizar
los
componentes
de las
enzimas.
Exponer las
funciones de
las enzimas en
los procesos
metabólicos
de los seres
vivos.
Interpretar las
características
generales de
las enzimas.
Interpretar los
factores que
influyen en la
actividad
enzimática.
Comparar la
función de las
enzimas como
vitaminas
Clasificar las
enzimas
según su
nomenclatura
y función
química.
OBJETIVOS
Procedimentales
Diferenciar el
concepto,
características,
funciones y
nomenclatura de
enzimas
Establecer los
componentes de
las enzimas.
Caracterizar las
funciones de las
enzimas en los
procesos
metabólicos de
los seres vivos.
Diferenciar las
características
generales de las
enzimas.
Enunciar los
factores que
influyen en la
actividad
enzimática.
Establecer la
función de las
enzimas como
vitaminas
Ilustrar la
nomenclatura y
clasificación de
las enzimas
según su función
química.
Actitudinales
Apreciar las
características
, funciones y
nomenclatura
de las
enzimas.
Conceptuales
Análisis del
concepto,
características,
funciones y
nomenclatura
de enzimas
Aprovechar
con ética los
factores que
influyen en la
actividad
enzimática.
Generalización
de los
componentes
de las enzimas.
Exposición de
las funciones
de las enzimas
en los procesos
metabólicos de
los seres vivos
Interpretación
las
características
generales de
las enzimas.
Interpretación
de los factores
que influyen en
la actividad
enzimática.
Comparación
de la función de
enzimas como
vitaminas.
Clasificación de
las enzimas
según su
nomenclatura y
función
química.
1
CONTENIDOS
Procedimentales
Diferenciación del
concepto,
características,
funciones
y
nomenclatura de
enzimas.
Establecimiento
de
los
componentes de
las enzimas.
Caracterización de
las funciones de
las enzimas en los
procesos
metabólicos de los
seres vivos
Diferenciación de
las características
generales de las
enzimas.
Enunciación de los
factores
que
influyen en la
actividad
enzimática.
Establecimiento
de la función de
las enzimas como
vitaminas
Ilustración de la
nomenclatura
y
clasificación de las
enzimas, según su
función química.
Actitudinales
Apreciación de
las
características,
funciones y
nomenclatura de
las enzimas.
Aprovechamiento
con ética los
factores que
influyen en la
actividad
enzimática.
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CLASE# 12
Jons Jacob Berzelius (1779 – 1848) interpretó la acción de ciertas sustancias sobre
otras, planteó que éstas actuaban como si se tratase de unos catalizadores que
favorecían determinada reacción química sin ser destruidos y sin aparecer en los
productos finales. Richard Kuhne (1900-1967) fue el primero en dar a tales
sustancias el nombre enzimas, tomado del griego, que significa literalmente "en la
levadura". Un catalizador es toda sustancia que incrementa la velocidad de las
reacciones sin consumirse en ella.
Una enzima puede definirse como un catalizador orgánico complejo que producen
las células vivas; casi todas las enzimas operan dentro de la célula que la producen
y es por tal razón, que reciben el nombre de intracelulares. Si el sitio de acción de
la enzima se produce fuera de la células que la produce (como es el caso del jugo
gástrico) entonces la enzima se designa como extracelular.
Un ejemplo para diferenciar el concepto de un catalizador y la acción enzimática.
Una solución de sacarosa en agua puede permanecer sin sufrir hidrólisis por tiempo
indefinido, luego si se añade HCl y la mezcla se calienta tiene lugar la hidrólisis
produciéndose Glucosa y Fructosa; si en lugar de agregar HCl y someterlo a
temperatura se agrega la enzima invertasa (sacarasa) la reacción se verificará a
una velocidad mucho mayor y no habrá necesidad de temperatura. El HCl cataliza
la hidrólisis de la lactosa y la maltosa en cambio la sacarasa o invertasa cataliza
únicamente la sacarosa.
Importancia de la acción enzimática
Consecuencias fisiológicas que pueden seguir al deterioro de la actividad
enzimática, inclusive de una sola enzima. Por ejemplo, el daño tisular grave que
caracteriza a la cirrosis hepática puede deteriorar de manera notable la propiedad
de las células para producir enzimas que catalizan procesos metabólicos claves
como la síntesis de urea. La incapacidad celular para convertir el amoníaco tóxico
a urea no tóxica es seguida por intoxicación con amoníaco y por último coma
hepático.
Después del daño tisular grave (por ejemplo, infarto del miocardio o pulmonar) o
siguiendo a multiplicación celular descontrolada (por ejemplo, carcinoma
prostático), las enzimas propias de tejidos específicos pasan a la sangre. Por lo
tanto, la determinación de estas enzimas intracelulares en el suero sanguíneo
proporciona a los médicos información valiosa para el diagnóstico y el pronóstico.
Desde el punto de vista químico, las enzimas están formadas de carbono (C),
Hidrógeno (H), oxígeno (O), Nitrógeno (Ni), y Azufre (S) combinados, con peso
molecular bastante elevado y común propiedades catálicas específicas. Su
importancia es tal que puede considerarse la vida como un "orden sistemático de
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enzimas funcionales". Cuando este orden y su sistema funcional son alterados de
algún modo, cada organismo sufre más o menos grave dicha alteración y el
trastorno puede ser motivado tanto por la falta de acción como por un exceso de
actividad de enzima.
Las enzimas son catalizadores de naturaleza proteínica en su gran mayoría que
regulan la velocidad a la cual se realizan los procesos fisiológicos, producidos por
los organismos vivos. En consecuencia, las deficiencias en la función enzimática
causan patologías.
Las enzimas, en los sistemas biológicos constituyen las bases de las complejas y
variadas reacciones que caracterizan los fenómenos vitales. La fijación de la
energía solar y la síntesis de sustancias alimenticias llevadas a cabo por los
vegetales dependen de las enzimas presentes en las plantas. Los animales, a su
vez, están dotados de las enzimas que les permiten aprovechar los alimentos con
fines energéticos o estructurales; las funciones del metabolismo interno y de la vida
de relación, como la locomoción, la excitabilidad, la irritabilidad, la división celular,
la reproducción, etc, están regidas por la actividad de innumerables enzimas
responsables de que las reacciones se lleven a cabo en condiciones favorables para
el individuo, sin liberaciones bruscas de energía, a temperaturas fijas, en un medio
de pH, concentración salina, etc.; prácticamente constante.
A diferencia de un catalizador inorgánico que interviene en numerosas reacciones
las enzimas producidas por los organismos vivos habitualmente sólo catalizan un
tipo de reacción o solo una reacción determinada; la especificidad de las enzimas
es tan marcadas que en general actúan exclusivamente sobre sustancias que tienen
una configuración precisa; por ejemplo, si sólo atacan a los aminoácidos que tienen
su carbono asimétrico, con estructura L-, no muestran la menor actividad sobre
formas idénticas de dichos aminoácidos
del tipo D.
A la sustancia sobre la cual actúa una enzima se llama sustrato, en su gran
mayoría las enzimas son de naturaleza proteicas. Las enzimas que están formadas
solamente de unidades de aminoácidos se les conoce como proteínas simples las
que contienen en su estructura porciones no proteicas a estas se les conoce como
proteínas conjugadas (también llamada Holoenzimas).
CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS
1. Son los catalizadores más eficientes que se conocen, pequeñas cantidades
aceleran una reacción de forma impresionante. Las reacciones celulares ocurren
a una velocidad alrededor de un millón de veces más altas de lo que sería sin
enzima.
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2. Presentan especificidad de acción, prácticamente un sustrato es atacado por
una enzima. Sin la formación de sub productos de desechos, los rendimientos
son prácticamente del 100% esto no solo ahorra energía a la célula si no que
también evita la formación de sub productos metabólicos potencialmente
tóxicos.
3. La acción de una enzima es regulada, pasando por un estado de baja actividad
a otro de gran actividad.
“La individualidad de la célula viva se debe en gran medida al conjunto único de
enzima que esta produce por programación genética”.
NOMENCLATURA:
1. Algunas enzimas conservan el nombre común ejemplo Tripsina, Pepsina,
Ptialina etc.
2. La mayoría se denominan con la terminación “asa” tomando como base el tipo
de reacción que catalizan o la identidad del sustrato.
Histidina
Histamina
La histidina es un precursor de la histamina, en la que se transforma mediante
una descarboxilación. La histamina es una sustancia liberada por las células del
sistema inmune durante una reacción alérgica. Participa también en el desarrollo y
mantención de los tejidos sanos, particularmente en la mielina que cubre
las neuronas.
En los humanos y en muchos animales, sirven para eliminar alcoholes que son
tóxicos; en las levaduras y muchas bacterias, algunas alcohol
deshidrogenasas catalizan la reacción
opuesta como parte de
la fermentación alcohólica. En todos los seres humanos la enzima actúa sobre los
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alcoholes primarios, secundarios y hemiacetales. Solamente en los animales actúa
sobre alcoholes cíclicos secundarios.
3. Otras tienen su nombre de acuerdo a sus funciones: Oxidasa, fosforilasa,
cinasas, mutasas, etc.
4. La unión internacional de Bioquímica publicó una clasificación en seis grupos de
acuerdo a la clase general de reacciones químicas que catalizan.
ENZIMAS DEPENDIENTES DE COFACTORES:
Todas las enzimas son proteínas globulares y cada una tiene funciones específicas
debido a su estructura proteínica específica. Sin embargo la actividad óptima de
muchas de ellas (pero no de todas) depende de la cooperación de sustancias
aprotéicas llamadas cofactores.
Proteína: llamada Apoenzima; es inactiva o
menos activa que la Holoenzima.
Proteína--Cofactor
Cofactor: Puede ser un ión inorgánico o
una sustancia orgánica; es inactivo.
Holoenzima: catalizador
activo en forma óptima.
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Cofactores:
1. Cuando el cofactor es orgánico se le llama coenzima un ejemplo es el complejo
B
2. El cofactor puede ser un ión inorgánico tales como Mg+2, Zn+2, Fe+2, Cu+2, K+, y
Na+, y se les llama grupos prostéticos.
Enlace covalente
Función del cofactor;
1. Alterar
la
estructura
tridimensional de la proteína, la
del sustrato o de ambas, a fin de
incrementar la interacción entre
estos.
2. Intervenir de manera efectiva
en la reacción global como otro
sustrato
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VITAMINAS
Son compuestos orgánicos que no pueden ser sintetizadas por organismo alguno;
sin embargo resultan esenciales para mantener el metabolismo normal. Puesto que
los organismos difieren en su capacidad de síntesis, una sustancia que es vitamina
para un organismo puede no serlo para otra. Resulta evidente que la función de las
vitaminas en un organismo (en especial las del grupo B) es la de servir como
unidades estructurales para la síntesis de coenzimas. Es por ello que desempeñan
un papel vital en el funcionamiento normal de un organismo. En resumen las
vitaminas
1.
2.
3.
4.
No pueden ser sintetizadas por el organismo
Su ausencia provoca enfermedades
Son esenciales para la salud
Existen en pequeñas concentraciones en los alimentos
MODO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA:
En 1888 el químico sueco Svante Arrhenius sugirió que un catalizador actúa
combinándose con un reactivo para formar un compuesto intermediario, este
intermediario es más reactivo que la especie inicial lo cual conduce a una trayectoria
de reacción de baja energía es decir reduce la energía de activación de la reacción,
lo cual explica el aumento de la velocidad de la reacción. Las enzimas reducen las
energías de activación con más eficiencia que otros catalizadores y esto permite
que las reacciones bioquímicas se efectúen a temperaturas relativamente bajas.
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Ea= energía necesaria para que se formen los complejos activados que son
asociaciones transitorias de las moléculas, la que trae como consecuencia las
reacciones químicas.
La acción de una enzima ocurre en dos etapas:
Etapa 1.
Ej.
Etapa 2.
E
Enzima
+
Sacarosa
+
S
Sustrato
⇄
Sacarasa ⇄
E—S
⇄
Sacarosa—Sacarasa + H2O →
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E—S
Complejo enzima–sustrato
Complejo sacarosa–sacarasa
E
Sacarasa
+
Productos
+ Glucosa y Fructosa
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Sitio activo:
Las fuerzas que unen al
sustrato y la enzima son
enlaces electrostáticos
covalentes
de
hidrógeno. La sección de
la enzima que se une
con el substrato y en la
que
ocurre
la
degradación del mismo a
productos
recibe
el
nombre de sitio activo
de la enzima, el sitio
activo
posee
una
conformación
complementaria a la
estructura del sustrato
haciendo que las dos
moléculas se ajusten de
la misma manera que
una llave lo hace en una
cerradura “teoría de la
llave y la cerradura de la
acción enzimática”
ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA:
Como ya se mencionó una característica que distingue a una enzima de cualquier
otro tipo de catalizadores es su especificidad por el sustrato. La especificidad de las
enzimas es el resultado de la singularidad del sitio activo de cada enzima y esta
singularidad es función de la naturaleza química, carga eléctrica y distribución
espacial de los grupos que la forman. Existen una gama de especificidades
enzimáticas las cuales se agrupan de la siguiente manera:
Especificidad Absoluta. Las enzimas catalizan una reacción en particular sobre
un sustrato en particular es decir solo existe un sustrato cuya estructura es
complementaria y encaja adecuadamente en el sitio activo, y no tiene efecto
catalítico sobre substratos estrechamente relacionados, por ejemplo la ureasa
cataliza únicamente la hidrólisis de la urea, pero no la de la tío urea.
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H2O
H2N – CO – NH2
Urea
CO2
+ 2NH3
Ureasa
H2N – CS – NH2
Tío urea
H2O
Ureasa
N.R.
.
Especificidad estereoquímica. La enzima sólo muestra actividad frente a una
forma estéreo isómera de un sustrato.
COOH
COOH
C
=
C
H
Fumarasa
H2O
H
N. R
Ácido Málico
Cis
COOH
H
C
= C
H
COOH
Fumarasa
H2O
OH

HOOC—CH2—CH—COOH
Ácido Fumárico
Trans
Especificidad de grupo. Actúan sobre grupos de átomos semejantes pues son
menos selectivas.
Pepsina
Pepsina
Pepsina
aa------aa------aa------aaaro--------aa-------aa--------aaaro----------aa-------aaaro-------aa
Especificidad de enlaces. Son las menos específicas debido a que atacan un tipo
enlace químico en particular sin importar las características estructurales en la
vecindad de enlace.
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FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Como las enzimas son catalizadores proteicos resultan afectados por aquellos
factores que actúan sobre las proteínas y sobre la catálisis en general.
Concentración del substrato [S]. La velocidad de
una reacción enzimática aumenta conforme la
concentración del sustrato se incrementa hasta
alcanzar una velocidad límite, en ese punto un
incremento de la [S] no producirá un incremento
significativo de la velocidad de la reacción.
Concentración de la enzima E. Para todos los casos
prácticos, la concentración de la enzima es mucho más
baja que la [S] por tal razón la velocidad de una
reacción catalizada por enzima siempre dependerá de
la concentración de la enzima. Es decir la velocidad de
una reacción catalítica aumenta conforme se
incrementa la concentración del catalizador.
La temperatura. Una regla práctica para
casi todas las reacciones químicas es que
un incremento de temperatura de 10°
aproximadamente duplica o triplica la
velocidad de la reacción. Pero una vez
alcanzado la temperatura óptima, un
aumento disminuye la velocidad de la
reacción, esto debido a que como las
enzimas son proteínas se desnaturalizan
mediante el calor. El calentamiento destruirá
la estructura 2ria
y 3ria, afectando la
orientación del sitio activo.
La concentración del pH pH. Nuevamente debido a
la naturaleza proteica, las proteínas son sensibles a los
cambios de pH causándole su desnaturalización
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INHIBICIÓN ENZIMÁTICA
Todo cambio físico o reactivo químico que desnaturalice a la proteína afectará de
forma adversa la velocidad de una reacción enzimática, este tipo de inhibición
enzimática recibe el nombre de inhibición no específica ya que afecta a todas las
enzimas de la misma manera. Casi todos los venenos actúan inhibiendo enzimas
específicas. En términos generales, la acción de un inhibidor implica la fijación de
este a alguna forma de la enzima, lo que da por resultado la pérdida total o parcial
de la actividad enzimática.
TIPOS DE INHIBICIONES:
Inhibición competitiva:
Un inhibidor competitivo I es cualquier sustancia que se fija de modo reversible a la
forma libre de la enzima, E, y produce un complejo binario E—I incapaz de fijarse al
Sustrato, S.
E–I
⇄
I + E + S
⇄
E—S
E + Ps
La fijación de S y de I es mutuamente excluyente. Este tipo de inhibición puede
contrarrestarse simplemente incrementando la concentración del S, a fin de que la
mayor abundancia de las moléculas de S promueva la formación de E—S. Se cree
que S e I tienen estructuras químicas semejantes y que compiten entre sí para fijarse
al mismo sitio activo.
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Un ejemplo clásico de inhibición competitiva es el de la deshidrogenasa del ácido
succínico
COO|
CH2
|
CH2
|
COOSuccinato
(S)
COO|
CH
║
CH
|
COOFumarato
Deshidrogenasa del
ácido succínico (E)
Inhibición
COO|
CH2 (I)
|
COOMalonato
Inhibición no competitiva
Cuando el efecto de I no se contrarresta al incrementar [S] la inhibición se llama no
competitiva. El inhibidor (I) forma enlaces covalentes fuertes con la enzima y no
puede ser desplazado del sitio activo, es decir es irreversible.
Muchas enzimas poseen grupos reactivos como el –COO- el –+NH3, -SH, o el –
OH, como parte de sus sitios activos, todo grupo químico que pueda combinarse
con uno o más de sus sitios activos causará la inhibición de la enzima. Los iones de
metales pesados como Ag, Hg, Pb exhiben gran afinidad por estos sitios activos. El
ácido yodo acético es otro inhibidor que se combina específicamente con los grupos
-SH
E
+
I
↓
E-I
+
+
S
S
E-S
E
+
I
↓
E–I–S (inactivo)
+
Ptos
La fijación de S e I no son mutuamente excluyentes.
O
║
Enzima - SH + I– CH2 – C – OH
O
║
Enzima - S– CH2 – C – OH + HI
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Muchos inhibidores se pueden fijar de modo irreversible a E o a E—S por intermedio
de enlaces covalentes.
E
+
I
+
S
E—S
+
I
E—I
(inactivo)
E + Ptos
E—I—S
(inactivo)
Inhibición acompetitiva.
Cuando un complejo ternario no productivo E—I—S se forma exclusivamente como
resultado de la fijación de I a un complejo E—S, la inhibición se denomina
acompetitiva. Si se incrementa S se refuerza el efecto inhibidor.
E +S
E—S
+
I
E—S—I
(Inactivo)
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E
+
Ptos
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Inhibición del producto final.
Se conocen algunas trayectorias biosintéticas en las cuales las enzimas que
catalizan la primera reacción de la trayectoria es inhibida por el producto final que
se forma en la trayectoria.
Enzima a
A
Enzima b
Enzima c
B
C
Enzima d
D
E
Forma en que el producto final inhibe a una enzima: El producto final tiene una
topología complementaria al sitio alostérico de la enzima activa, al colocarse en este
sitio la enzima pierde su forma tridimensional que le confiere su función bioquímica
quedando inactiva. Los inhibidores alostéricos al cambiar la configuración de la
enzima de manera que impiden que el sustrato se pueda unir a él.
SUSTRATO
SUSTRATO
INHIBIDOR
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CLASE# 12
RIBOZIMAS. Las enzimas que no son proteínas.
Es cierto que casi todas las enzimas conocidas son proteínas pero se ha
descubierto que algunas moléculas de ARN pueden funcionar como catalizadores
biológicos. A estas moléculas se las denomina ribozimas y su descubrimiento pone
de manifiesto que la capacidad enzimática no es exclusiva de las proteínas.
Su
actividad
se
basa
en
la transesterificación e hidrólisis del
enlace fosfodiéster.
Transesterificación: Es el proceso
de intercambiar el grupo alcoxi de un
éster por otro alcohol. Estas
reacciones
son
frecuentemente
catalizadas mediante la acción de un
ácido o una base.
Hidrólisis: Reacción ácido-base entre
una sustancia, típicamente una sal, y
el agua.
Corte de un fosfodiéster
Las ribozimas son algunas moléculas de ARN que tienen la capacidad de actuar
como catalizadores, es decir, de acelerar reacciones de forma específica. Al igual
que las enzimas proteicas poseen un centro activo que se une específicamente a
un sustrato y que facilita su conversión en un producto.
El descubrimiento de las ribozimas ha supuesto una revolución en biología
molecular con profundas implicaciones funcionales y evolutivas. Es posible
modificar estas moléculas, por lo que representan una potente herramienta
biotecnológica para degradar RNA específicos. Las ribozimas, al actuar como
"tijeras moleculares", permitirán manipular el RNA fácilmente. Por ejemplo, se
podría proteger contra virus, bacterias o hongos patógenos eliminando,
específicamente su RNA. Se está estudiando la posibilidad de utilizar las ribozimas
contra el virus del VIH los virus herpéticos y el virus del mosaico del tabaco.
Investigue:
1. ¿Qué papel desempeñan las enzimas en la nutrición?
2. ¿Cuál es la importancia de los alimentos crudos, al menos una vez al día?
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