METABOLISMO CELULAR Y ENZIMAS
Las reacciones se clasifican de acuerdo a su dependencia energetica, así las reacciones exergónicas son aquellas que liberan energía y las endergónicas son las que la necesitan o utilizan.
Las reacciones se dan bajo condiciones ambientales que por lo general son con un pH cercano a la neutralidad y con una temperatura próxima a los 37ºC. Bajo estas condiciones se dan reacciones, pero siendo dificil este equilibrio ambiental en todo el organismo, la célula poseen compuestos químicos que controlan las reacciones que ocurren en su interior. La sustancia que controla la velocidad de la reacción química sin que la célula sufra algún daño o se destruya se denomina catalizador. Las enzimas son los catalizadores específicos que poseen las células para acelerar estos procesos metabolicos que en las condiciones antes mecionadas pueden transcurrir muy lentamente.
Las enzimas permiten que en la célula se den las reacciones esenciales para su desarrollo, de forma ordenada, regulada y adaptada a las circustancias del organismo, acelarando dichas reacciones hasta hacerlas casi instantáneas, esto logrado al propircionar una vía de reacción alternativa que requiere menos energía que la reacción sin catalizar.
A la mayoría de las enzimas se le ha comprobado se naturaleza proteíca. Son catalizadores muy potentes y eficaces que actúan en pequeña cantidad y se recuperan indefinidamente. No llevan acabo reacciones que sean energéticamente desfavorables, no modifican el sentido de los equilibrios químicos, sino que aceleran su consecución. Como buen catalizador, las enzimas recuperan su estado inicial tras cada ciclo catalítico, siendo más eficiente cuando es reutilizada.
Las reacciones que son catalizadas por enzimas se les denomina reaciones o sistemas enzimáticos, que están formados por:
* SUSTRATO: sustancia trasformada por la enzima (reactante).
* COENZIMA (grupo protético): moléculas que en general son de naturaleza orgánica a la cual esta unida la apoenzima (componente proteínico de una enzima que carece de un cofactor esencial) que dan a las enzimas gran versatilidad química, debido a que poseen grupos reactivos que no están presentes en las cadenas laterales de sus aminoácidos o que pueden actuar como transportadoras de moléculas de sustrato. La mayoria de las vitaminas son importantes coenzimas, realmente las deficiencias producidas por la falta de vitaminas responde a que no se puede sintetizar una determinada enzima en la que la vitamina es la coenzima. Algunas vitaminas que actúan como coenzimas son:
Otras coenzimas de gran importancia biologica:
Algunas coenzimas sólo se unen de manera transitoria a la enzima y son esenciamente cosustratos, mientras que otras están unidas con enlaces covalentes o no covalentes. El cuerpo sintetiza sustancias parecidas a las vitaminas que son algunas de las del grupo anteriormente mencionado.
* COFACTORES: son iones o moléculas inorgánicas, también llamadas activadoras, que favorecen el trabajo de las enzimas, algunos son los iones de K+, Ca2+, Fe3+, Mg2+, Zn2+ .
A diferencia de los catalizadores inórganicos, cada clase de molécula enzimática contiene una superficie de unión de forma enrevesada y única denominada sitio activo. Los sustratos se unen al sitio activo que no sólo el lugar de unión. Varias de las cadenas laterales de los aminoácidos que se encuentran en este sitio participan de forma activa en el proceso catalítico.
Una de las más relevantes propiedades de las enzimas es su especificidad, por la cual cada enzima puede catalizar una reacción o pocas. Esta propiedad es exolicada por el modelo de la llave y la cerradura, propuesto por Emil Fischer en 1890, que propusó que cada enzima se une a un único tipo de sustrato debido a que el sitio activo y el sustrato poseen estructuras complementarias.
Despúes Daniel Koshland propusó una variante al modelo donde consideraba que la unión del sutrato producia un cambio conformacional de la enzima, considerando la estructura flexible de las proteínas; este modelo se denomino modelo del ajuste inducido.
Las actividades de algunas enzimas pueden regularse. Los organismos pueden controlar de forma directa las acrividades enzimáticas, principalmente a través de la unión de activadores o inhibidores (modificación covalente de las moléculas enzimáticas), o de manera indirecta, regulando la síntesis de la enzima, lo cual requiere cambios de la expresión génica.
NOMENCLATURA Y CLASIFCACIÓN DE LAS ENZIMAS
De manera general las enzimas se nombran añadiendo el sufijo asa al sustrato sobre el cual actúa o tipo de reacción que cataliza. Para ser más especifica este nomenclatura ahora se da con la utilización de cuantro digitos que indican las especificaciones de cada enzima así:
A , B ,C , D
A: clase
B: subdivisión de clase
C: subdivisión de la subclase
D: número de la enzima
CLASES
* OXIDO-REDUCTASAS: cataliza las oxido- reducciones biologicas (transferencia de electrones acompañadas del cambio compensatorio de la cantidad de hidrógeno y oxígeno de la molécula). Ej: deshidrogensa alcohólica, reductasa, oxigenasa, oxidasas y peroxidasas. * TRANSFERRASAS: catalizan reacciones de transferencia de C, N o P contenidos en grupos como amino, acilo, fosfato, glucosilo, fosforilo.carboxilo y monocarbonado. * HIDROLASAS: Catalizan reacciones donde se rotura de enlaces como C-O, C-N y O-P, por adición de agua. Ej: esterasas, fosfatasas, peptidasas. * LIASAS: catalizan reacciones en las que se adicionan o eliminan los elementos del H2O, NH3 o CO2 a dobles enlaces. Ej: descarboxilasas, hidratasas, deshidratasas. 
* LIGASAS: catalizan formación de enlaces entre dos moléculas de sustrato. Ej: la ligasa de DNA une entre sí fragmentos de la cadena de DNA, sintetasa, carboxilasa.
* ISOMERASAS: catalizan reacciones de varios tipos de reordenamientos intramoleculares:
+ epimerasas: catalizan la inversión de átomos de carbono asimétricos.
+ mutasas: catalizan transferencia intramolecular de grupos funcionales.
MECANISMO DE ACCIÓN Y CINÉTICA
Los sustratos se unen al sitio activo, que en general es una hendidura o grieta en una molécula grande, pero como ya habiamos mencionado el sitio activo no solo participa en la unión sino que también participa de forma activa en el proceso catalítico con las cadenas laterales de los aminoácidos que se encuentran en él. La forma y la distribución del sitio activo de una enzima limitan los movimientos y las conformaciones permitidas del sustratto, haciendo que éste se asemeje más al estado de transición, es decir, la estructura del sitio activo se utiliza para orientar de forma óptima al sustrato. Como resultado, el complejo enzima-sustrato se convierte en producto y energía libre sin el requerimiento de alta energía del estado limitado. Como consecuencia de ello la velocidad aumneta en grado significativo respecto a la reacción no catalizada. Las enzimas, como todos los catalizadores, no alteran el equilibrio de la reacción sino que aumenta la velocidad hacia el equilibrio.
Las enzimas son catalizadores altamente efectivos por lo que solamente se necesitan pequeñas cantidades de ella respecto al sustrato, tienen la capacidad de actuar sobre millones de moléculas por minuto, y son reutibizables indefinidamente. Debido principalmente a su estructura terciaria y sus enlaces iónicos y de hidrógeno podemos entender la sencibilidad de la enzima a la temperatura y pH.
A mayor temperatura mayor velocidad en la reacción ya que se dan mayor número de colisiones. La velocidad aumenta ya que hay más moléculas con la energia suficiente para entrar en estado de transición. Sin embargo a temperaturas demasiado elevadas las enzimas al ser proteínas experimentan una desnaturalización perdiendo su actividad catalítica, por elo hablamos de una temperatura óptima en la que la enzima actúa con máxima eficiencia.
La variación de la concentración de los iones de hidrógeno puede afectar la ionización de los grupos del sitio activo, ya que si un sustrato contiene un grupo ionizable un cambio de pH puede alterar su capacidad para unirse al sitio activo, por eso cada enzima también tiene un pH óptimo ( pepsina: 2, quimiotripsina:8)
El sustrato se une a la enzima a través de numerosas interacciones débiles como son: puentes de hidrógeno, electrostáticas, hidrófobas, etc , en el sitio activo, por ello son tan suceptibles a cambios ambientales.
Existen unas sustancias que reducen la actividad de una enzima que se denominan inhibidores. Entre estos encontramos algunos de los farmacos, antibioticos, venenos y otros productos de gran importancia para la regulación de las vías metabólicas, de cauerdo a las caracteristicas de sus actividad pueden ser:
INHIBIDORES ENZIMÁTICOS REVERSIBLES: son aquellos que hacen procesos que pueden rvertirse porque se dan bajo enlaces no covalentes, pueden contrarrestarse incrementando la concentración del sustrato o retirando el compuesto inhibidor sin alterar la enzima. Estos a su vez pueden ser:
* Competitivos: el inhibidor se une a la enzima libre y compite con el sustrato por el sitio activo.
* No competitivos: el inhibidor puede unirse tanto a la enzima como al complejo enzima sustrato, se une a un lugra diferente del sitio activo ocasionando la modificación de la enzima e impidiendo la formación del producto.
* Acompetitivos: el inhibidor sólo se une al complejo ES, por lo que es eficiente a bajas concentraciones de sustrato porque hay poco complejo ES presente.
INHIBIDORES ENZIMÁTICOS IRREVERSIBLES: los inhibidores se unen de forma covalente a la enzima, con frecuencia a una cadena lateral del sitio activo (toxicos, venenos).
La tasa o velocidad de una reacción bioquímica se define como el cambio de la concentración de un reactante o producto por unidad de tiempo.
A--------B (velocidad dependiente del reactante)
Bajo este estudio cinético se describen tres ordenes de reacciones:
*Orden 1: cuando la velocidad depende del primer poder de concentración de un único reactante y sugiere que el paso limitante de la velocidad es una reacción unimolecular (no se requieren colisiones moleculares)
V= K (A)1
* Orden 2: A+ B-----------P, si el orden es 1 para cada uno de los reactantes se dice que es de segundo orden. Deben colisionar A y B para que se forme el producto (reacción biomolecular).
V= K (A)1(B)1
* Orden 0: se da cuando la adición de un reactante no altera la velocidad de reacción siendo:
V= K (A)0 = K
MICHAELIS MENTEN:
siendo:
K 1: constante de velociada
K -1: constante de velocidad de la disociación de ES
K -2: constante de velocidad de la formación y liberación del producto del sitio activo
Obteniendo la siguiente ecuación:
Km = Vmax (S)/ (S)+Km
Siendo la costante de disociación del complejo enzima-sustrato, que graficamente es la concentracíon a la cual se consigue la mitad de la velocidad máxima.
DIAGRAMAS DE LINEWEAVER- BURK
La ecuación de michaelis menden, cuya grafica es una hiperbola, puede reordenarse onteniendo su expresión recíproca:
Que graficamente es:
FUENTES:
WOLFE, Drew H. Química General Organica y Biologica. México : McGraw Hill Interamericana. 1996. Pag 450-460
SITIOS DE INTERÉS Y HERRAMIENTAS INFORMATICAS:
* En siguiente video se presenta de manera amplia la descripción de la diferentes enzimas que actúan como catalizadores de procesos metabolicos en nuestro organismo, clasificandolas de acuerdo a su especificidad, y demostrando la importancia de la dieta como aporte de enzimas para el correcto funcionamiento del organismo.
* Una excelente herramienta para la comprensión de los principios termodinámicos y las reacciones químicas que explica de forma clara a través de completas ilustraciones es la pagina:
* Para una completa comprensión de la tématica es necesario tener muy claro el concepto de proteína y sus componentes que son los aminoácidos, para hacer un breve repaso de sus generalidades podemos acceder a un mapa conceptual que ilustra esta informacíon de excelente forma:
* Este articulo permite identificar como se determina la constate de disociación a partir del estudio cinetico de las reacciones mediandas por enzimas, permitiendonos tener un mejor dominio del tema de la cinética enzimática:
* Para conocer de manera más amplia la importancia de las proteínas dentro de todo este proceso catalitico anteriormente expuesto podemos acceder a la pagina:
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