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ENZIMAS. Definición En las células vivientes la mayoría de los catalizadores son moléculas proteicas denominadas ENZIMAS. Formadas por: Apoenzima (función.

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1 ENZIMAS

2 Definición En las células vivientes la mayoría de los catalizadores son moléculas proteicas denominadas ENZIMAS. Formadas por: Apoenzima (función proteica) Cofactor (función no proteica) este puede ser un Ion metálico (Fe,Mg,Zn,Ca) o una molécula orgánica denominada coenzima

3 Propiedades de las Enzimas Las enzimas catalizan reacciones especificas y lo hacen de manera muy eficiente y con muchos pasos de control. Las siguientes son 3 propiedades importantes de las enzimas: Sumamente especificas Muy eficientes Sujetas a una gran variedad de controles celulares

4 Clasificación y Nomenclatura La elevada especificad de las enzimas sirve de fundamento a su clasificación y nomenclatura. Para la clasificación se toma como fundamento la Especificad de Acción y para la nomenclatura ambas especifidades.

5 Clasificación Oxidorreductasas Deshidrogenasas Oxidasas Hidroxilasas Transferasas Quinasas Hidrolasas Fosfatasas Liasas Hidrotasas Isomerazas Mutasas Epimerasas Ligazas Sintetizas Sintasas

6 Oxidorreductasas: catalizan las reacciones de oxidorreducción, o sea, la transferencia de electrones o sus equivalentes entre un donante y un aceptor. Transferasas: catalizan la transferencia de un grupo químico entre un donante y un aceptor excluyendo las que transfieren electrones o sus equivalentes, que pertenecen a la clase anterior y aquellas en que el aceptor del grupo es el agua, pues pertenecen a la clase siguiente. Hidrolasas: catalizan la ruptura de enlaces químicos con la participación de moléculas de agua. Liasas: generan o hacen desaparecer dobles enlaces en forma no oxidativa. Isomerazas: catalizan la interconversion de isomeros. Ligazas: catalizan la unión covalente de 2 sustratos utilizando cualquier fuente de energía.

7 Oxidorreductasas Deshidrogenasas: sustraen átomos de hidrogeno (siempre un par) de los sustratos y los transfieren a una molécula aceptora que no es el oxigeno

8 Oxidasas: sustraen átomos de hidrogeno de los sustratos y los transfieren al oxigeno.

9 Hidroxilasas: catalizan la introduccion de funciones hidroxilo en sus sustratos utilizando oxigeno molecular como donante

10 Transferasas Quinasas: catalizan reacciones de transferencia de grupos fosfato aportados por nucleosidos trifosfatados, habitualmente el ATP.

11 Hidrolasas Fostatasas: catalizan la ruptura de enlaces éster fosforicos.

12 Liasas Hidratasas: adicionan agua a los dobles enlaces.

13 Isomerazas Isomerazas: interconvienen isómeros de función.

14 Mutasas: interconvienen isomeros de posición.

15 Epimerasas: interconvienen epimeros.

16 Ligazas Sintetasas: catalizan la unión covalente de dos sustratos utilizando la energía de hidrólisis de enlaces anhídrido fosforito como los de nucleosidos trifosfatados. Sintasas: catalizan la unión covalente de dos sustratos utilizando la energía de hidrólisis de enlaces que no son anhídrido fosforito, como el tioéster del siguiente ejemplo.

17 Nomenclatura Aunque existen algunas enzimas que tienen nombres triviales como la Tripsina, la Quimiotripsina y la Pepsina, existen dos tipos de nomenclatura para las enzimas que son: la sistemática y la recomendada. La Sistemática solo se utiliza en revistas y textos científicos. La Recomendada es la de uso común y viene a ser una forma abreviada de la sistemática; en ella se nombra primero el sustrato seguido de la acción que realiza la enzima terminada con el sufijo asa.

18 Ejemplos Oxidorreductasas Sustrato Succinato, acción deshidrogenacion, Nombre: Succinato deshidrogenada. Sustrato Aminoácido, acción oxidación, Nombre: Aminoácido oxidasa. Sustrato Fenilalanina, acción hidroxilacion, Nombre: Fenilalanina hidroxilasa. Transferasas Sustrato Glicerol, acción quinasa, Nombre: Glicerol quinasa. Hidrolasas son las mas fáciles de nombrar, pues basta con hacer terminar el nombre del sustrato en el sufijo asa. Sustrato Glucosa-6-P, acción fosfatasa, Nombre: Glucosa-6-fosfatasa.

19 Liasas Sustrato Fumarato, acción hidratasa, Nombre: Fumarato hidratasa. Isomerazas Sustratos Glucosa-6-P y Fructosa-6-P, acción isomeraza, Nombre: Glucosa-6-P:Fructosa-6-P isomeraza o simplemente fosfohexosa isomeraza. Sustratos Glucosa-6-P y Glucosa-1-P, acción mutasa Nombre: Glucosa-6-P:Glucosa-1-P mutasa o fosfoglucomutasa. Sustratos Glucosa-6-P y Galactosa-6-P, acción epimerasa, Nombre: Glucosa-6-P:Galactosa-6-P epimerasa. Ligazas Sustratos Acido Acético y Coenzima A, acción sintetasa, Nombre: Acetal CoA sintetasa. Sustratos Oxalacetato y Acetil-CoA, acción sintasa, Nombre: Citrato sintasa.

20 Importancia Clínica Se sintetizan en el interior de las células y la mayoría realiza allí sus funciones, pero otras son segregadas y funcionan en la matriz extracelular, la sangre, el tubo digestivo u otros sitios del espacio extracelular. Pueden encontrarse libres o unidas a membranas; pueden asociarse a otras enzimas y formar Complejos Multienzimaticos. Pueden contener mas de un Centro Activo catalítico, denominadas Enzimas Multifuncionales. Isoenzimas: catalizan la misma reacción, mismos requerimientos, presentando propiedades diferentes. Algunas reacciones catalizadas por enzimas son comunes a la mayoría de las células. ( presentes en casi todos los tejidos del organismo). Otras reacciones son exclusivas de algunas células, como es el caso de las del hígado. Tienen una distribución determinada y en cada compartimiento subcelular se relacionan con algún proceso que en este ocurre. Aun dentro de cada compartimiento puede existir una distribución. En la sangre las enzimas presentes, como las de la coagulación y las intracelulares que son liberadas por el recambio tisular normal, por lo que no tienen funciones en ella.

21 En las personas sanas las enzimas intracelulares presentes en el plasta es prácticamente constante, estos valores refleja el daño de algún tejido que se acompaña de un incremento de la liberación de enzimas a la sangre. Algunos ejemplos de lo anterior son la elevación de la Glutamato-Piruvato Transaminasa ( TGP ), en enfermedades del hígado como la hepatitis, y de la Glutamato-Oxalacetato Transaminasa ( TGO ), la Fosfo Creatina Quinasa ( CPK ) y la la Lactato Deshidrogenada ( LDH ) en el infarto cardiaco; de tal forma la elevación de estas enzimas puede utilizarse en el diagnostico, seguimiento y pronostico del paciente. Se usan como reactivos para la determinación de ciertas sustancias en una muestra biológica, como la Ureasa para la determinación de Urea en plasma, la Glucosa Oxidasa para la determinación de Glucosa en sangre y la Peroxidasa en los inmunoensayos enzimáticos como los ensayos de la Enzima Ligada a Inmunoadsorbente (ELISA). Son usadas en el tratamiento de algunas afecciones, de las mas conocidas son la Estreptoquinasa, usada en el tratamiento del infarto de corazón, ya que disuelve los coágulos que se forman en la circulación sanguínea del músculo de este órgano, la Quimiotripsina en el tratamiento de abscesos y la Amilasa en los casos de deficiencia como en las pancreatitis.

22 Cinética Enzimática La velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas puede ser modificada por la acción de diversos factores. El comportamiento de esa velocidad y su modificación debido a la presencia de diferentes agentes físicos o químicos constituye el objeto de estudio de la Cinética Enzimatica. Los factores que modifican la velocidad de las reacciones enzimaticas pueden químicos o físicos y son: Concentración de enzima. Concentración de sustrato. Concentración de cofactores. Concentración de iones Hidrogeno (pH). Concentración de Activadores. Concentración de Inhibidores. Temperatura.

23 Efecto de la concentración de Sustrato A mayor concentración de sustrato mayor es la velocidad de reacción, sin embargo los incrementos en la velocidad no son uniformes sino cada vez menores. A mayor concentracion de enzima (E) mayor Vo, siempre que el sustrato se encuentre en exceso.

24 La primera explicación para este comportamiento fue expuesta por LEONOR MICHAELLIS y LEONORA MAUD MENTEN en Según ellos la primera etapa (formación del complejo enzima-sustrato) ocurre de manera rápida y la segunda etapa (transformación de sustrato en producto liberando enzima) resulta ser la mas lenta, por lo que es el paso limitante de la reacción. A concentraciones muy elevadas de sustrato se produce un efecto de saturación y casi toda la enzima se encuentra en forma de complejo enzima- sustrato. En este momento se habrá alcanzado la mayor velocidad posible para la reacción (Vm)

25 Así se obtiene la forma habitual de la ecuación de Michaellis y Menten: Vm (S) Vo= Km + (S) Donde: Vo= Velocidad Inicial Vm= Velocidad Máxima (S)= Sustrato Km= Constante de Michaellis, es un índice de la afinidad de la enzima por el sustrato, ( a mayor afinidad por el sustrato menor será el valor de Km ).

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27 Efecto de la concentración de Cofactores Muchas enzimas requieren para su accion de otra molécula denominada cofactor por lo que su presencia es decisiva para el desarrollo de la reacción. Para todos los cofactores excepto para los grupos prostéticos se presenta como para el sustrato de condición de saturación, ya que estos se unen a la enzima por sitios específicos.

28 Efecto de la Temperatura El aumento de la temperatura produce un incremento de la energía cinética de las moléculas lo cual hace que se produzca un mayor numero de choques efectivos entre ellas, esto hace que los reactantes posean un contenido energético que los ubica mas próximos al estado activado y de esta forma se incrementa la velocidad de la reacción. La mayor Vo se alcanza a un valor de temperatura determinado, denominado Temperatura Optima, luego del cual la velocidad comienza a disminuir y luego desaparecer por la desnaturalización de la proteína enzimática que provoca la perdida de su actividad

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30 Efecto del pH Para cada enzima existe un valor de pH al cual se alcanza la mayor Vo, denominado pH Optimo; cuando los valores de pH aumentan o disminuyen con relación al pH Optimo la velocidad de la reacción disminuye progresivamente. Lo anterior se explica teniendo en cuenta que las variaciones del pH modifican el estado de disociación de los grupos químicos presentes en la enzima o en el sustrato o en el Complejo enzima-sustrato, facilitando o no la unión y/o la transformación

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32 Efecto de los Activadores Los activadores enzimáticos son moléculas pequeñas, (gralmente iones inorgánicos),estimulan la actividad catalítica de una enzima; al contrario de los cofactores, los activadores enzimaticos no son participantes directos de la reaccion. Actuan de diversas formas entre las que se destacan la interacción obligatoria con la enzima y con sustrato libre, por ejemplo: Enzima Libre: Enzimas que poseen iones metalicos en su centro activo como la carboxipepsidasa que contiene Zn2+. Sustrato Libre: Enzimas que catalizan reacciones en las que intervienen nucleosidos di y trifosfatados que requieren de la union previa de un cation divalente (especialmente Mg2+) en cantidades estequiomentricas, por lo tanto, el verdadero sustrato de la enzima seria el complejo sustrato-cation.

33 Efecto de los inhibidores Son sustancias que tienen la propiedad de disminuir la velocidad de las reacciones catalizadas. Se distinguen dos tipos generales de inhibición, la reversible y la irreversible. Inhibición Reversible, el inhibidor forma con la enzima un complejo enzima-inhibidor, unido por interacciones débiles y que por tanto puede disociarse (reconocimiento molecular); Inhibición Irreversible, el inhibidor se une a la enzima covalentemente y no puede disociarse fácilmente.

34 Ejemplos de la inhibición irreversible: 1. Competitiva: el inhibidor es una sustancia con estructura muy similar a la del sustrato y compite con este por la unión del Centro Activo de la enzima. En presencia del inhibidor aumenta la Km pero no la Vm. 2. No Competitiva: el inhibidor se une a la enzima por otro sitio distinto al Centro Activo por lo que no impide la unión del sustrato a este (no se afecta Km) pero si su transformación. La unión del inhibidor a la enzima posiblemente induce un cambio conformacional con la proteína que se transmite al centro activo y hace que los grupos catalíticos no queden de la forma adecuada para realizar su acción (se afecta Vm) una ves que el sustrato se une. En este tipo de inhibición el inhibidor no puede ser desplazado al aumentar la concentración de sustrato.

35 Algunos medicamentos utilizados diariamente la practica medica son inhibidores enzimáticos, como las Sulfamidas, que se emplean en el tratamiento de infecciones bacterianas, el Captopril, el Enalapril y el Lisinopril (hipotensores) inhiben la Enzima Convertidota de Angiotensina. Las Estatinas son ejemplos de inhibidores competitivos al ser analogos estructurales del sustrato de la HMG-CoA reductasa, enzima reguladora de la síntesis del Colesterol. El Plomo es un ejemplo de inhibidor no competitivo, que form enlaces covalentes con los grupos SH de la cisterna de la Ferroquelatasa, enzima que incorpora Hierro a la síntesis del grupo Hemo de la Hemoglobina y de otras hemoproteinas. En general las armas quimicas suelen ser tambien inhibidores enzimaticos que al bloquear determinadas reacciones pueden dañar un organo o tejido especifico.

36 Vitaminas y Cofactores Enzimáticos Los cofactores enzimáticos se requieren en muchas reacciones ya que existen enzimas que poseen en la cadena laterales de sus aminoácidos un numero limitado de grupos funcionales que no incluyen todos los necesarios para intervenir en los mecanismos de las reacciones que ellas catalizan. Las características estructurales de estos cofactores le confieren capacidad de mover sus grupos reactivos de un sitio a otro dentro de la molécula, lo que no pueden realizar ninguno de los aminoácidos proteínicos, y que son esenciales en algunas reacciones. Las vitaminas tienen gran importancia desde en punto de vista nutricional y algunos de los cofactores enzimaticos tienen como componente estructural alguna vitamina. Es importante aclarar que no todas las vitaminas forman parte de cofatores enzimáticos ni todos los cofactores enzimatiecos contienen una vitamina en su estructura.

37 Cofactores Enzimáticos Son sustancias de bajo peso molecular que son requeridos por determinadas enzimas para poder catalizar las reacciones en que participan. Puede decirse que los cofactores enzimáticos son aquellos compuestos orgánicos que "transportan" grupos funcionales, hidrógenos y electrones en colaboración con las enzimas, pues su parte proteica no puede hacerlo por si sola. Algunas coenzimas pueden modificar el estado de agregación de enzimas multiméricas, pueden actuar como intermediarios intercambiables, como sucede en el caso de las mutasas. En muchas ocasiones para las transformaciones de los sustratos es suficiente con la participación de la proteína enzimática, pero en otros casos se requiere el concurso de cofactores. Las proteínas enzimáticas y sus cofactores correspondientes constituyen los sistemas biocatalíticos.

38 Algunos cofactores participan en un tipo de reacción, otros intervienen en un número muy variado, algunos siempre se unen de manera fuerte a la enzima y otros unas veces se ligan con fuerza y otras no. Tipos de cofactores: los iones inorgánicos y los compuestos orgánicos; a estos últimos se les denomina Coenzimas. Los cofactores inorgánicos son casi siempre cationes divalentes como Mg2+, Ca2*, Mn2\ Z2+ y Fe24, aunque también pueden ser monovalentes como el K* e incluso aniones como el CI\ Aunque intervienen en múltiples reacciones, actúan fundamentalmente contribuyendo a la unión entre la enzima y el sustrato, estabilizando la proteína enzimático en su conformación más activa o constituyendo de por sí el centro catalítico principal, que al unirse a la proteína enzimática aumenta su eficiencia y adquiere especificidad.

39 Vitaminas y Coenzimas "Las vitaminas son sustancias orgánicas que no pueden ser sintetizadas (al menos en cantidades suficientes) por el organismo animal y deben ser aporta­das mediante la dieta (esenciales). Se encuentran en cantidades muy pequeñas en los alimentos, pero estas son suficientes en una dieta variada. Cuando se encuentran ausentes de la dieta o cuando su absorción es deficiente, se produ­ce una determinada enfermedad carencial". En total se identificaron 13 vitaminas, que son: las vitaminas liposolubles K, E, D, A, las del complejo vitamínico B tiamina (Bl), riboflavina (B2), nicotinamida o ácido nicotínico (niacina). biotina, ácido pantoténico, ácido fólico, piridoxina (B6) y cianocobalamina (B12) y el ácido L- ascórbico o vitamina C.

40 En general, en la porción vitamínica de la coenzima radica el grupo funcional específico, que es transformado por la acción de la enzima. Por su importancia se analizarán dos tipos de coenzimas que tienen vitaminas en su estructura: los piridín nucleótidos y los flavín nucleótidos.

41 Piridín nucleótidos: Presentan como parte de su estructura la nicotinamida, integrante del complejo B. Existen dos formas coenzimáticas: el nicotin- adenin-dinucleótido (NAD*) y el nicotin-adenin-dinucleótido fosfatado (NADP+).

42 Tanto el NAD+ como el NADP+ participan en reacciones de oxidación-reducción catalizadas por deshidrogenasas. Funcionan con enzimas que sustraen o incorporan al sustrato dos átomos de hidrógeno unidos, directa o indirectamente, al mismo átomo de carbono; como de los dos átomos de hidrógeno sustraídos al sustrato sólo uno se incorpora a la coenzima, se libera un H+ al medio y esto crea en las reacciones una dependencia del pH; Las deshidrogenaciones se ven favorecidas en pH elevado y dificultadas en pH bajo. Esto se hace más claro si se analiza la reacción catalizada por la Alcohol deshidrogenasa: CH3-CH2-OH +NAD+ CH3-COH + NADH + H+

43 Su funcionamiento representa un ciclo de oxidación- reducción alternante (se reducen y luego se oxidan nuevamente). Además de la función del NAD+ en las reacciones de oxidación-reducción, también participa en otras reacciones como donante de grupos. El déficit nutricional de nicotinamida causa la Pelagra, conocida también como la enfermedad de las tres "D", ya que sus síntomas principales comienzan con esta letra: diarrea, demencia y dermatitis. La Pelagra en el ser humano no suele aparecer como una deficiencia pura, sino asociada a la carencia de otras vitaminas, por lo que los enfermos pueden presentar otros síntomas como la polineuritis.

44 Flavín nucleótidos: Presentan como parte de su estructura la riboflavina o vitamina B2. Se presentan dos formas cóenzimáticas: el flavin mononucleótido (FMN) y el flavin-adenin- dinucleótido (FAD).

45 El FMN y el FAD actúan entre un sustrato y una coenzima o entre dos coenzimas. Participan en reacciones de oxidación - reducción catalizadas por deshidrogenasas y oxidasas. Funcionan con enzimas (flavoproteínas) que sustraen dos átomos de hidrógeno de carbonos adyacentes, originando compuestos insaturados, como en e! caso de la Succinato deshidrogenasa.

46 El déficit nutricional de riboflavina es una de las enfermedades nutricionales más frecuentes, aunque es bastante benigna. Se caracteriza entre otras por glositis (inflamación de la lengua), queilosis (fisuras en las comisuras de la boca) y vascularización de la córnea. A menudo se asocia a otros estados carenciales, como de hierro y de nicotinamida (Pelagra).

47 Coenzima A: Es la coenzima de transferencia de grupos acilos más sobresaliente en los sistemas vivientes. La estructura de la molécula es muy compleja y presenta numerosos grupos funcionales, entre los que se destacan un nucleótido de adenina, el Ácido Pantoténico (componente del complejo B) y la b- mercaptoetilamina; estos dos últimos forman la 4-fosfo-panteteína.

48 Muchas experiencias han demostrado que la parte reactiva de ¡a molécula es el grupo SH final; es común utilizar la abreviatura HSCoA para denotar esta coenzima. La formación de los derivados acílicos es catalizada por enzimas sintetasas y requiere ATP (u otro nucleósido trifosfatado) como fuente de energía: Cuando los grupos acilos son grandes su unión con la HSCoA contribuye además a la solubilidad de estos compuestos en el medio acuoso celular. En los seres humanos no se ha comprobado el estado carencial del acido pantoténico.

49 Adenosintrífosfato (ATP): El ATP participa en numerosas reacciones como fuente de energía y/o de elementos estructurales. Como coenzima participa en reacciones de transferencia de fosfato, dé pirofosfato, de adenilato y de adenosilo. Lo explicado del ATP es válido en casi su totalidad para los nucleósidos trifosfatados de citosina, guanina y uracilo.

50 Regulación de la Actividad de las Enzimas "Cuando un sistema o proceso es capaz de variar su comportamiento como respuesta a cambios que se produzcan en su entorno de forma que la respues­ta directa o indirectamente tiende a modificar el estímulo para volver a la situa­ción inicial, se dice que este sistema o proceso está regulado" La regulación enzimática se refiere a la posibilidad que' tienen regulación de variar la velocidad de las reacciones que ellas catalizan al producirse determinados cambios en el medio. Los mecanismos fundamentales de regulación de la actividad enzimática son: la modificación o regulación alostérica y covalente.

51 Regulación Alosterica El término alostérico proviene de las voces griegas allos que significa otro, diferente, y estéreo que significa espacio, sitio, lugar. Son proteínas oligoméricas, es decir, presentan estructura cuaternaria. Existen en varios estados conformacionales interconvertibles y con un grado variable de afinidad por sus ligandos. Se une por un mecanismo de reconocimiento molecular, por lo que el sitio alostérico es un sitio de reconocimiento molecular y la molécula que se une (ligando) se denomina en este caso efector alostérico (se une por interacciones débiles y por lo tanto de forma reversible). Los efectores alostéricos pueden aumentar la actividad de la enzima, efectores alostéricos positivos o activadores alostéricos, o disminuirla, efectores alostéricos negativos o inhibidores alostéricos.

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54 Importancia de la regulación alosterica Los activadores e inhibidores alostéricos son sustancias propias de la célula y sus concentraciones varían como consecuencia de la propia actividad celular. En ocasiones el activador y el inhibidor forman una pareja cuyas concentraciones varían de manera contraría, cuando aumenta la de uno de ellos disminuye la del otro. Estas variaciones de concentración constituyen estímulos que adaptan el funcionamiento de las enzimas a las condiciones celulares. Casi siempre catalizan una de las primeras Rx de las vías metabólicas, regulándolas desde el inicio, permitiendo que éstas funcionen sólo cuando hacen falta. Esta ubicación hace posible que la célula utilice la cantidad indispensable de sustancia y energía para su funcionamiento, sin gastos excesivos, lo cual es una regularidad que se expresa bajo la denominación de Principio de la Máxima Economía.

55 Modificación Covalente La modificación covalente es un mecanismo mediante el cual la unión de un grupo químico de naturaleza no proteica a una enzima por enlace covalente o su separación por ruptura del enlace, modifica su composición y por consi­guiente su conformación y su actividad". Requiere de una enzima que una al grupo y otra que lo separe; esto quiere decir que la enzima regulada puede estar en una forma modificada (con el grupo químico unido) y en una forma no modificada (sin el grupo unido) que son interconvertibles, pero el paso de una forma a otra requiere de la par­ticipación de otra pareja de enzimas. La regulación covalente y la alostérica presentan la misma eficacia, sin embargo, la covalente representa un gasto energético y de enzimas que no se produce en la regulación alostérica. A pesar de esto, la regulación covalente presenta una ventaja que no tiene la alostérica, conocida como fenómeno de amplificación.


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