Nota: Los contenidos del siguiente RESUMEN tienen como función servir como GUÍA para los alumnos. Los temas deben ser
completados con lo dicho en clase y con la Bibliografía recomendada por la cátedra.
Enzimas
INTRODUCCIÓN:
Una reacción química es un proceso por el cual una o más sustancias, llamadas reactivos (o en nuestro caso sustratos),
se transforman en otra u otras sustancias con propiedades diferentes, llamadas productos.
En una reacción química, los enlaces entre los átomos que forman los sustratos se rompen, entonces los átomos se
reorganizan de otro modo, formando nuevos enlaces y dando lugar a una o más sustancias diferentes a las iniciales.
Podemos representar la ecuación de una reacción química de la siguiente manera:
Indicando que el/ los sustratos se transforman en el/ los productos en el transcurso de la reacción.
Toda reacción química lleva asociada una variación determinada de energía: Todas las reacciones químicas tienden a
transcurrir de manera tal que los productos poseen mayor estabilidad y menor energía que los sustratos (la diferencia entre
la energía de los sustratos y la energía de los productos representa la energía liberada durante la reacción).
Para que una reacción ocurra, es necesario que los sustratos adquieran una pequeña
cantidad de energía, necesaria para ¨activarlos¨ y permitir su reacción: Esa energía se
conoce como ¨Energía de activación¨
Ea: cantidad de energía que deben adquirir los sustratos para poder reaccionar.
Representa la diferencia entre la energía inicial de los sustratos y el ¨pico¨ de energía
en el gráfico.
¿Cómo adquieren esa energía los sustratos?
A través de colisiones entre sus moléculas:
Todas las moléculas se encuentran en continuo movimiento o ¨difusión¨. Ese movimiento depende directamente de la
energía que poseen. En ese movimiento continuo las moléculas colisionan unas con otras, y en esas colisiones existe una
transferencia de energía entre ellas. Cuando 2 sustratos chocan con la suficiente energía (correspondiente a la Ea), la
reacción se produce.
Si bien muchas reacciones en la naturaleza ocurren de manera espontánea, la VELOCIDAD de las mismas puede llegar a
ser muy variable.
Para saber si una reacción es rápida o lenta, hay que conocer la velocidad a la que transcurre. Podemos definir velocidad
de reacción como la variación de cantidad de sustancia formada o transformada por unidad de tiempo.
(En general, para determinar la velocidad de una reacción, hay que medir la cantidad de reactivo que desaparece o la
cantidad de producto que se forma por unidad de tiempo).
Uno de los mayores determinantes de la velocidad de las reacciones químicas es la energía de activación. Cuanto mayor
sea esta (y mayor el ¨salto energético¨ que necesiten los sustratos para reaccionar) más lenta va a ser la reacción: Los
sustratos pueden colisionar innumerables veces y aun así no alcanzar en esos choques la energía necesaria para
reaccionar. Si la Ea es pequeña, en cambio, es más probable que un choque sea efectivo, y la reacción se produzca.
Una forma simple de aumentar la velocidad de una reacción química es, entonces,
aumentando la temperatura: Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía
inicial de los sustratos (a mayor temperatura, las moléculas se mueven más rápido y
colisionan más veces). Si los sustratos poseen mayor energía, el ¨salto energético¨ o
Ea se reduce y la velocidad de la reacción aumenta.
La línea azul en el gráfico representa la reacción química una mayor temperatura.
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Pero en los sistemas vivientes, el aumento de la temperatura no es una estrategia viable para acelerar las reacciones: las
estructuras celulares (formadas por lípidos, proteínas, hidratos de carbono y ácidos nucléicos) son muy sensibles al
aumento de la temperatura, pudiendo esta modificar la estructura química de las moléculas que las componen
(desnaturalización).
Por eso es que se utilizan CATALIZADORES BIOLÓGICOS (Enzimas).
Un catalizador aumenta la velocidad de las reacciones porque, combinándose de
manera reversible con el/los sustratos, disminuye la energía de activación de los
mismos.
En el gráfico, la línea roja representa el transcurso de una reacción catalizada:
Una vez que se une al sustrato y cataliza la reacción, la enzima libera el producto y se
encuentra en el mismo estado en el que se encontraba antes de catalizar la reacción
(la reacción no modifica su estructura química, simplemente sirve como ¨vehículo¨).
NATURALEZA QUIMICA DE LAS ENZIMAS
Si bien se han reconocido hasta la fecha algunas de naturaleza nucleotídica, la gran mayoría son proteínas,
están constituídas por aminoácidos. No obstante, podemos hacer la siguiente distinción:
 Enzimas simples: la hidrólisis total genera únicamente aminoácidos. Ejemplos: pepsina, tripsina,
ureasa, alfa amilasa, etc..
 Enzimas conjugadas: para ejercer su acción, requieren de una parte No proteica, el COFACTOR.
El cofactor colabora junto con la enzima en la reacción química. Al conjunto de la parte proteica + la no
proteica se lo conoce con el nombre de HOLOENZIMA, siendo el conjunto la forma activa de la enzima;
la apoenzima sola es inactiva ya que si no está presente el cofactor las enzimas no pueden actuar.
El cofactor puede tener naturaleza inorgánica (ión, ej: Fe, Cu, Mg, etc) u orgánica: COENZIMA.
Las coenzimas son moléculas orgánicas cuya función es tomar o ceder grupos químicos y electrones.
Ejemplos: NAD, NADH, FAD, FADH
( NAD+ toma e- y H+ ; NADH cede e- y H+ ; FAD+ toma e- y H+ ; FADH cede e- y H+)
GRUPO PROSTÉTICO: Se denomina así al cofactor unido covalentemente a la proteína.
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LAS ENZIMAS SON PROTEÍNAS CON ESTRUCTURA GLOBULAR TERCIARIA (MICHAELIANAS) O
CUATERNARIA (ALOSTÉRICAS)
Poseen un sitio activo que es donde se introduce el sustrato y donde es catalizada la reacción.
El sustrato se une al sitio activo de forma REVERSIBLE a través de interacciones de tipo intermolecular (débiles).
Las enzimas son específicas para los sustratos y para las reacciones que catalizan, y su estructura globular es
indispensable para que realicen sus funciones, si esta se ve alterada por Desnaturalización, su Actividad Biológica se
pierde.
Enzimas Michaelianas
Proteínas con estructura globular terciaria.
Características del Gráfico “Velocidad en función de la concentración de Sustrato”:
Éstos gráficos se realizan midiendo la velocidad de formación de producto en distintas reacciones en las cuales la
cantidad de enzima es constante y varía (aumenta) la concentración de sustrato. Para cada concentración de sustrato, se
mide la Velocidad de reacción.
Puede observarse que la velocidad de reacción va aumentando proporcionalmente a
medida que aumenta la concentración de sustrato (al principio de la curva), y llega
un momento en el que la pendiente empieza a disminuir hasta el punto en que la
velocidad se hace constante. Ése es el punto de saturación: Por más que siga
aumentando la concentración de sustrato, las enzimas no pueden catalizar las
reacciones a una velocidad mayor.
En ese punto las enzimas alcanzaron su velocidad máxima (todos los sitios activos
de todas las enzimas se encuentran ocupados y las enzimas están catalizando la
reacción a su máxima velocidad).
La Km, es la concentración de sustrato que corresponde a la mitad de la velocidad
máxima, y es una medida de la afinidad de la enzima por el sustrato. A mayor
afinidad, menor Km (porque hace falta una MENOR concentración de sustrato para
alcanzar la mitad del punto de saturación de la enzima).
Inhibidores
Los inhibidores son sustancias exógenas (que no son propias de la célula) y que inhiben el funcionamiento de las enzimas.
Hay dos tipos de inhibidores para las enzimas:
Irreversibles: Se unen de forma covalente a la enzima e inhiben la actividad enzimática PERMANENTEMENTE.
Reversibles: Se unen a través de uniones débiles (de tipo intermolecular). Por eso es que son reversibles: el inhibidor se
une, y luego puede separarse.
Podemos diferenciar 2 tipos:
Competitivos: Se unen en el SITIO ACTIVO impidiendo la unión del sustrato.
En el gráfico se observa que aumenta la Km (o sea, es como si disminuyera la
afinidad de la enzima por el sustrato) dado que parte de los sitios activos están
“ocupados” por el inhibidor.
Aún así, la velocidad máxima se mantiene constante: si aumenta mucho la
concentración de sustrato, llega un punto en el que la cantidad de inhibidor es muy
pequeña con respecto a la cantidad de sustrato. El efecto se revierte porque ambos,
sustrato e inhibidor, compiten por el mismo sitio de unión.
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No Competitivos: En éste caso el inhibidor se une a un sitio diferente del sitio
activo, impidiendo que la enzima catalice la reacción.
La afinidad de la enzima por el sustrato no cambia (Km constante), dado que la
inhibición no impide la unión entre ambos.
Sí se modifica la velocidad máxima: en todo momento siempre va a existir un
número determinado de las enzimas que no pueda catalizar la reacción porque se
encuentran inhibidas. (Las enzimas ¨libres¨ del inhibidor siguen teniendo la misma
afinidad por el sustrato.)
Dado que no existe una competencia por el sitio de unión, el aumento de la
concentración de sustrato NO REVIERTE los efectos del inhibidor.
Enzimas Alostéricas
Proteínas con estructura globular cuaternaria.
Poseen más de una subunidad globular (protómero), cada una con un sitio activo (vale lo mismo que para el sitio activo
de las enzimas michaelianas) y un sitio alostérico. En estos últimos se introducen distintos moduladores alostéricos cuya
función es la de modificar la actividad de la enzima según las necesidades de la célula.
Características del Gráfico “Velocidad en función de la concentración de Sustrato”:
En el caso de las enzimas alostéricas, no se define Km, dado que la afinidad por el
sustrato no es constante:
Estas enzimas poseen más de un sitio activo. A medida que estos van siendo
ocupados, se producen cambios conformacionales en la estructura globular de la
proteína que ¨expone¨ al resto de los sitios activos facilitando la unión con el
siguiente sustrato. Entonces, a medida que se van uniendo los sustratos a los sitios
activos, la afinidad de la enzima por el sustrato aumenta. Esto se conoce con el
nombre de Efecto Cooperativo, y es responsable de la forma sigmoidea que
presentan las curvas de cinética de estas enzimas. A bajas concentraciones de sustrato
la enzima presenta menor actividad que a altas concentraciones, dado que su afinidad
por el sustrato es menor (compárenlo con el gráfico se michaelianas, si los
superponen se van a dar cuenta que a bajas [S] la enzima alostérica actúa a menor
velocidad que la michaeliana).
Moduladores:
La diferencia entre un inhibidor y un modulador alostérico es que estos últimos son moléculas endógenas (que se
encuentran normalmente en la célula) y que pueden tanto aumentar como disminuir la actividad de las enzimas.
La modulación alostérica es una de las estrategias utilizadas para regular la actividad de las enzimas y, como
consecuencia, la concentración de distintos sustratos y productos del metabolismo celular, el consumo de energía y la
homeostasis.
Los moduladores alostéricos positivos o negativos se unen en los sitios alostéricos de la enzima regulando su actividad,
modificando su afinidad por el sustrato y/o su velocidad máxima:
El gráfico cambiaría de la siguiente manera:
El modulador negativo (azul) disminuye la afinidad de la enzima por el sustrato
de manera que hace falta más cantidad de sustrato para alcanzar la misma
velocidad que se alcanzaba sin modulador (negro). Al mismo tiempo, disminuye
la velocidad máxima de la enzima.
Lo contrario ocurre con el modulador positivo (rojo). A bajas concentraciones de
sustrato se alcanza mayor velocidad que sin el modulador, y la Velocidad
máxima de catálisis aumenta.
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Las enzimas alostéricas suelen encontrarse al principio de vías metabólicas (que son reacciones enzimáticas
“encadenadas” en las cuales el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente reacción):
Al regularse la actividad de la primera enzima de la vía (o una de las primeras), se regulan TODAS las reacciones de la
vía (las enzimas que catalizan las siguientes reacciones tendrán una menor concentración de sustrato disponible para
reaccionar).
Ejemplificamos dos mecanismos de regulación de la actividad:
Feed-Back (o inhibición por producto final):
Cuando se acumula uno de los últimos productos de la vía metabólica (D), actúa como un modulador negativo sobre la
enzima alostérica 1 (E1), disminuyendo su actividad. De ésta forma, cuando se acumula “D”en la célula, éste actúa
disminuyendo la velocidad de su propia síntesis.
Activación por Precursor:
En éste caso, el primer sustrato actúa como modulador positivo de la enzima 1 (E1). Entonces, cuando se acumula dicho
sustrato en la célula, se une al sitio alostérico de E1 aumentando su actividad (aumenta la velocidad en que A se consume
para formar B en la reacción catalizada por la enzima 1).
Regulando la actividad de las enzimas de esta manera, puede inhibirse la síntesis de moléculas que se encuentran en
mucha cantidad, utilizarse el sustrato de dicha vía metabólica para sintetizar otra molécula diferente que SI sea necesaria.
Supongamos que hay mucha cantidad de Glucosa en la célula. Esta inicialmente se degradará en la vía metabólica de la
Respiración Celular, cuyo objetivo es obtener ATP (energía).
Si se acumula mucho ATP (producto final de la vía), este actúa como modulador alostérico negativo de la primera enzima
alostérica (E1 roja), inhibiendo su actividad a través de un Feed-back negativo.
De esta manera, la Glucosa puede ser utilizada en otra vía metabólica: La síntesis de un polisacárido de reserva como el
Glucógeno: la Glucosa actúa como modulador alostérico positivo de la primera enzima de dicha vía (E1 azul),
aumentando su actividad y favoreciendo la síntesis de Glucógeno.
Efectos del pH, y de la temperatura
Los efectos del pH y de la temperatura sobre la actividad enzimática son válidos para ambos tipos de enzimas. (Los
gráficos de Velocidad en función de la temperatura o del pH se encuentran en la guía de Actividades).
Temperatura:
Se observa que la actividad aumenta a medida que aumenta la temperatura, porque la velocidad de la mayoría de las
reacciones químicas aumenta con la temperatura: como se mencionó previamente, si aumenta la energía de los sustratos,
es menor el ¨salto energético¨ que tienen que dar para que se produzca la reacción se produzca.
En el caso de las reacciones enzimáticas, esto ocurre hasta que se llega la temperatura óptima de la enzima
(aproximadamente 37 grados para las enzimas que actúan a nivel fisiológico en animales de sangre caliente).
Ésta es la temperatura a la cual la enzima alcanza su máxima actividad.
A temperaturas mayores, la enzima, como cualquier proteína, comienza a sufrir los efectos de la temperatura: se rompen
las uniones débiles que mantienen las estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria (desnaturalización), perdiéndose por
ende su actividad biológica, o sea su capacidad de catalizar reacciones químicas específicas.
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NOTA: Existen enzimas que son capaces de actuar, sin desnaturalizarse, a grandes temperaturas. Se conocen como enzimas
termorresistentes, y su temperatura óptima puede ser tan alta como de 60ºC.
Asimismo, también existen enzimas llamadas enzimas termolábiles, cuya temperatura óptima es muy baja (5ºC) y a temperaturas
mayores sufren los efectos de la desnaturalización.
pH:
Dada las características de las proteínas y de los aminoácidos, el pH puede o no afectar a la estructura de las mismas. Esto
dependerá de las características acido/básicas de sus aminoácidos constituyentes:
Si la proteína presenta en su estructura aminoácidos ácidos y básicos, las variaciones de pH pueden modificar las cargas
positivas o negativas de los mismos y romper una de las interacciones responsables de la ESTRUCTURA GLOBULAR
(terciaria o cuaternaria) de la proteína: ¨puentes salinos¨. Si la estructura globular se altera (desnaturalización) se pierde la
actividad biológica de la enzima.
Por eso es que existen proteínas cuyo pH óptimo es neutro, otras con pH óptimo ácido y otras con pH óptimo alcalino, así
como otras que no son sensibles a los cambios de pH: Depende cada proteína y de su secuencia de aminoácidos.
Estrategias para regular la actividad enzimática en las células:
 Moduladores alostéricos: Mecanismos de Feed-Back y Activación por Precursor mencionados anteriormente. Se
usan como estrategia para mantener la homeostasis en la célula y poder derivar los sustratos a distintas vías
metabólicas según sean necesarios.
 Modificaciones covalentes: Por medio de la unión COVALENTE de ciertos grupos (por ejemplo el grupo fosfato)
se puede activar o desactivar una enzima. Entonces, cuando la célula necesita que una enzima determinada actúe
la puede activar (ya sea adicionándole o quitándole el grupo fosfato, según la enzima) y viceversa.
Vale aclarar que dichas modificaciones involucran la formación o ruptura de enlaces covalentes, por lo tanto SON
REACCIONES QUÍMICAS QUE ESTÁN CATALIZADAS POR OTRAS ENZIMAS.
 Proteólisis: Muchas veces, las enzimas son sintetizadas en una célula pero tienen que cumplir su función en otro
compartimiento fisiológico (ejemplo: enzimas pancreáticas son sintetizadas por células del páncreas pero actúan
en el intestino). Entonces, se sintetizan en una forma inactiva ZIMÓGENO. En los zimógenos, a la estructura
primaria de la proteína le “sobra” una porción. Cuando el zimógeno llega al lugar donde debe actuar, hay enzimas
que “cortan” ésa porción sobrante de la cadena polipeptídica y de ésta manera lo activan.
 Regulación de la expresión: El mecanismo a largo plazo para regular la actividad enzimática es la inducción o
represión de su síntesis. Esto se logra a nivel genético: Las proteínas son sintetizadas gracias a que el ADN
“copia” a ARN una porción de la información que lleva almacenada. Luego, el ARN “lleva” dicha información
desde el núcleo hasta el citoplasma, y ésa información es traducida por los ribosomas, que sintetizan la proteína.
La “inducción” o la “represión” acelera o inhibe el proceso EN EL ADN, induciendo o reprimiendo el copiado de
la información.
En definitiva, lo que se está regulando es la cantidad de enzimas presentes en la célula (En los mecanismos
anteriormente mencionados, se regulaba la actividad de las enzimas que ya estaban presentes en la célula).
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