Enzimas y Cinética Enzimática: Propiedades, Clasificación y Regulación

ENZIMAS

Concepto de Enzima

Las enzimas son catalizadores biológicos, proteínas (con excepción de los ribosomas). Actúan sobre sustancias llamadas sustratos, modificándolas, pero sin que ellas sufran modificación. La parte de la enzima donde se une el sustrato para ser modificado se llama centro activo.

Características Principales

• Gran poder catalítico: gracias a la fijación estereoquímica del sustrato y la transformación catalítica del mismo.
• Gran especificidad: para la reacción que catalizan y para el sustrato sobre el que actúan.

Propiedades de un Catalizador

1. Es necesario en cantidades trazas comparado con los reactantes.
2. Permanece inalterado tras la finalización del ciclo catalítico.
3. No altera el equilibrio químico.
4. Favorece ambos sentidos de la reacción.

Propiedades de los Centros Activos

1. Es una pequeña región de la molécula enzimática.
2. Está formada por grupos químicos procedentes de diferentes partes de un aminoácido.
3. El sustrato se une al centro activo por medio de enlaces débiles y es en general apolar.

Propiedades de las Enzimas

1. Son proteínas (15KD – 1000KD).
2. Muestran las mismas propiedades físicas y químicas que estas (desnaturalización, precipitación y sensibilidad a proteasas).
3. Elevada especificidad.
4. Permiten la regulación de las reacciones químicas a través de la inhibición de la enzima por los efectores.

Poder Catalítico de las Enzimas

Para que una molécula pueda experimentar una reacción química es necesario que alcance un estado energético llamado estado de transición. La diferencia entre el estado habitual y este es denominada energía de activación. Con la actuación de la enzima, la reacción se lleva a cabo a una velocidad mayor.

Coenzimas y Cofactores

Al hablar de enzimas:

• Holoproteína: la cadena polipeptídica le basta para llevar a cabo la catálisis.
• Heteroproteína: necesita un cofactor para llevar a cabo su función.
• Cofactor: Herramienta requerida por alguna enzima para poder actuar. Hay 2 tipos: iones metálicos y moléculas orgánicas.

Características de las Coenzimas

1. No son proteínas.
2. Bajo peso molecular.
3. Gran movilidad electrónica.
4. Termoestables.
5. Radica en ellos la actividad catalítica.
6. Reaccionan molécula a molécula con el sustrato.
7. Los precursores suelen ser las vitaminas.
8. Vuelven al estado inicial.

Isoenzimas

Son formas moleculares de un mismo enzima que constituyen un mecanismo de regulación. Todas ellas catalizan la misma reacción, pero difieren en sus propiedades moleculares y cinéticas. Pueden separarse por electroforesis. Y pueden estar en forma activa o inactiva en diferentes compartimentos intracelulares.

Clasificación de las Enzimas

1. Oxidorreductasas: (citocromo o oxidasa) transferencia de hidrógeno o electrones. //ácido reducido + Base oxidada ----> Aox + Bred
2. Transferasas: (glucokinasa) catalizan la transferencia de un grupo químico de un sustrato a otro. ///A-X ---> A + B-X
3. Hidrolasas: (ureasa) catalizan la ruptura de un enlace químico por la adición de una molécula de agua. ///A-B + H₂O ---> A-H + B-OH
4. Liasas: (descarboxilasas) catalizan la ruptura de enlaces C-C, C-O, C-N y C-S por un mecanismo distinto a la hidrólisis o la oxidación. ///A-B ---> A=B + X-Y
5. Isomerasas: (mutasas) catalizan reacciones de isomerización.
6. Ligasas: (carboxilasas) catalizan la unión de 2 grupos químicos a expensas de la hidrólisis de un enlace de alta energía. ///A+B+ATP---> A-B+ADP+ P

CINÉTICA ENZIMÁTICA. INHIBICIÓN ENZIMÁTICA

Las reacciones químicas pueden clasificarse basándose en el número de moléculas que en total deben reaccionar o desde un punto de vista cinético.

Tipos de Reacciones

• Reacciones de Orden 1: son las que tienen lugar a velocidad exactamente proporcional a la concentración de un reaccionante.
• Orden 2: Cuya velocidad es proporcional al producto de la concentración de 2 reaccionantes.
• Orden 3: cuya velocidad es proporcional al producto de 3 términos de concentración.
• Orden 0: la velocidad es independiente de la concentración de cualquier reaccionante.

Cinética Michaeliana

Conforme aumenta la concentración del sustrato, aumenta la velocidad de la reacción. Llegará a un momento en el que la enzima se satura: Fenómeno de Saturación. /////// 1/v₀=K_m/V_max[s] + 1/V_max

Constante de Michaelis (K_m): K_m es la concentración de sustrato que da la mitad de la velocidad máxima, es una propiedad intrínseca de cada enzima y por tanto puedo compararlas. Una mayor K_m indica una menor afinidad de la enzima por el sustrato.

Ecuación de Michaelis - Menten: v₀=V_max x [s]/(K_m + [s]) ----- donde K_m es la medida de afinidad de la enzima por el sustrato.

Factores que Afectan a la Velocidad de Reacción

• pH: cada enzima viaja a una velocidad máxima. Dicho valor es el pH óptimo de cada enzima.
• Temperatura: el calor favorece, y a una determinada temperatura la reacción se paraliza produciéndose desnaturalización.

Inhibidores

Un inhibidor es un efector que disminuye la actividad enzimática a través de las interacciones con el centro activo u otros centros específicos (alostéricos). De esta forma, habrá 2 tipos de inhibidores:

• Isostéricos: ejercen su acción sobre el centro activo.
• Alostéricos: ejercen su acción sobre otra parte de la molécula.

Inhibidores Isostéricos

Estos pueden ser:

• Reversible: establece un equilibrio con la enzima libre, con el complejo enzima-sustrato o con ambos. E+I EI
• Irreversibles: Modifica químicamente a la enzima: E+I -> E'

Inhibidor Irreversible

Se modifica la configuración de una enzima, sin que esta pueda recuperarla. Estos se combinan con un grupo de la enzima que es esencial para la catálisis y lo destruyen. Un tipo especial son los inhibidores suicidas (en un momento determinado se convierte en un compuesto muy reactivo que se combina irreversiblemente con la enzima).

Inhibidor Reversible

Inhibición competitiva, acompetitiva y no competitiva:

1. Inhibición Competitiva: El inhibidor compite con el sustrato por el centro activo de la enzima. Los inhibidores competitivos son compuestos que se parecen al sustrato y que al combinarse con la enzima forman el complejo EI, pero no lo lleva a la catálisis. ---- E+S ES ---> E + P /// aumenta K_m pero no cambia V_max.
2. Inhibición Acompetitiva: es un tipo de inhibición en la que el inhibidor se une a un sitio distinto del que se une al sustrato, el inhibidor solo se une al ES, formándose un complejo ternario. ----- E+ S ES(+I i> ESI) ----E+P/// Se modifica K_m y V_max los 2 por igual.
3. Inhibición No Competitiva: Constituye un tipo de inhibición en la que el inhibidor se une tanto a la enzima libre como al complejo enzima-sustrato.----- E+S (+Ii> EI+S) ES (+I i>ESI) ---->E+P /// se modifica K_m y V_max.

Problemas

12) ¿A qué concentración (en función de K_a) de un ácido débil (HA) estará a) disociado en un 10% b) disociado en un 50% c) en un 90%?

17) El plasma sanguíneo contiene una concentración total de carbonato (principalmente HCO₃^- + CO₂) de 2,52x10^-2 M.

a) ¿Cuál es la proporción HCO₃^- / CO₂ y la concentración de cada componente del tampón a pH 7,4?

b) ¿Cuál sería el pH si se añade H⁺ 10^-2 en condiciones en las que el aumento de [CO₂] no puede ser eliminado?

c) ¿Cuál será el pH si al añadir H⁺ 10^-2M se pueda eliminar el exceso de CO₂ (manteniendo la concentración original de [CO₂])? Pk HCO₃^- / CO₂= 6,1

29) Estimar la concentración de una enzima en una célula viva. Suponer que a)un tejido fresco tiene el 80% de agua toda intracelular. b) la proteína soluble total de una célula representa el 15% del peso húmedo. c) todas las proteínas solubles son enzimas. d) el peso molecular medio de una proteína es 150000 y e) hay alrededor de 1000 enzimas diferentes.

35) 50ml de extracto crudo libre de células de músculo esquelético contenían 32 mg proteínas /ml. 10μL de extracto catalizaron una reacción con una velocidad de 0,14 μmoles/min. 15μmoles del extracto se fraccionaron por precipitación con SO₄NH₄. La fracción que precipitó entre el 20-40% de saturación se disolvió en 10 ml. Esta solución se vio que contenía 50mg/ml de proteína. 10μL de esta fracción purificada catalizaron la reacción con una velocidad de 0,65moles/min. /// Calcular a) el porcentaje de recuperación de la enzima en la fracción purificada y b) el grado de purificación obtenido por el fraccionamiento.