Fundamentos de Enzimología y Carbohidratos: Estructura, Cinética e Inhibición Enzimática

Componentes No Proteicos de las Enzimas

Las enzimas a menudo requieren componentes adicionales, no proteicos, para llevar a cabo su actividad catalítica.

1. Cofactores

• Iones inorgánicos que acompañan a la enzima cuando cataliza la reacción.
• Se unen temporalmente (Ejemplos: hierro, cobre, zinc).

2. Coenzimas

• Moléculas orgánicas que acompañan a la enzima cuando cataliza la reacción.
• Son moléculas pequeñas que contienen carbono e interaccionan débilmente durante la catálisis.
• Las coenzimas son a menudo vitaminas (como $NAD^+$ y $FAD$), muchas de las cuales deben ser incorporadas con la dieta.

“Las coenzimas reaccionan con la enzima de igual modo que el sustrato, uniéndose al sitio activo. Se mueven de una enzima a otra agregando o quitando grupos químicos del sustrato.”

3. Grupos Prostéticos

• Ión o molécula orgánica que permanece fuertemente unido a la enzima.
• Se encuentran unidos de forma permanente.

Relación Apoenzima y Holoenzima

En este tipo de enzimas que requieren un componente adicional, la porción proteica se denomina Apoenzima. La apoenzima unida al cofactor o a una coenzima se denomina Holoenzima.

$$\text{Apoenzima} + \text{Cofactor/Coenzima} \rightarrow \text{Holoenzima}$$

Clasificación de las Enzimas (Clase EC)

Las enzimas se clasifican en seis categorías principales según el tipo de reacción que catalizan:

1. Oxidoreductasas: Catalizan reacciones de óxido-reducción, transfiriendo hidrógeno o electrones ($e^-$) de un sustrato a otro (Ej: $NAD^+ \rightleftharpoons NADH$).
2. Transferasas: Catalizan la transferencia de un grupo químico (distinto del hidrógeno) de un sustrato a otro.
3. Hidrolasas: Catalizan las reacciones de hidrólisis, rompiendo enlaces mediante la adición de agua (Ej: $A-B + H_2O \rightarrow AH + B-OH$).
4. Liasas: Catalizan reacciones de ruptura o formación de enlaces sin hidrólisis ni oxidación (Ej: $A-B \rightleftharpoons A+B$).
5. Isomerasas: Catalizan la interconversión de isómeros (cambios dentro de la misma molécula).
6. Ligasas: Catalizan la unión de dos sustratos con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato (Ej: ATP).

Cinética Enzimática: Efecto de la Concentración de Sustrato

La velocidad de la reacción ($V_0$) depende de la concentración de sustrato ($[S]$):

• A bajas $[S]$, la velocidad inicial ($V_0$) asciende de forma casi lineal.
• Para altas $[S]$, la enzima está casi saturada y $V_0$ no cambia significativamente al aumentar la concentración de sustrato.

Parámetros de Michaelis-Menten

• $K_m$ (Constante de Michaelis-Menten)

  • Es la concentración de sustrato ($[S]$) requerida para alcanzar la mitad de la velocidad máxima ($V_{max}/2$).
  • Es una medida de la afinidad de la enzima por el sustrato.
  • Cuanto menor es $K_m$, mayor es la afinidad de la enzima por el sustrato.

• $V_{max}$ (Velocidad Máxima Teórica)

  • Es la velocidad cuando todos los centros activos están ocupados con sustrato (saturación).

• $K_{cat}$ (Número de Recambio)

  • Es el número de moléculas de sustrato convertidas en producto por molécula de enzima y unidad de tiempo (generalmente 1 segundo), en condiciones de saturación de sustrato.

Tipos de Inhibición Enzimática

Inhibición Irreversible

Modifica químicamente a la enzima (a menudo altamente tóxicos), reaccionando con un grupo químico específico y modificándola covalentemente.

Inhibición Reversible

Se caracteriza por la capacidad del inhibidor de disociarse de la enzima.

• Inhibición Competitiva

  • El inhibidor se fija al sitio activo de la enzima libre, impidiendo la fijación del sustrato.
  • Efecto: $K_m$ aumenta ($+$) y $V_{max}$ se mantiene igual ($=$).

• Inhibición No Competitiva

  • El inhibidor se une a un sitio distinto al sitio activo, pero se puede unir tanto a la enzima libre ($E$) como al complejo enzima-sustrato ($ES$).
  • Efecto: $K_m$ se mantiene igual ($=$) y $V_{max}$ disminuye ($--$).

• Inhibición Acompetitiva

  • El inhibidor se fija a un sitio distinto al sitio activo, pero solo se une al complejo enzima-sustrato ($ES$).
  • Efecto: $K_m$ disminuye ($--$) y $V_{max}$ disminuye ($--$).

Funciones Biológicas de los Carbohidratos (CHO)

• Rol central en el ciclo energético de la biosfera (fotosíntesis, fijación de $CO_2$ y síntesis de carbohidratos).
• Fuente energética primaria para organismos heterótrofos.
• Formación de estructuras que protegen a las células (celulosa en células vegetales; peptidoglucano en bacterias y exoesqueleto en artrópodos).
• Unión a proteínas o lípidos de la superficie celular, crucial para la comunicación celular.