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8/4/2019 II. IU.IIPROTEINASENZIMASCOENZIMAS
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PROTENAS, ESTRUCTURA Y FUNCIN
Las protenas, debido a su importancia nutricional, se han convertido en foco de
estudio de los tecnlogos de alimentos en el mundo. La palabra protena significa ser
primero, lo que indica la importancia de estos compuestos para la vida.
Las protenas desempean un papel muy importante en las funciones
biolgicas de los seres vivos. Mencionaremos slo algunas de ellas.
Catlisis enzimtica. Casi todas las reacciones qumicas que se llevan a
cabo en las clulas vivas estn catalizadas por macromolculas proteicas
llamadas enzimas.
Transporte. Muchos compuestos son transportados por protenas dentro de
los organismos vivos. Un ejemplo clsico es el transporte de oxgeno por la
hemoglobina.
Estructurales. Muchas protenas forman parte del tejido conectivo de los
animales, como son la piel, el pelo y otros tejidos rgidos estructurales; por
ejemplo, el colgeno, la elastina, la queratina.
Constituyentes de la sangre. La sangre est constituida por distintas
protenas que desempean funciones diversas.
Hormonas. Algunas hormonas, como la insulina, estn constituidas por
aminocidos.
Proteccin inmune. Los anticuerpos son protenas altamente especficas
que reconocen a sustancias extraas, como virus y bacterias,
proporcionando, de esta forma, proteccin a los organismos.
Contraccin muscular. La contraccin muscular se lleva a cabo con la
participacin de protenas, co-mo la miosina y actina.
Por su composicin,las protenas pueden ser:
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PROTENAS, ESTRUCTURA Y FUNCIN
Conjugadas. Estn constituidas por un componente polipeptdico asociado a
otro no peptdico que puede ser orgnico o inorgnico, al cual se le denomina
grupo prosttico. Este grupo puede ser un carbohidrato y constituye una
glicoprotena; un ion metlico, que conforma una metaloprotena; una flavina,que origina una flavoprotena, etc.
No conjugadas. Son protenas constituidas solamente por aminocidos.
Por su solubilidad y forma, las protenas se clasifican en:
Fibrosas. Estn constituidas por cadenas polipeptdicas largas y
entrelazadas, formando una especie de cuerdas que integran hilos o
filamentos plurimoleculares y, por lo general, son insolubles en agua. Estas
protenas se encargan de la contraccin muscular y constituyen la estructura
de los organismos.
Globulares. Son protenas cuyas cadenas polipeptdicas estn curvadas
sobre s mismas, de tal mane-ra que constituyen estructuras mucho ms
compactas que las fibrosas. Estas son, generalmente, ms solubles que las
fibrosas, pero tambin son mucho ms delicadas.
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Aminocidos
Los aminocidos son los monmeros y principales constituyentes de las protenas. Un
aminocido es un compuesto que tiene en su misma estructura un grupo carboxilo yun grupo amino. Todos los aminocidos constituyentes de protenas son -
aminocidos porque los grupos carboxilo y amino se en-cuentran en el carbono alfa
(C ) de la molcula. La prolina es un -aminocido debido a que el grupo amino
interacciona y forma un anillo heterocclico. Con excepcin de la glicina, todos los -
aminocidos presentan un carbono asimtrico y, por tanto, existen en dos formas
pticamente activas: ismeros D y L, en similitud con la estructura qumica del
gliceraldehdo. Los aminocidos que tienen actividad biolgica son los de la
configuracin L.
Estructura de los aminocidos
Los aminocidos tienen estructura tetradrica debido a que el carbono presenta una
hibridacin sp3.
C6 1s2, 2s2, 2px1, 2py1 (estado basal)
C6 1s 2, 2s1, 2px1, 2py1, 2pz1 (estado excitado)
C6 1s 2, 2(sp3)1, 2(sp3)1, 2(sp3)1, 2(sp3)1 (estado hbrido)
FIGURA 2.1
Aminocidos y el efecto del pHEn solucin acuosa, los -aminocidos estn ionizados y forman lo que a veces se
conoce como una sal interna o zwitterion:
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El grupo carboxilo pierde un protn quedando cargado
negativamente, mientras que el grupo amino adquiere una
carga positiva al aceptar un protn. La proximidad inmediata
del grupo carboxilo al grupo amino propicia esta ionizacin y
genera que los aminocidos tengan un momento dipolar alto
que hace que la mayora de ellos sean muy solubles en agua.Para cada aminocido y para la mayora de las protenas hay
una concentracin peculiar de iones de hidrgeno cuando las
cargas negativas estn exactamente balanceadas por cargas
positivas. En dicho pH, conocido comopunto isoelctrico, no
se mueve cuando se les somete a electroforesis y poseen
entonces su solubilidad mnima.
Ya que los aminocidos y las protenas aceptan fcilmente o
liberan H+ (dependiendo del pH de la solucin), actan como
amortiguadores y tienen tendencia a resistir grandes cambios
en el pH cuando un cido se agrega o es removido de una
solucin. En clulas y en plasma sanguneo, las protenas desempean un papel vital
en los cambios de pH al funcionar como amortiguadores, evitando que dichos
cambios ocurran; esto es importante porque la actividad de algunas enzimas se afecta
grandemente por el pH.
Clasificacin de los aminocidos
De acuerdo con los grupos radicales, podemos clasificar los aminocidos como sigue:
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Aminocidos alifticos
Glicina (Gly) Alanina (Ala) Valina (Val) Leucina (Leu) Isoleucina (Ile)
Aminocidos con grupos hidroxilo o azufre en sus cadenas
Serina (Ser) Cistena (Cys) Treonina (Thr) Metionina (Met)
Aminocidos aromticos
Fenilalanina (Phe) Tirosina (Tyr) Triptfano (Trp)Aminocidos bsicos
Histidina (His) Lisina (Lys) Arginina (Arg)
Aminocidos cidos y sus amidas correspondientes
Aspartato (Asp) Glutamato (Glu) Asparragina (Ans) Glutamina (Gln)
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Iminocido
Prolina (Pro)
Protenas
Las protenas de todas las especies biolgicas, desde virus, bacterias, hongos,
vegetales, hasta el hombre, estn constituidas de solamente veinte aminocidos, cuya
diversidad biolgica se debe a las combinaciones posibles de esa veintena de
aminocidos. A una combinacin determinada de amino-cidos se le conoce comoestructura primaria de una protena.
Estos aminocidos se unen entre s por medio de enlaces peptdicos (el grupo
- carboxilo de un aminocido se une con el - amino de otro aminocido) como se
muestra:
Enlace peptdico o amdico
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Estas cadenas de aminocidos no presentan ramificaciones y sus extremos son
diferentes, tomndose el extremo amnico como el inicio de la cadena polipeptdica y
el grupo carboxilo como el final.
Si se observa, hay una secuencia que se repite constantemente:
Esta secuencia repetitiva constituye la columna vertebralde una protena en donde
los grupos Rvaran de acuerdo con el aminocido de que se trate.
Por medio de tcnicas de difraccin de rayos X se ha encontrado que el enlace
peptdico C - N tiene carcter de doble enlace (40%), debido a la resonancia existente
entre O - C - N. A causa de esta resonancia, el enlace C - N de las protenas es ms
corto que en otros compuestos orgnicos e inorgnicos. Esto le da al enlace peptdico
una rigidez y no puede rotar libremente.
Los dipolos que se forman entre C = O y N - H estn en posicin trans.
Normalmente los en-laces peptdicos son de configuracin trans, ya que la cis es poco
estable. En los C se observa que los radicales tambin estn en posicin trans,
sobre todo si stos son muy voluminosos, lo que provocara un impedimento estrico.
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Los cuatro tomos del enlace peptdico (O = C - N - H) y los dos tomos de C
contiguos estn en un mismo plano espacial; en otras palabras, el enlace peptdico es
coplanar. Esta ordenacin planar es rgida y es el resultado de la estabilidad delenlace peptdico a travs de su resonancia.
Estructura de las protenas
Las propiedades y caractersticas de las protenas, ya sean inmunolgicas,
hormonales, enzimticas o nutritivas, dependen fundamentalmente de la
conformacin en que se encuentren; es decir, para que una protena realice su
funcin biolgica es necesario que tenga una conformacin especfica y nica. La
destruccin de dicha conformacin trae consigo la prdida de su actividad biolgica.
1) Estructura primaria
La estructura primariaest determinada por la secuencia de aminocidos; es decir,
por el nmero, clase de aminocidos y por el orden como estn enlazados. Las
protenas ms frecuentes son cadenas lineales de 100 a 300 aminocidos, aunque
algunas cadenas proteicas llegan a rebasar los 800, como la miosina o la fosforilasa.
Los aminocidos de una secuencia se enumeran empezando por el extremo amnico
libre, que es el mismo orden como se ensamblan durante la sntesis biolgica de las
protenas. La naturaleza y propiedades de los aminocidos ordenados en la
estructura primaria condiciona las estructuras de orden superior. Conocer la
secuencia de aminocidos es importante porque nos permite determinar el
mecanismo de accin de dicha protena. Se sabe tambin que la estructura
tridimensional depende de las atracciones o repulsiones de los grupos radicales de
los aminocidos que la constituyen y esto permite descubrir las leyes que rigen losplegamientos de las cadenas polipeptdicas. Las alteraciones en la secuencia de
aminocidos trae como consecuencia una protena con una estructura tridimensional
diferente, lo que a su vez ocasiona una anomala en su funcin y esto se manifiesta
como una enfermedad; por ejemplo, la anemia falciforme, la hemofilia o cualquiera
otra de las enfermedades conocidas como errores innatos del metabolismo. La
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secuencia de aminocidos se deduce a partir de la secuencia de nucletidos que
constituyen al RNA mensajero, el cual, a su vez, es transcrito a partir del DNA gnico
que codifica la biosntesis de una protena.
2) Estructura secundaria
La estructura secundaria se refiere a la posicin relativa de las cadenas polipeptdicas
en el espacio, las cuales se estabilizan por medio de puentes de hidrgeno entre los
aminocidos que la constituyen. En esta estructura se incluyen la -hlice, lmina
plegada- , hlice de colgena, estructura al azary el giro .
-Hlice dextrgira. La gran mayora de las protenas tiende a formar hlices- enlas que una vuelta completa de la hlice contiene aproximadamente 3.6 aminocidos,
quedando los radicales orientados en forma perpendicular hacia el exterior del eje
central. Las hlices presentan la menor energa libre y, por tanto, son las formas
ms estables de estructura secundaria de una protena. Los carbonilos e iminos de
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los enlaces peptdicos de la -hlice tienen la capacidad de formar puentes de
hidrgeno intramoleculares participando todos ellos.
Estos puentes de hidrgeno son paralelos al eje de la hlice y a pesar de que su
energa en forma individual es muy baja, su alto nmero en cada protena contribuye
de manera importante a la estabilidad de la estructura, por ello se dice que son
cooperativos. La -hlice se favorece y estabiliza por la presencia de los
aminocidos alanina, leucina, fenilalanina, tirosina, triptfano, cistena, metionina,
histidina, asparagina, glutamina y valina, mientras que la prolina y la hidroxiprolina,
por tener su grupo amino constituyendo una estructura cclica, confiere rigidez, lo que
impide la formacin de la -hlice.
El segundo tipo de la estructura secundaria es la conformacin laminar- y se
presenta en la familia de las protenas llamadas queratinas. En esta estructura cada
cadena polipeptdica adopta una conformacin en zig-zag extendida, de tal manera
que pueden existir varias molculas de protenas alineadas, paralela o
antiparalelamente, produciendo lminas plegadas que se unen transversalmente por
puentes de hidrgeno intermoleculares. Todos los enlaces peptdicos contribuyen a la
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formacin de puentes de hidrgeno, lo que le da gran estabilidad a este tipo de
estructura. Los grupos radicales de los aminocidos se localizan por encima o por
debajo de los planos en zig-zag. Las cadenas polipeptdicas paralelas se desarrollanen direccin N terminal al Cterminal, mientras que en la antiparalela las cadenas se
extienden en direccin opuesta.
Lmina antiparalela
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Lmina paralela
Otro tipo de estructura secundaria se presenta en las hlices de la colgena, una
protena fibrosa y muy rgida que se encuentra abundantemente en el tejido conectivode los animales superiores. Debido a su alto contenido de prolina e hidroxiprolina, la
protena no adquiere la conformacin de -hlice, sino que forma una estructura que
consiste en una triple hlice de cadenas polipeptdicas; cada una de las hlices es
una cadena enrollada hacia la izquierda y se mantienen unidas por puentes de
hidrgeno intermoleculares.
Elcolgeno realiza una serie de funciones muy amplia, es la protena ms abundante
en la mayora de los vertebrados. Las fibras de colgeno forman la matriz de los
huesos sobre la que precipitan los constituyentes minerales, estas fibras constituyen
la mayor parte de los tendones. Bsicamente el colgeno mantiene unidos a la
mayora de los animales.
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La unidad bsica de la fibra de colgeno es la molcula de tropocolgeno una hlice
triple de tres cadenas polopeptdicas, cada una de ellas con aproximadamente 1000
residuos.
Las cadenas individuales son
hlices a la izquierda con
aproximadamente 3.3 residuos
por vuelta. Tres de estas cadenas
se enredan a la derecha unas
alrededor de las otras. El examen
del modelo revela que cada tercer
residuo que debe encontrarse en
el centro de la triple hlice solo
puede ser glicina, esta formacin
tambin resulta favorecida por la
presencia de prolina o
hidroxiprolina en la molcula de
tropocolgeno. Un conjunto que
se repite es Gly-X-Y donde X
suele ser prolina e Y prolina o hidroxiprolina.
Estructura al azar. Cuando no existen puentes de hidrgeno que restrinjan la
libre rotacin de la cadena, la protena puede adquirir conformaciones que estn
controladas por factores como tempe-ratura, pH, presencia de sales y la naturaleza
del disolvente en que se encuentre. A la conformacin de las protenas en este estado
de libertad se le designa al azary normalmente se alcanza cuando hay un procesode desnaturalizacin del polipptido.
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Giro . Los acodamientos en las protenas globulares ocurren por las
inversiones en la direc-cin de las cadenas polipeptdicas. Dichas inversiones se
deben a los giros .
Estructura supersecundaria. En diferentes protenas globulares se observan
asociaciones locales ti-picas, formadas por hojas plegadas (paralela o antiparalela),
conectadas entre s mediante segmentos al azar o en -hlice. Estas asociaciones
locales se denominan estructuras supersecundarias. Por ejemplo, en muchas
protenas se encuentran segmentos de hoja plegada- separados entre s por un
segmento -helicoidal; este grupo se denomina unidad . Las estructurassupersecundarias se consideran como ordenamientos intermedios entre estructuras
secundaria y terciaria, como se muestra en la figura.
x Meandro Estructura de Rossman
FIGURA 2.3
La mayora de las protenas no presentan un solo tipo de estructura secundaria, sino
que contienen diferentes porcentajes de 2 3 de ellas en forma combinada.
FIGURA 2.2
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3) Estructura terciaria
La estructura
terciaria dacuenta de la
conformacin
global de la
cadena
polipeptdica.
Esta estructura
se refiere al
modo como la
cadena
polipeptdica se
curva o se pliega
sobre s misma
para formar una estructura compacta caracterstica de las protenas globulares. En las
protenas fibrosas cada cadena peptdica tiene forma de hebra alargada. En muchas
protenas, los aminocidos que componen esta hebra tienen estructura secundaria de
-hlice dextrgira (miosina, -queratina del cabello), pero la hebra presenta una
torsin longitudinal levgira que le permite trenzarse con otras hebras paralelas. Las
fuerzas que le dan estabilidad a la estructura terciaria son los enlaces disulfuro,
fuerzas de atraccin ion-ion entre las cadenas laterales, fuerzas de atraccin ion-
dipolo, puentes de hidrgeno de los enla-ces peptdicos que ocurren en las regiones
helicoidales y laminares, interacciones entre grupos prostticos, interacciones
hidrofbicas e interacciones hidroflicas. En general, esta estructura se adoptaespontneamente porque representa un mnimo de energa libre.
4) Estructura cuaternaria
La estructura cuaternaria no existe en todos los polipptidos y se refiere a la
asociacin de 2 o ms cadenas de protenas (monmeros) para integrar la protena
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completa. Esta asociacin resulta estable debido a la forma de los monmeros, que
les permite encajar coordinadamente en un todo y a las fuer-zas que los mantiene
unidos: hidrofbicas, polares, puentes de hidrgeno y puentes disulfuro.En las protenas fibrosas la estructura cuaternaria est constituida por la
asociacin de varias hebras que integran una fibra o soga. As, la miosina o la
tropomiosina constan de dos hebras en -hlice enrolladas en una fibra levgira. La
-queratina (fibrona de la seda) presenta varias hebras plegadas en hoja
orientadas en forma antiparalela. El colgeno est formado por 3 hebras helicoidales
levgiras, que se entrelazan para formar una fibra dextrgira. En las protenas
globulares se asocian, en nmero discreto, varios monmeros que pueden ser
idnticos, semejantes o diferentes. Por ejemplo, la hexocinasa de levadura consta de
dos monmeros iguales que integran una unidad; las distintas hemoglobinas humanas
la integran cuatro monmeros iguales 2 a 2.
Ventajas de la estructura cuaternaria
Una de las funciones que presentan algunos oligmeros es la de regular
algunas rutas metablicas por interconversin de las enzimas que catalizan
dichas rutas entre estados asociados y disociados, que pueden ser activoso inactivos. Por ejemplo, la cinasa de las protenas, que regula la formacin
del complejo de iniciacin de la traduccin, est constituida por un tetrmero
inactivo R2C2 que se activa por medio del cAMP, como se muestra.
Otro aspecto importante de las estructuras oligomricas es el de
cooperatividad. La hemoglobina refleja un grado muy intenso de
cooperatividad positiva, se sabe que cada interaccin de O2-hemo facilita la
siguiente, con un factor de promocin de alrededor de 400 para la ltima
molcula de oxgeno que se fija:
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Otra ventaja de la estructura oligomrica es la generacin de formas
hbridas de una protena. Cuando las distintas cadenas polipeptdicas se
asocian para formar un oligmero, hay ocasiones en las que stas se asocian
en diferentes proporciones y forman estructuras oligomricas hbridas
llamadas isoenzimas que catalizan la misma reaccin qumica, pero lo hacen
en diferente magnitud o con diferente eficiencia; por ejemplo, la lactato
deshidrogenasa (LDH) es un tetrmero que puede existir en cinco formas
hbridas: H4, H3L, H2L2, HL3 y L4. La unidad H predomina en corazn (Heart), la
unidad L predomina en el hgado (Liver). Catalizan la reaccin,
Asociaciones supramoleculares
Existen asociaciones de molculas proteicas con carcter indefinido que no son
consideradas como partculas discretas. Por ejemplo, la fibrina; los monmeros de
esta protena se unen mediante enlaces covalentes y forman la red caracterstica del
trombo o cogulo sanguneo. Otros ejemplos ms complejos incluyen asociaciones de
protenas con otros tipos de biomolculas: con azcares en los proteoglicanos y los
pptidoglicanos; con lpidos en las membranas biolgicas; con cidos nucleicos en los
ribosomas, los virus o los nucleosomas.
En la siguiente pgina encontraras un banco de datos de protenas con 49 426estructuras de protenas http://www.rcsb.org/pdb/
http://www.rcsb.org/pdb/http://www.rcsb.org/pdb/8/4/2019 II. IU.IIPROTEINASENZIMASCOENZIMAS
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Desnaturalizacin de las protenas
La conformacin original de las protenas globulares est sujeta a alteraciones por
diversos agentesqumicos, fsicos o
fisicoqumicos, sin
que esto cambie la
secuencia de
aminocidos. Esta
prdida de la
conformacin
original se llama
desnaturalizacin
y, generalmente,
va acompaada de
una prdida de la
funcin o actividad biolgica. Por esto es importante manejar adecuadamente las
protenas (enzi-mas): mantenerlas a una temperatura y pH convenientes, evitar
agitacin brusca, etc. Es preciso, por consiguiente, seguir estos pasos:
Todas las manipulaciones deben efectuarse a baja temperatura para evitar la
desnaturalizacin trmica.
Las protenas deben almacenarse en congelamiento a temperaturas de -20 a
-80 C.
Deben utilizarse amortiguadores para mantener el carcter poli-inico de las
protenas.
Deben evitarse los manejos bruscos como las sacudidas.
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Enzimas. 3.1 Enzimas. Clasificacin y nomenclaturaLas enzimas son catalizadores formados por la clula, pero capaces de funcionar in
vitro si las condiciones son
apropiadas. La mayora son de
naturaleza proteica, aunque se han
encontrado molculas de RNA que
poseen actividades enzimticas
llamadas ribozimas (intron grupo I,
intron grupo II, virus delta de
hepatitis).
Las molculas del sustrato se unen aun sitio particular en la superficie de
la enzima, denominado sitio activo,
donde tiene lugar la catlisis. La
estructura tridimensional de este sitio
activo, donde solo puede entrar un
determinado sustrato (ni siquiera sus
ismeros) es lo que determina la
especificidad de las enzimas. El acoplamiento es tal que E. Fisher (1894) enunci: "el
sustrato se adapta al centro activo o cataltico de una enzima como una llave a
una cerradura".
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Reaccin catalizada por la Trifosfato Isomerasa
Gliceraldehdo-3-Fosfato Intermediario Enediol o enediolato Dihidroxiacetona fosfato
A continuacin se muestra el sitio activo de la enzima Trifosfato Isomerasa Losestudios cristalogrficos de la enzima de levadura indican que la histidina 95 estunida por dos puentes de hidrgeno al la DIHIDROXIACETONAFOSFATO, lo cualpermite la protonacin del oxgeno carbonlico del GLICERALDEHDO-3-FOSFATO:
Por otra parte, estudios de resonancia magntica nuclear (NRM) indican queesta His 95 est en su forma neutral imidazol en vez de la forma imidazolioprotonada. Pero, cmo un grupo imidazol N3-H, el cual tiene un p Kaltamente bsicode 14.0, protona a un oxgeno carboxlico que cuando se protona tiene un pKmuy
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cido de < 0? Y del mismo modo, cmo puede el carboxilato del Glu 165 (p K6.5)sustraer el protn del C2 (pK 17) del GLICERALDEHDO-3-FOSFATO?. Una posibleexplicacin es que el intercambio del protn est facilitado por la formacin de una
intensa barrera de puentes de hidrgeno. Esta inusual asociacin tan fuerte (-40 a 80kJmol-1 vs 12 a -30kJmol-1 para puentes de hidrgeno normales) se formacuando los pKs del donador y aceptor son muy parecidos.
En el caso ms sencillo, la reaccin ocurrir si una solucin de la enzima es agrega-
da a su sustrato, mantenidos a una temperatura y un pH adecuados. Poseen tres
caractersticas:
1) Las enzimas tienen un enorme poder cataltico. Son los catalizadores ms
eficientes que se conocen; bastan cantidades muy pequeas
(micromoleculares) para acelerar una reaccin en forma impresionante.
2) Las enzimas son muy especficas. Una enzima cataliza normalmente una
sola reaccin qumica o un grupo de reacciones estrechamente relacionadas.
El grado de especificidad del sustrato es muy elevado y a veces absoluto.
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Esto significa que, prcticamente, cada enzima acta sobre un determinado
sustrato para formar un producto nico.
3) La actividad cataltica de muchas enzimas est regulada. La accin demuchas enzimas es regulada; es decir, puede cambiar alternativamente de un
estado de baja actividad a otro de gran actividad. Esta forma de regulacin
puede ser mediante enzimas alostricas, por enzimas controladas por
protenas reguladoras o enzimas modificadas covalentemente:
a) Enzimas alostricas. Son enzimas que aparte del sitio activo tienen otro,
llamado sitio alostrico al cual se une un compuesto para regular su
actividad. A este compuesto se le conoce como modulador y puede ser
positivo cuando aumenta la actividad de la enzima o negativo cuando
disminuye la actividad de la enzima.
b) Enzimas controladas por protenas. Algunas enzimas estn controladas
por protenas reguladoras que pueden estimularlas o inhibirlas. La actividad
de muchas enzimas est regulada por la calmodulina, una protena a la
cual se le une el calcio y la transforma de una forma inactiva a otra activa.
Posteriormente, esta calmodulina activada se une a otras protenas o
enzimas, modificando as su actividad.
c) Enzimas modificadas covalentemente. La modificacin covalente
constituye un mecanismo de regulacin enzimtica. Por ejemplo, laactividad de las enzimas que sintetizan y degradan el glucgeno estn
reguladas por la introduccin de un grupo fosforilo unido a un residuo de
serina. Este es un ejemplo de modificacin covalente de enzimas por
fosforilacin-desfosforilacin. En las enzimas de vas degradativas, las
formas fosforiladas son ms activas. En los procesos biosintticos
ocurre lo contrario.
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Algunas enzimas son biosintetizadas en forma de precursores
inactivos llamados zimgenos, y son activadas en un lugar fisiolgicamente apropiado. Esta activacin puede ser por la ruptura de un
enlace peptdico; por ejemplo, el tripsingeno que se transforma en tripsina
o las enzimas que intervienen en los procesos de coagulacin, muchas de
ellas son zimgenos.
Nomenclatura de las enzimas
Algunas enzimas tienen nombres triviales como pepsina, renina, quimiotripsina. Sinembargo, la mayo-ra de las enzimas se nombran con la terminacin asa, tomando en
cuenta el tipo de reaccin que catalizan; por ejemplo, la ureasa, que cataliza la
hidrlisis de la urea.
En 1965 se elabor un esquema de nomenclatura en el cual las enzimas se
dividen en seis cla-ses principales tomando en cuenta el tipo de reaccin que
catalizan. Esta clase se divide en subclases y subsubclases, de tal manera que cada
enzima tiene cuatro dgitos: el primero se refiere a la clase principal, el segundo y el
tercero se refieren a la subclase y subsubclase, respectivamente, y el ltimo
representa el nmero particular de la enzima.
Tabla 2.1 Nomenclatura de enzimas
Clase principal Tipo de reaccin catalizada
1. Oxidorreductasas Agregan o sustraen electrones, oxgeno o
hidrgeno. Ejemplo: oxidasas, deshidrogenasas.
2. Transferasas Transfieren un grupo de tomos de una molculaa otra o dentro de la misma molcula. Toda
enzima que catalice la formacin de un enlace sin
gasto de ATP se debe llamar sintasa y se clasifica
como transferasa.
3. Hidrolasas Rompen una molcula en dos por accin del
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agua.
4. Liasas Remueven grupos no hidrolticamente. Se
incluyen reacciones en las que se elimina aguapara dejar enlaces dobles o en las que se agrega
agua a dichos enlaces.
5. Isomerasas Llevan a cabo redistribucin de tomos o de
grupos de tomos dentro de una molcula
interconvirtiendo diversos isomeros, ejemplo: cis
trans, L D, aldehdo cetona.
6. Ligasas Unen dos molculas formando un enlace aexpensas del ATP como molcula de alta energa
(sintetasas).
Ejemplo:
1. Oxidorreductasa|
1.1 Provoca el rompimiento o deshidrogenacin entre H - C- OH
1.1.1 Utiliza como coenzima el NAD
1.1.1.27 Nmero particular de la lactato deshidrogenasa.
En la siguiente direccin puedes acceder para encontrar la nomenclatura de acuerdoa la Unin Internacional de Bioqumica,
http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/
Las siguientes reacciones muestran la participacin de enzimas de cada clase.1. Oxidorreductasa
http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/8/4/2019 II. IU.IIPROTEINASENZIMASCOENZIMAS
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2. Transferasa
3. Hidrolasa
4. Liasa
5. Isomerasa
6. Ligasa
3.2 Coenzimas y cofactores. Enzimas que dependen de cofactores
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Muchas enzimas requieren de la cooperacin de sustancias no proteicas llamadas
cofactores. El conjunto de la enzima (protena) y su cofactor se llama holoenzima y
manifiesta su mxima actividad cataltica. La enzima despojada de su cofactor seconoce como apoenzima y tiene una actividad cataltica baja o nula. Hay cofactores
inorgnicos que a menudo son iones, como Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Cu2+, K+, Na+; y
cofactores orgnicos a los cuales se les llama coenzimas, stas son de particular
importancia en la nutricin de los mamferos, ya que la mayora son vitaminas
hidrosolubles o se forman a partir de ellas. Mencionaremos algunas y el tipo de
reaccin en que participan.
Tabla 2.2 Coenzimas
Coenzima Tipo de reaccin Grupo transferidoPrecursor de la
vitamina
Nicotinamidaadenindinucletido(NAD+)
Oxidorreduccin H+(electrones) Niacina
Nicotinamidaadenindinucletidofosfato (NADP+)
Oxidorreduccin H+(electrones) Niacina
Flavinadenindinucletido (FAD); flavinmono-nucletido (FMN)
Oxidorreduccin H+(electrones)Riboflavina (B2)
Grupo heme delcitocromo (cuandocontiene hierro)
Oxidorreduccin Electrones
Coenzima AActivacin y transferencia
de grupos acilo
O| |
R - C -Ocido pantotnico
cido lipoicoTransferencia de grupos
acilo
O| |
R - C -O
Pirofosfato de tiaminaTransferencia de grupos
acilo
O| |
R - C -OTiamina (B1)
Biotina Fijacin de CO2 CO2 Biotina (H)
Fosfato de piridoxalTransaminacin deaminocidos y otras
reacciones- NH2 Piridoxal (B6)
cido tetrahidroflicoMetabolismo de fragmentos
de un carbono- CH3; - CH2 -; o
- CHOcido flico
Coenzimas decobalamina
Especializada B12
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LAS COENZIMAS Y SUS FUNCIONES
Muchas enzimas requieren cofactores para realizar su actividad. La actividadcataltica de muchas enzimas depende de la presencia de pequeas molculasllamadas cofactores.Una enzima sin su cofactor se denomina apoenzima la enzima completa con sucofactor se denomina holoenzima.
Apoenzima + Cofactor Holoenzima
Los cofactores se subdividen en dos grupos: metales y molculas orgnicas(coenzimas)
Las coenzimas poseen estructuras orgnicas complejas que no pueden sintetizarsepor algunos organismos, en particular los mamferos. Las vitaminas hidrosolubles,aquellas que normalmente se denominan como el complejo vitamnico B, sonprecursores metablicos de diversas coenzimas razn por la que estas vitaminas sontan importantes en el metabolismo.
Principales coenzimas, caractersticas y ejemplos:
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El dinucltido de nicotinamida y adenina NAD+ derivado de la vitamina niacina. Laporcin nicotinamida es el extremo reactivo del NAD+ ya que es capaz de reducirse yde este modo servir como agente oxidante como se muestra en el esquema
En donde R corresponde al resto de la molcula. En la reaccin se aaden al anillo denicotinamida dos electrones y un protn. La reaccin puede considerarse ms exactacomo la transferencia de un in hidruro
++
+ HNADHHNAD .
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Otro ejemplo del NAD como coenzima es la que seencuentra en la reaccin de la UDP-galactosa-4-epimerasa que se muestra en la figura. El mecanismo
mediante el cual el OH de la posicin 4 cambia deorientacin estereoqumica, incluye la oxidacin delOH a carbonilo como estado intermediario.En este caso el NAD y el NADH.H+ no abandonannunca la enzima y se reducen y reoxdan en formacclica.
La principal fuente de electrones para la biosntesisreductora es el NADPH:H+ (el dinucletido de
nicotinamida y adenina fosfato reducido) elNADPH:H+ y el NADH.H+ son idnticosrespectivamente excepto que el primero tiene ungrupo fosfato esterificado en el C 2 del azcar, los dosson equivalentes en su tendencia termodinmica aaceptar electrones ya que poseen estndares dereduccin iguales, sin embargo las enzimas queactan en direccin catablica suelen usar elNADH.H+ mientras que las que actan en rutasanablicas usan el NADPH:H+ . El NADPH:H+ no esreconocido por las enzimas de cadena respiratoriapor tanto no puede ser oxidado para la produccin deATP.Coenzimas de flavina. El dinucletido de flavina yadenina o FAD es una de las dos coenzimasderivadas de la vitamina B2 o riboflavina. La otra esla ms sencilla, mononucletido de flavina FMN oriboflavina fosfato. La parte funcional de ambascoenzimas es el sistema del anillo isoaloxazina queacta como aceptor de dos electrones. Loscompuestos que tienen anillos de este tipo sedenominan flavinas en la riboflavina y sus derivados,el sistema de anillo est unido al ribitol una versinde cadena abierta de la ribosa con el C aldehido
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reducido a nivel de alcohol. El C 5 del ribitol est unido al fosfato en el FMN, y el FADes un derivado adenililado del FMN.
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Las enzimas que utilizan una coenzima de flavina se denominan flavoprotenas. ElFMN y FAD experimentan reacciones de transferencia de electrones prcticamenteidnticas. Las enzimas flavoproteicas se unen perfectamente al NAD y FAD.
Las flavinas experimentan reacciones de xido-reduccin de dos electrones, teniendouna especie estable reducida de un electrn, un radical libre de semiquinona comose muestra en la figura.
Pirofosfato de Tiamina. Dado que la tiamina fue la primera de las vitaminas B que seidentific, se le denomina tambin vitamina B1. La estructura de la vitamina escompleja, pero su conversin en la forma de coenzima, el pirofosfato de tiamina oTPP comporta simplemente una pirofosforilacin dependiente de ATP como seobserva en el siguiente esquema.
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DESCARBOXILACIONES
El pirofosfato de tiamina es la coenzima de todas lasdescarboxilaciones de los -cetocidos, contiene dos anillos en su estructura una pirimidina sustituida y untiazol.El pirofosfato de tiamina en la reaccin de la piruvato deshidrogenasa. El
TPP es la coenzima de la reaccin de la piruvato deshidrogenasa y otras
descarboxilaciones no oxidativas de cetocidos.
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La reaccin clave es el ataque por el carbanin del TPP sobre el C carbonilo delpiruvato, y va seguido de la descarboxilacin no oxidativa del piruvatounido a lacoenzima.
Acido Lipoico. (lipoamida). En la oxidacin del piruvato, el siguiente aceptor delaldehido generado por el TPP es el cido lipoico que es el disulfuro interno delcido 6,8-ditiooctanoico. La coenzima se une a su apoenzima a travs de un enlaceamida que liga el grupo carbonilo del cido lipoico a un grupo -amino de lisina, aspues la especie reactiva es una amida, denominada lipoamida.
La transferencia de la porcin aldehido activa desde el TPP al azufre del C 6 de lalipoamida, realiza la oxidacin simultanea del aldehido acoplada a la reduccin delotro azufre. Ello genera un grupo acilo que se transfiere a la la coenzima A. As puesla lipoamida es a la vez un transportador electrnico y un transportador de gruposacilo.
Fosfato de piridoxal. La vitamina B 6 se descubri en los aos 1930, se aisl enforma de piridoxina a la que se dio este nombre por su semejanza estructural con lapiridina. El piridoxal fosfato (PLP) es la forma predominante de la coenzima
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TRANSAMINACIN Y DESCARBOXILACIN
Las necesidades nutricionales de vitamina B 6 son tan bajas que rara vez se observanestados de carencia en el ser humano. El frmaco antimicrobiano contra el bacilotuberculoso isoniazida reacciona covalentemente con el piridoxal haciendo que steno pueda fosforilarse por la piridoxal quinasa.
El piridoxal fosfato es una coenzima muy verstil adems de su intervencin en lasreacciones de transaminacin participa en las descarboxilaciones de losaminocidos. Los mecanismos de accin de esta coenzima se deben a Esmond Snellen 1940.
Todas las enzimas que necesitan PLP actan a travs de la formacin de una basede Schiff entre el aminocido y la coenzima.
Todas las reacciones conocidas de las enzimas PLP pueden describirse de la mismaforma: formacin de una base de Schiff plana o intermediario aldimina, seguido por laformacin de un carbanin estabilizado por resonancia con una estructura quinonoidecomo se muestra en la figura.
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Siempre que unaldehidoreaccione con ungrupo amino seobtiene una basede Schiff o
aldimina y secaracterizaporC=N+ H
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Biotina. En los animales la reaccin anaplertica ms importante, en especial en
higado y rin, es la carboxilacin reversible del piruvato dependiente del ATPpara dar oxalacetato. Esta reaccin la cataliza la piruvato carboxilasa.
La piruvato carboxilasa es una protena tetramrica que lleva cuatro molculas de
Biotina, cada una de las cuales est unida covalentemente a travs de un enlaceamida en el que participa el grupo -amido de un residuo de lisina.
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La piruvato carboxilasa acta a travs de un mecanismo en dos pasos, empezandocon una carboxilacin de la biotina dependiente del ATP, para dar N-carboxibiotina,este derivado transfiere el grupo carboxilo directamente al piruvato como se muestraen el esquema anterior.
Coenzimas del cido flico. Las coenzimas derivadas de la vitamina cido flico
participan en la generacin y utilizacin de los grupos funcionales de un solocarbono, metilo, metileno, y formilo. La vitamina fue descubierta en los aos 1930,se observ que la vitamina es abundante en los vegetales de hojas verdes como lasespinacas.
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Qumicamente el cido flico se forma a partir de tres grupos distintos: un anillo depteridina ( 6-metilpteridina ), el cido p-aminobenzoico (PABA) y el cidoglutmico.
El tetrahidrofolato en el metabolismo de las unidades de un carbono. La funcincoenzimtica del tetrahidrofolato consiste en la movilizacin y utilizacin de gruposfuncionales de un carbono. Estas reaciones estn implicadas en el metabolismo de laserina, glicina, metionina e histidina, en la biosntesis de nucletidos de purina y delgrupo metilo de la timina.El tetrahidrofolato une unidades de un carbono con diferentes niveles de oxidacin: enforma de metileno, metilo y formilo. Los grupos de un carbono en el tetrahidrofolatopueden transportarse en el N-5 o N-10 o formar un puente entre N-5 y N-10
N5
N 10
CH2
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En la figura siguiente se muestran algunas de las reacciones en donde intervienengrupos funcionales de un solo carbono, formimino, metenil, formil, metilen, ymetil aductos de un carbono del tetrahidrofolato.
Formimino HN=CHMetenil HC=NFormil O=CHMetilen H2C-- NMetil CH3
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Coenzima A. Coenzima A y activacin de grupos acilo. La coenzima A (A por acilo)participa en la activacin de grupos acilo en general, entre ellos el grupo acetiloprocedente del piruvato. La coenzima deriva metablocamente del ATP, -mercaptoetilamina yla vitamina el cido pantotnico.
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El tiol libre en la porcin -mercaptoetilamina es la parte de la molcula de lacoenzima que tiene actividad funcional; el resto aporta lugares de unin de enzimas.En los derivados acilados, como la acetil-CoA el grupo acilo est ligado al grupo tilo
para formar un tioester de energa elevada.
El carcter de energa elevada de los tioesteres se debe a que el enlace C-Sdesestabiliza la molcula del tioester, en comparacin con el enlace C-O del ester quees ms estable, de manera que la G aumenta.
Una de las reacciones importantes en donde acta la coenzima A es en el complejomultienzimtico piruvato deshidrogenasa y en la -oxidacin de los cidos grasos.Adenosil cobalamina, Metil cobalamina. Coenzimas de la vitamina B12. Lavitamina B12 se descubri mediante los estudios de la anemia perniciosa. Lasustancia activa del hgado que se denomin vitamina B12, estaba presente en steen cantidades muy pequeas por lo que tuvieron que pasar muchos aos hasta quese aisl la cantidad suficiente para poder caracterizarla. En 1964 Hodgkin recibi elpremio novel por completar la determinacin de la estructura mediante rayos X. En elesquema se muestra la estructura de la vitamina B12.
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El cobalto est metlico est combinado con un anillo tetrapirrlicodenominado anillo de corrina. El cobalto tambin est ligado a unabase heterocclica, el 5,6 dimetilbenzimidazol (DMB).Formas coenzimticas de la vitamina B12, se conocen dos formas dela vitamina B12 con actividad coenzimtica: la 5-adenosilcobalaminafue descu8bierta en 1964 por H.A. Barker, la metilcobalamina o metil-
B12. Tanto la adenosilcobalamina como la metilcobalamina contienenun enlace covalente C-Co que hace que sean verdaderos productosorganometlicos.
Actualmente se conocen unas 15 reacciones diferentes en las que serequiere vitamina B12 la mayoria de la cuales se producen en unas pocas especiesde bacterias que llevan a cabo fermentaciones especializadas.En los mamferos tan solo 2 reacciones se producen en grado significactivo en sumetabolismo. La sntesis de metionina a partir de homocisteina como se muestra en el
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esquema anterior y la isomerizacin de la metilmalonil-CoA para dar lugar a Succinil-CoA como se muestra a continuacin.
Es de inters tambin la participacin de la metil-B12 en la sntesis de metano por lasbacterias metanognicas.
MethanogenesisThe flammable gas methane is the product of the energy-generating metabolism of themethanogenic Archaea. Most of the methanogenesis on earth occurs in anaerobichabitats where intermediates in the breakdown of organic matter are converted tomethane. You can observe the accumulation of methane in sediments in the Voltaexperiment. Some methanogenesis on earth today (and perhaps most of it on theancient earth) occurs in geothermal habitats such as hydrothermal vents. This diagram
http://faculty.washington.edu/leighj/mmarchaea.htmlhttp://faculty.washington.edu/leighj/fun.htmlhttp://faculty.washington.edu/leighj/fun.htmlhttp://faculty.washington.edu/leighj/mmarchaea.htmlhttp://faculty.washington.edu/leighj/fun.htmlhttp://faculty.washington.edu/leighj/fun.html8/4/2019 II. IU.IIPROTEINASENZIMASCOENZIMAS
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shows the pathway for methanogenesis by the "hydrogenotrophic" methanogens,which use the substrates hydrogen and carbon dioxide to make methane.
Diagram of Methanogenesis
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cido ascrbico. El colgeno realiza una serie de funciones muy amplia, es laprotena ms abundante en la mayora de los vertebrados. Las fibras de colgenoforman la matriz de los huesos sobre la que precipitan los constituyentes minerales,
estas fibras constituyen la mayor parte de los tendones. Bsicamente el colgenomantiene unidos a la mayora de los animales.La unidad bsica de la fibra de colgeno es la molcula de tropocolgeno una hlicetriple de tres cadenas polopeptdicas, cada una de ellas con aproximadamente 1000residuos.
Las cadenas individuales sonhlices a la izquierda conaproximadamente 3.3 residuospor vuelta. Tres de estas cadenas
se enredan a la derecha unasalrededor de las otras. El examendel modelo revela que cada tercerresiduo que debe encontrarse enel centro de la triple hlice solo
puede ser glicina, estaformacin tambien resultafavorecida por la presencia de
prolina o hidroxiprolina en lamolcula de tropocolgeno. Unconjunto que se repite es:Glicina-prolina-hidroxiprolina.
Biosntesis de prolina,hidroxiprolina y colgeno. Unafuncin metablica importante dela prolina es su incorporacin aprecursores polipeptdicos decolgeno y otras protenas del
tejido conjuntivo en las que acta como precursor de la hidroxiprolina. Los residuos dehidroxiprolina se generan mediante una modificacin posterior a la traduccin. Elprecursor de colgeno no hidroxilado se denomina procolgeno. En este polipptido,un residuo de prolina es el sustrato de la procolgeno prolina hidroxilasa. Estaenzima poco habitual requiere Fe, cido ascrbico, oxgeno molecular y -cetoglutarato el cual se oxida a succinato. El cido ascrbico reduce al O2 con laincorporacin de un tomo al succinato y el otro termina en el grupo hidroxilo de lahidroxiprolina como se observa en la reaccin.
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Esta reaccin tiene un intersespecial ya que representa unade las pocas funciones biendefinidas del cido ascrbico, ovitamina C. La carencia devitamina C o escorbuto,comporta defectos de la funcindel tejido conjuntivo y pareceprobable que estos problemas sedeban a una sntesis omaduracin defectuosa delcolgeno en el tejido conjuntivo.
Parte de la dureza del colgenose debe al entrecruzamiento delas molculas de tropocolgenomediante una reaccin decadenas laterales de lisina.Algunas cadenas laterales delisina se oxidan para dar lugar aderivados aldehidos quereaccionan con otro residuo delisina madiante unacondensacin aldoholica ydeshidratacin para dar lugar aun entrecruzamiento como semuestra en la siguiente reaccin.
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Parte de la dureza del colgeno se debe al entrecruzamiento de las molculas detropocolgeno mediante una reaccin de cadenas laterales de lisina como se muestraen el esquema.
Cintica enzimtica
Para que una reaccin qumica se lleve a cabo es necesario:
Que las molculas se reconozcan qumicamente; es decir, que tengan una
orientacin espacial ptima.
Que posean la suficiente energa para alcanzar un estado de transicin en el
cual la probabilidad de establecer o romper un enlace sea elevada. Este
estado de transicin se encuentra en la barrera de energa que separareactivos y productos. Se puede esquematizar de la siguiente manera:
FIGURA 2.4
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Energa de activacin
Es la energa necesaria para llevar las molculas de un mol de sustancia al estado detransicin.
Energa de activacin y catlisis
Se sabe que los procesos espontneos transcurren con disminucin de la energa
libre. La energa adi-cional que hay que suministrar al sustrato para que se transforme
en producto recibe el nombre de energa de activacin, como se haba mencionado.
La energa de activacin est relacionada con la constante de velocidad de la
reaccin qumica, como se indica:
S Pk
k = -dS
dt=
dP
dt
k = constante de velocidad
V = k[S]
La energa de activacin y la constante de velocidad estn relacionadas por la
ecuacin de Arrhenius
en donde
A = nmero de molculas que tienen la suficiente energa para reaccionare = base de logaritmo naturalR = 1.99 cal/KmolT = 273 + C
Sacando logaritmo natural a los dos miembros de la ecuacin, tenemos que
RT
Ea
LneLnALnK
+=
1
+=
RT
EaLnALnK
Sustituyendo ln A = B.
RT
E
-a
Ae=k
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ln k = B -E
RT
a
Esta ecuacin permite deducir que la velocidad de cualquier reaccin qumica sermayor al aumentar la temperatura de la reaccin y disminuir la energa de activacin.
Se sabe que por cada 10 de elevacin de temperatura la velocidad de reaccin se
duplica. Precisamente, los catalizadores disminuyen la energa de activacin yen
consecuencia aumentan considerablemente la velocidad de la reaccin
catalizada.
Llamamos k a la constante de velocidad de la reaccin espontnea, y k a la
catalizada:
ln k = B -E
RTy ln k' = B -
E
RT
a a '
Restando mutuamente, tenemos
2.30RT
'E-E=
k
k'log,bieno,
RT
'E-E=
k
k'ln aaaa
Esta relacin nos indica cuantas veces es ms rpida una reaccin catalizada de unano catalizada.
Come se ha visto el papel de un catalizador consiste en reducir el valor de G alfacilitar el estado de transicin. Una enzima une a un amolcula de sustrato o enalgunos casos varios sustratos, en una regin de la enzima denominada sitio activocomo se muestra en la figura.
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El sitio activo es un espacio de la enzima rodeado por cadenas laterales deaminocidos, que facilitan la unin del sustrato, en donde intervienen las cadenalaterales de aminocidos.
Segn la hiptesis de la cerradura y la llave la enzima acomoda al sustrato de lamisma manera que lo hace la cerradura con su llave especfica.
Hay otra hiptesis del ajuste indicido, en el cual se distorsiona tanto la enzima
como el sustrato, esta distorsin se refiere a un cambio qumico tanto de la enzimacomo del sustrato.Un ejemplo real del ajuste indicido se muestra en la siguiente figura. En la cual laHexocinasa, muestra una forma en ausencia de la glucosa y otra forma en presenciade la glucosa
A continuacin se muestra el sitio activo de la la quimotripsina y la accin de losrestos de a. cidos del sitio activo que intervienen en la reaccin de hidrlisis pptica.
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Pero adems de distorsionar o acomodar simplemente los sustratos, en muchoscasos las cadenas laterales de los aminocidos cidos o bsicos, pueden adicionar oeliminar protones como se ver a continuacin al hablar del efecto del pH en la accinenzimtica.
Factores que afectan la velocidad de las reacciones enzimticas
Efecto del pH sobre la velocidad de reaccinEl pH tiene una influencia marcada sobre la velocidad de las reacciones enzimticas.
Caractersticamente, para cada enzima hay un valor de pH al cual la velocidad es
ptima y a cada lado del ptimo la velocidad es inferior. Esto se debe a que los sitios
activos de la enzima se componen a menudo de grupos ionizables que deben
encontrarse en la forma inica adecuada, con el fin de mantener la conformacin del
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sitio activo, unir los sustratos o catalizar la reaccin. Adems, uno o ms de los
sustratos pueden contener grupos ionizables y slo una forma inica del sustrato
puede unirse a la enzima y experimentar la catlisis. La relacin pH actividad de laenzima depende del comportamiento cidobsico de la enzima y del sustrato. La
disminucin de la actividad enzimtica podra deberse a la formacin de una forma
inica incorrecta del sustrato o de la enzima, o de ambos. El pH ptimo de la
enzima y el pH de su entorno celular no siempre es el mismo; de tal manera que, en
ocasiones, la regulacin intracelular de su actividad es el pH.
FIGURA 2.13
Velocidad frente al pH, un modelo monoprtico sencillo
Considerar un sistema en el que el sustrato es un cido dbil, HA, pero slo la forma
ionizada A- se une a la enzima. El verdadero sustrato es entonces A-. Para una
concentracin total fija de cido dbil, la proporcin que se encuentra en la forma
inica apropiada se calcula con la ecuacin de Henderson-Hasselbalch.
Cuando el pH es superior en una unidad al pKa 10/1 del total se encuentran como A-.
Cuando el pH = pKa + 2, 100/1 del total se encuentran como A -. Cuando el pH es una
unidad menor que el pKa 1/10
se encuentran como A-
; as podemos esperar que la velocidad aumente a medida quese incremente el pH, como se muestra en la figura 2.14 donde el pK a del sustrato se
supone que es 4. Se supone tambin que el sitio activo de la enzima contiene un
grupo bsico B que deber estar protonado, BH+, para unirse al sustrato A-. La
proporcin de concentracin total de enzima en la forma inica adecuada BH+
disminuye al aumentar el pH, como se ilustra en la figura 2.14 donde el pK a del sitio
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ac-tivo se supone es 7. La actividad mxima terica se dar a un pH en el que toda la
enzima se encuen-tra como BH+ y todo el sustrato como A-. Sin embargo, los dos
valores de pKa se diferencian slo en tres unidades y, por lo tanto, la combinacinmxima de BH+ y A- se dar a un pH de 5.5 en el que el 97% del sustrato total y
enzima total estarn en la forma inica adecuada.
FIGURA 2.14
Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reaccin
Muchas reacciones qumicas transcurren a una velocidad mayor si la temperatura
aumenta. Un aumento en la T comunica ms energa cintica a las molculas del
reactivo, dando ms colisiones eficaces por unidad de tiempo. Las reacciones
catalizadas enzimticamente se comportan anlogamente hasta cierto punto. Las
enzimas son molculas proteicas complejas; su actividad cataltica se debe a una
estructura terciaria altamente ordenada y exacta que da lugar a la formacin de sitios
estereoespecficos de unin del sustrato con el centro cataltico. La estructura terciaria
de una enzima se conserva por un gran nmero de enlaces dbiles no covalentes; por
lo tanto, una enzima es una estructura frgil y muy delicada. Si la enzima absorbe
demasiada energa, la estructura terciaria se rompe y la enzima se des-naturaliza y
pierde su actividad cataltica. As, al elevarse la temperatura, el aumento esperado en
velocidad debido al incremento de colisiones E+S es anulado por el aumento de la
velocidad de desnaturalizacin; por lo tanto, una representacin de actividad cataltica
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frente a T generalmente muestra un pico que se conoce como temperatura ptima.
Las enzimas de peso molecular bajo compuestas de cadenas polipeptdicas sencillas
y que poseen puentes disulfuro son, generalmente, ms estables al calor que las depeso molecular alto como las enzimas oligomricas.
FIGURA 2.15
La curva que presentan las reacciones catalizadas por enzimas se debe:
Al incremento habitual de la reaccin por aumento de la temperatura.
Desnaturalizacin de la enzima que se lleva a cabo entre 45 - 60 C.
Como se mencion anteriormente, la relacin entre la constante de velocidad k, y la
energa de activacin Ea viene dada por la ecuacin de Arrhenius
RT
Ea
AeK
=
RT
Ea
LneLnALnK
+=
bxmY
ATR
Ea
LogK
ALnRT
EaLnK
RT
EaLnALnK
+=+=
+=
+=
log
1
303.2
1
La forma integrada de la ecuacin de Arrhenius es:
12
12a
1
2
TT
TT
R303.2
E
k
klog
=
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O bien
Donde k1 y k2 son las constantes especficas de velocidad de reaccin a dos
temperaturas diferentes, t1 y t2, respectivamente.
El efecto de temperatura sobre la velocidad de reaccin se expresa
frecuentemente en trminos de un coeficiente de temperatura, Q10, que es el factor
en que aumenta la velocidad al incrementar la temperatura 10 C.
Efecto de la concentracin del sustrato sobre la velocidad de reaccin
La velocidad de una reaccin catalizada por una enzima se incrementa al aumentar la
concentracin de sustrato hasta un punto en el cual ya no hay incremento, aun con la
adicin de ms sustrato. En esta fase, el sustrato ha saturado los sitios activos de la
enzima y se ha logrado la velocidad mxima de la reaccin, la cual depende de la
afinidad de la enzima y el sustrato correspondiente.
FIGURA 2.16La ecuacin de esta hiprbola corresponde a una cintica clsica de Michaelis-Menten
[ ][ ]SKmSV
Vo+
=max
1
2
12
12
ak
klog
TT
TRT303.2E
=
QlogTRT.E
a =
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Enzimas reguladas y no reguladas
Enzimas reguladoras
Todas las enzimas presentan caractersticas que influyen en la regulacin de su
actividad dentro de la clula, por ejemplo:
pH. El pH ptimo de una enzima es de 5 y su entorno tiene un pH de 7, por lotanto, la actividad de esa enzima no es la ptima.
Temperatura. La catalasa tiene una actividad ptima a 0 C. La temperaturacorporal es de 36.5 C, la actividad de la enzima no es total.
Presencia de cofactores. Algunas enzimas necesitan cofactores como Mg++,
Fe++, etc.; la concentracin de estos metales regula la actividad enzimtica.Concentracin de sustrato. La actividad enzimtica dentro de la clula
tambin se ve regulada por la concentracin de sustratos.
Adems de estas propiedades comunes a todas las enzimas, hay otras que tienen
funciones especiales para regular el metabolismo, stas se denominan enzimas
reguladoras. Hay dos tipos de regulacin:
1) Enzimas alostricas
2) Enzimas moduladas covalentemente
Enzimas alostricas
El trmino alostrico significa otro sitio. Las enzimas alostricas poseen, adems
del sitio activo, otro sitio al que se enlaza de modo reversible, no covalente, el cofactor
o modulador. El centro alostrico es tan especfico para el modulador como lo es el
sitio activo para el sustrato. Un modulador puede ser (+) cuando estimula la actividad
de la enzima; (-) cuando inhibe la actividad enzimtica; puede ser homotrpico,cuando su modulador es el propio sustrato; y heterotrpico, cuando su modulador
es diferente al sustrato. Algunas enzimas poseen ms de un sitio alostrico y se
denominan polivalentes.
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a) Rutas lineales
Inhibicin o retroinhibicin
Estimulacin o retroalimentacin
b) Rutas ramificadas
Enzimas moduladas covalentemente
Existen dos tipos de modificaciones covalentes de las enzimas
a) Modificaciones irreversibles por hidrlisis. Los zimgenos o proenzimasinactivos pueden activarse al eliminar uno o ms pptidos de la molcula
proteica. Por este procedimiento el pepsingeno se transforma en pepsina; el
tripsingeno en tripsina, etc. En general, las enzimas digestivas de naturaleza
proteoltica requieren esta activacin que evita la autodestruccin de las
clulas que los secretaron (una activacin precoz del tripsingeno a tripsina
en las clulas del pncreas da lugar a la pancreatitis aguda, a menudo,
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mortal). Una vez utilizadas las enzimas, se inactivan destruyndose por medio
de hidrlisis.
FIGURA 2.22
Las hormonas proteicas, como la insulina, sufren modificaciones de prohormona a
hormona activa; ejemplo:
Preproinsulina proinsulina insulina- pptido - pptido
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b) Modificacin reversible por interconversin. Las conformaciones R (relajada) y
T (tensa) pueden verse estabilizadas por modificacin covalente de las
molculas enzimticas. Para ello se requiere la activacin de enzimasconvertidoras que, a su vez, tambin suelen ser reguladas.
FIGURA 2.23
Las formas desfosforiladas son ms activas en las vas sintticasLas formas fosforiladas son ms activas en las vas degradativas
Este es un ejemplo de modificacin covalente de enzimas por fosforilacin
desfosforilacin.
Cintica de las enzimas alostricas
La cintica que se ha estudiado (de tipo hiperblico) no resulta aplicable a la totalidad
de las enzimas. Existen muchas enzimas de estructura oligomrica cuyas
subunidades se influyen mutuamente; es decir, la actuacin de una de ellas repercute
en el comportamiento de las dems. Como consecuencia de este fenmeno, la
cintica de estas enzimas suele ser ms compleja: en general, de tipo sigmoideo.
Cooperatividad: Ecuacin de Hill
La concentracin de sustrato puede influir en la velocidad de reaccin de las enzimas
reguladoras, dan-do lugar a la mencionada cintica sigmoidea.
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FIGURA 2.24
El efecto cooperativo se atribuye a que la enzima presenta varios centros activos (uno
por cada mon-mero), ya que puede adoptar dos conformaciones espaciales distintas:
la forma R (relajada) ms activa, y la forma T (tensa) menos activa, en equilibrio
dinmico. La presencia del sustrato puede desplazar el equilibrio, favoreciendo la
adopcin de una de ellas, de acuerdo con el esquema siguiente:
FIGURA 2.25
La ecuacin simplificada de Hillexplica matemticamente la cintica sigmoidea al
suponer la capacidad preferente de la enzima para unirse simultneamente a n
molculas de sustrato, segn la ecuacin
Por un razonamiento anlogo al seguido con la deduccin de la ecuacin de Michaelis
se llega a lo siguiente:
PE++ nESSnE
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[ ][ ]SKmSV
Vo+
=max
El sentido qumico de K 0.5 (anlogo al descrito para Km) es el de aquella concentracin
de sustrato que permite a la enzima trabajar a la mitad de la mxima velocidad. Al
operar matemticamente la ecuacin tenemos
Al aplicar logaritmos se obtiene
bmxY =
Al reordenar, se obtiene la ecuacin de una recta en la que n es su pendiente
A n se le denomina coeficiente de Hill. Si su valor es 1, no existe cooperatividad; si es
mayor que 1, hay cooperatividad positiva; y si es menor que 1, la cooperatividad es
negativa. Sus valores habituales en las enzimas reguladoras oscilan entre 2 y 3.
nn
.5
n
max
[S]K
[S]VV
+
=
'0.5
max
Klog-[S]lognVV
Vlog =
( ) [ ] SV[S]KV nmaxn
0.5n
=+
[ ] SVV[S]VK nmaxn
0.5n
=+
[ ] V[S]-SVVK nnmax0.5n
=
[S]V)-(VVK nmax0.5n
=
V
[S]V)-(VK
n
max0.
n=
V
V)-(V
S
K maxn
0.5n
=n
K
S
V
=
5.0max
V
V
.0
max
loglogV
Vlog knSn
V=
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Efectores alostricos
Las enzimas alostricas modifican su actividad cataltica al fijar determinados ligandos
sobre el centro activo: sustrato natural, sustrato anlogo, inhibidores competitivos,entre otros. Estos ligandos se podran denominarligandos homotrpicos, pero con
frecuencia estos u otros compuestos pueden fijarse a centros diferentes del centro
cataltico, llamados centros alostricos. Estos ligandos sern heterotrpicos y
tambin son capaces de modificar la actividad cataltica de las enzimas reguladoras.
Los inhibidores alostricos disminuyen o anulan la actividad cataltica de la enzima
y los activadores alostricos la aumentan.
La activacin o inhibicin puede afectar a diversos parmetros de la cintica
enzimtica. Entre los modelos clsicos se consideran los sistemas Ken los que se ve
afectada la K0.5 y los sistemas V, en los que resulta alterada la velocidad mxima.
En el esquema A es activador o modulador positivo e I es modulador negativo o
inhibidor.
FIGURA 2.26
En la figura 2.26 se representan las modificaciones cinticas producidas por un
activador (A) o un inhi-bidor (I) en los dos sistemas considerados.
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