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De haber algo característico en el mundo biológico son las reacciones químicas, que permiten llevar a cabo la transformación de diferentes moléculas, lo cual consiste en la dinámica de la vida. Todas las reacciones celulares son posible gracias a la presencia de ayudantes moleculares que regulan el transcurso de una reacción química: Las enzimas.
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Manuel Mallol Simmonds
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Las enzimas
En la guía anterior se abordaron, entre otros puntos, las proteínas. Dentro de ese punto no se incorporó un tema fundamental en la comprensión de la dinámica y fisiología celular: Las enzimas.
A lo largo de esta guía describiremos qué son las enzimas, cómo y dónde actúan, y los
factores que afectan su actividad.
Descripción general
Las enzimas son catalizadores positivos de las reacciones químicas que ocurren en
la célula. Casi en su totalidad son de origen proteico, sin embargo existen moléculas de RNA con actividad similar a las enzimas llamadas ribozimas.
Para poder comprender la importancia de la existencia de las enzimas, debemos describir
las etapas de una reacción química.
▪ La reacción química
Se define como reacción química un evento dinámico en el cual dos o más reactantes se combinan de una manera diferente para formar uno o más productos. En base a lo anterior es fácil hacer el enlace con biología: constantemente la célula está realizando cambios y procesos, sin parar.
Las etapas simples de una reacción química son:
1. Contacto entre reactantes 2. Acumulación de energía de activación 3. Formación del complejo activado 4. Liberación de productos
¿Para qué existen las enzimas? Resulta que una reacción química normal, como mezclar
hidróxido de sodio con ácido clorhídrico, no requiere una gran energía de activación, que se define como la energía necesaria para que los reactantes reaccionen y formen productos. Debido a eso si propiciamos la reacción (mezclamos los reactantes) espontáneamente reaccionarán.
Sin embargo, las reacciones químicas que se llevan a cabo en la célula (p. ej. Glucosa + O2 H2O + CO2 + ATP) requieren una energía de activación tan alta, que esperar a que esta reacción ocurra espontáneamente requeriría millones de años.
Las enzimas al ser catalizadores positivos hacen “más” posible una reacción bioquímica, bajando la cantidad de energía de activación que los reactantes necesitan. Además, la célula dispone de una batería enzimática tan grande, que prácticamente toda reacción que ocurre en la célula esta mediada por una enzima. De esa manera, la célula se asegura que todas sus reacciones necesarias puedan ocurrir.
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Fig. 1. Comparación de una reacción química con (azul) y sin (rojo) la intervención de
enzimas
Cada célula en un organismo pluricelular tiene asignada una batería enzimática característica, y es en base a eso que existen células capaces desde alimentarse de bacterias (macrófagos y neutrófilos) hasta capaces de producir impulsos eléctricos (neuronas).
Estructura de una enzima
La estructura básica de las enzimas corresponde a una estructura protéica terciaria, con una
cavidad o superficie especial llamada sitio activo. El sitio activo es el lugar donde los reactantes encajan y pueden reaccionar. Cabe señalar que
el sitio activo de una enzima en particular solo sirve para un reactante en especial, llamado sustrato. Así, podemos decir que cada enzima sirve solo con un sustrato.
Existen dos teorías para la unión enzima sustrato:
- El modelo llave cerradura: El sustrato que calce perfecto con el sitio activo de una enzima será sólo para dicha enzima
- El modelo de encaje inducido: El sustrato puede modificar el sitio activo de una enzima, para poder ser de dicha enzima.
Se sabe que en general todos los sustratos tienen un nivel de inducción a su enzima en conjunto a su especificidad. Así podemos decir que ambos modelos son válidos.
Una enzima también tiene otros sitios aparte del sitio activo, que sirven como “interruptores”.
Muchas enzimas necesitan que una molécula las encienda para poder funcionar.
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Etapas de una reacción mediada por enzimas
Las etapas en una reacción mediada por enzimas son las siguientes:
1. Formación del complejo enzima-sustrato
2. Reacción química
3. Formación del complejo enzima-producto
4. Liberación de los productos
En la siguiente imagen se ven representadas dichas etapas anteriores
Y como reacción química se puede escribir de la siguiente manera:
Factores que afectan la actividad enzimática
Este es un punto importante para la PSU y para lograr comprender los contextos en los
que las enzimas se desenvuelven. Existen muchos factores, moleculares, biológicos o químicos, que pueden afectar la
actividad de una enzima, ya sea disminuyéndola o potenciándola.
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La temperatura
La temperatura es uno de los factores físicos que más puede afectar la actividad
enzimática. Las enzimas al ser proteínas, vienen establecidas para un rango de temperatura en la que son estables (generalmente bajo 45 °C). Cuando se supera dicho límite, la estructura terciaria de las enzimas se pierde, proceso llamado desnaturalización. Con la pérdida de la estructura terciaria, la actividad enzimática se pierde.
Fig. 2. Se aprecia el “punto óptimo” para una enzima en particular, a la cual ella funciona en su máximo punto.
El pH
Bajo el mismo concepto de desnaturalización, el pH puede ejercer efectos parecidos. Las proteínas vienen fabricadas para rangos de pH bastante estrechos. Un claro ejemplo es la enzima gástrica pepsina, cuyo tengo de pH óptimo es entre 1 y 2. Si esa enzima se mezcla con el jugo pancreático, cuyo pH se encuentra entre 7 y 8, su actividad cesa debido a su desnaturalización.
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Fig. 3. Se aprecian tres enzimas con rangos de pH diferentes (Pepsina, Anhidrasa carbónica y Amilasa pancreática). Se puede apreciar como en el rango de máxima actividad de
una, la de otras es mínimo. Inhibidores enzimáticos
Un inhibidor enzimático es una molécula que limita la actividad de la enzima. Existen dos
familias de inhibidores:
o Reversibles: Son moléculas parecidas al sustrato. Ocupan el sitio activo de la enzima sin permitir la reacción. Si se eleva la concentración del sustrato, éste desplaza al inhibidor.
o Irreversibles: Son moléculas que se unen a otra región de la enzima, alterando su conformación tridimensional. La enzima queda limitada sin poder liberarse del inhibidor.
Fig. 4. Representación de la inhibición reversible.
Ayudantes ó estimulantes
Son moléculas que algunas enzimas necesitan para poder ejercer su actividad. Se
conocen como coenzimas (de origen orgánico; p. ej. Coenzima A) o cofactores (de origen inorgánico; p. ej. Magnesio). Su unión a la enzima potencia la actividad enzimática y/o permite su funcionamiento.
También las propiedades que pueden afectar son la presencia de inhibidores artificiales, como medicamentos específicos, la concentración del sustrato y de la enzima, etc.
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DATO PUNTAJE
Ejemplo de ejercicio PSU:
MC De las enzimas podemos afirmar con certeza: a) Pueden ser de naturaleza proteica o lipídica
b) Son catalizadores, por lo tanto alteran el equilibrio de una reacción
c) Algunas requieren un componente químico adicional llamado coenzima o cofactor
d) Aumentan la velocidad de reacción aumentando la energía de activación
e) Su función no requiere condiciones de pH especiales.
La respuesta correcta en este caso es la alternativa c). La alternativa a) no es correcta porque actualmente no se conocen enzimas lipídicas. La
alternativa b) tampoco es correcta porque los catalizadores afectan la velocidad de reacción, no u equilibrio (que depende de las leyes de conservación de matera). La alternativa c) es correcta porque efectivamente algunas enzimas requieren coenzimas o cofactores. La alternativa d) no es correcta porquesi se aumentase la energía de activación, la reacción tendería a no ocurrir; las enzimas hacen lo contrario. Finalmente la alternativa e) no es correcta, porque las enzimas, al ser proteínas, dependen íntimamente de las condiciones de pH del medio.
¿Sabías que existe una enzima
llamada telomerasa que previene el
avance brusco hacia la vejez?
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Tip PSU Las preguntas que puedan aparecer respecto a las enzimas se enfocan
fundamentalmente a los factores que afectan su actividad. Así, pueden aparecer análisis de gráficos de actividad vs. pH, en donde el postulante debe saber qué rol tiene el pH en la actividad enzimática.
