Enzimas

Capítulo 6: Enzimas

Introducción

• Enzimas: Catalizadores biológicos específicos que aumentan la rapidez de las reacciones bioquímicas.
• Estructura: Casi todas las enzimas son proteínas, excepto las ribozimas, que son moléculas de rRNA que catalizan el procesamiento de RNA y la formación de enlaces peptídicos entre aminoácidos.

Conceptos Clave

• Sitio Activo: Región de la enzima donde ocurre la catálisis de la reacción; contiene grupos funcionales específicos.
• Sustrato: Ligando que se une al sitio activo de la enzima.

Mecanismos de Catálisis Enzimática

• La unión del sustrato (E) al lugar activo produce un cambio en la conformación de la enzima, representada por la ecuación:
  ext{E} + ext{S}
  ightleftharpoons ext{ES}
  ightleftharpoons ext{EP}
  ightleftharpoons ext{E} + ext{P}

Diferencias entre Catálisis Enzimática y Catálisis Química

1. Rapidez de Reacción Mayor: La catálisis enzimática es de $10^6$ a $10^{12}$ veces mayor que la reacción no-catalizada, y de $10^2$ veces mayor que la reacción química catalizada.
2. Condiciones de Reacción no Extremas: Las reacciones enzima-catalizadas ocurren a temperaturas menores de $100^{ ext{º}}C$, presiones cercanas a las atmosféricas, y pH cercano al neutral.
3. Especificidad Mayor: Las enzimas reconocen sus sustratos con alta especificidad.
4. Capacidad para Regulación: Las actividades catalíticas de muchas enzimas varían en respuesta a la concentración de sustancias que no son sustratos.

Ejemplo de Enzima

• Anhidrasa Carbónica: Enzima en eritrocitos que cataliza la reacción:
  ext{CO}2 + ext{H}2 ext{O}
  ightleftharpoons ext{H}^+ + ext{HCO}_3^-

Cofactores en Enzimas

• Las enzimas pueden requerir cofactores (iones metálicos o moléculas orgánicas).
• Ejemplos de cofactores incluyen: Cu$^{2+}$, Fe$^{2+} / ext{Fe}^{3+}$, Zn$^{2+}$, NAD$^+$, NADP$^+$.
• Reacciones: El grupo hemo forma una holoenzima (activa) cuando se combina con un cofactor.

Ejemplo de reacción con Cofactor

• NAD$^+$: Cofactor de la enzima Alcohol deshidrogenasa (ADH) que cataliza la conversión de etanol a acetaldehído, usando la abstracción de H$^+$ y transferencia de un hidruro a NAD$^+$.

Fuerzas de Especificidad Enzima–Sustrato

1. Interacciones hidrofóbicas.
2. Interacciones dipolo-dipolo y dispersión.
3. Puentes de Hidrógeno.
4. Interacciones electrostáticas.

• Las enzimas utilizan dos complementaciones:
  • Complementaridad Geométrica: Forma de las moléculas.
  • Complementaridad Electrónica: Distribución de grupos funcionales.
• Modelos: "lock-and-key" y "induced fit".

Teoría del Estado de Transición

• La Energía de Activación ($E_a$) es necesaria para debilitar los enlaces en los reactantes para alcanzar el estado de transición, una especie química inestable:
  • Estado de Transición: Contiene enlaces parcialmente formados y rotos.
• Relación de energía de Gibbs:
  $ext{ΔG} = G<em>{ ext{prod}} - G</em>{ ext{react}}$. Si $ ext{ΔG} < 0$, la reacción es exergónica y espontánea.

Efecto del Catalizador

• Los catalizadores reducen la energía de activación de reacciones tanto directas como inversas, aunque no alteran la termodinámica de la reacción.

Enzimas y el Equilibrio Químico

• Características de las Enzimas:
  • Aumentan la rapidez de la reacción.
  • No afectan el equilibrio químico.
  • Se regeneran al final del proceso.
• Enzimas alteran la rapidez de reacción pero no el equilibrio químico.

Fuerzas en la Especificidad Enzimática

• La formación del complejo ES se promueve mediante:
  • Puentes de hidrógeno.
  • Interacciones iónicas.
• La energía de unión ($ΔG_B$) estabiliza la interacción con energía libre.

Nomenclatura Enzimática

• Sufijo "-asa" se añade al nombre del sustrato o acción, ejemplo:
  • Ureasa - cataliza la hidrólisis de urea.
  • Alcohol deshidrogenasa - cataliza la oxidación de alcoholes.
• Nombre sistemático (IUBMB): se basa en el sustrato + acción + clasificación EC de cuatro dígitos, p.ej. Aconitasa - EC 4.2.1.3.

Clases de Enzimas (IUBMB)

1. Oxidoreductasas: Catalizan reacciones de oxidación-reducción.
2. Transferasas: Transferencia de grupos que contienen C, N, o P.
3. Hidrolasas: Escisión de enlaces mediante la adición de agua.
4. Liasas: Eliminación de CO$<em>2$, H$</em>2$O, o NH$_3$.
5. Isomerasas: Procesos de isomerización.
6. Ligasas: Formación de enlaces mediante reacciones de condensación.

Mecanismos de Catálisis Enzimática

• Similares a los mecanismos de catalizadores químicos, pero con alta especificidad de unión al sustrato.
• Tipos de Mecanismos Catalíticos:
  1. Catálisis Ácido-Base.
  2. Catálisis Covalente.
  3. Catálisis con Ion Metálico.
  4. Efecto de Proximidad y Orientación.
  5. Enlace Preferencial al Estado de Transición.

Catálisis Ácido-Base

• Envuelve la transferencia de un protón, donde un H$^+$ se dona o se abstrae para acelerar la reacción.

Actividad Enzimática y pH

• La actividad enzimática depende del pH, usualmente óptima entre pH 5-9:
  1. Enlace sustrato a la enzima.
  2. Estados de ionización de los residuos de aminoácidos en el sitio activo.
  3. Ionización del sustrato.

Catálisis Covalente

• Acelera las reacciones mediante formación temporera de enlaces covalentes entre el catalizador y el sustrato.
• Residuos importantes en la catálisis covalente: Asp, Glu, His, Cys, Tyr, Lys, Ser.

Catálisis con Ion Metálico

• Participación en tres formas principales:
  1. Unen el sustrato para correcta orientación.
  2. Cambian de estado de oxidación en reacciones redox.
  3. Estabilizan cargas eléctricas negativas a través de interacciones electrostáticas.

Efecto de Proximidad y Orientación

• Los sustratos deben estar cerca de los grupos catalíticos para que la reacción ocurra eficientemente.

Catálisis Preferencial al Estado de Transición

• Cuanto más fuertemente se estabiliza el estado de transición por la enzima, mayor es la rapidez de la reacción.

Ejemplo: Mecanismo de Quimiotripsina

1. Ataque nucleofílico de Ser al carbonilo.
2. Formación del intermediario tetraédrico y acilo-enzima.
3. Liberación del primer fragmento (producto).
4. Ataque del agua.
5. Regeneración de la enzima.

Efecto de Inhibidores enzimáticos

1. Inhibidores Reversibles: Se unen a las enzimas mediante enlaces no covalentes. Incluyen:
   • Competitivos: Compiten con el sustrato.
   • No competitivos: Se unen en sitios diferentes.
2. Inhibidores Irreversibles: Se unen covalentemente a la enzima, destruyendo su actividad.
   • Ejemplo: Penicilina interfiere en la síntesis de peptidoglicanos.