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:
    extΔG=G<em>extprod−G</em>extreactext{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$2$, H$2$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.