Tema 6: Enzimas
Introducción
Enzimas: proteínas que actúas como biocatalizadores de reacciones metabólicas, aumentando la velocidad de reacción.
Características:
Forman partes de rutas metabólicas y trabajan en conjunto.
Elevado peso molecular.
Poseen especificidad.
Trabajan en condiciones fisiológicas.
Globulares y solubles en agua.
No se consumen durante la reacción.
Se alteran por cambios en el pH, Tª.
Poseen un centro activo donde se una el sustrato.
Regulan su actividad por la unión de efectores o moduladores.
Funcionamiento de una enzima
Sustratos: sustancias sobre las que actúan.
Productos: sustancias liberadas tras la reacción.
Centro activo: región aminoacídica específica de la enzima donde se une el sustrato. Formado por:
Sitio del unión al sustrato: aa en contacto directo con el sustrato unido.
Sitio catalítico: aa implicados en la reacción catalítica que da lugar a producto.
En toda reacción química, los reactivos (A + B) se unen para dar los productos (C +D). Existe un paso intermedio llamado estado de activación en el que los enlaces de los reactivos se encuentran debilitados. Para que se produzca dicho estado es necesario un aporte energético denominado energía de activación.
La energía suele provenir del ATP, aunque las vitaminas pueden actuar como biocatalizadores.
Las enzimas, mediante la catálisis, permiten reducir la barrera de energía libre.
Fenilcetonuria
La fenilcetonuria es un trastorno genético en el que la persona nace con un defecto en la enzima fenilalanina hidroxilasa, la cual se encarga de metabolizar la tirosina. Si no se trata puede producir daño neurológico y retraso mental.
Se trata con una dieta controlada de fenilalanina exógena.
Cofactores
Las enzimas a menudo requieren la presencia de moléculas o iones adicionales para poder realizar su función catalítica → cofactores.
Pueden ser temporales o permanentes. Se dividen en 2 tipos:
Muchas coenzimas son vitaminas hidrosolubles o derivados de ellos.
Las enzimas que requieren cofactores presentan dos formas:
Apoenzima: la enzima es inactiva cuando no está unida a su cofactor.
Holoenzima: forma activa con el cofactor ya unido.
Holoenzima = apoenzima + cofactor
Estructuras de la enzimas: tipos
No todas las enzimas son proteínas. Las ribozimas son secuencias de ARN que se pliegan formando estructuras 3D, y pueden cortar y modificar secuencias de ARN.
En base a su composición química:
Simples: formadas por una o varias cadenas de proteína.
Holoenzimas: complejas, con parte proteica (apoenzima) y no proteica (cofactor).
Nomenclatura
3 formas de nombrarlas:
Nombres particulares: antiguo, cada enzima tiene un nombre particular dado por su descubridor.
Nombres específicos o comunes: cotidianos. Indica el sustrato con el actúa, la reacción que cataliza y el prefijo asa.
Nombre sistemático: cada enzima tiene un código EC de 4 dígitos.
Clase de enzima según el tipo de reacción que cataliza.
Subclase según el subtipo de reacción.
tercero y cuarto, grupos químicos implicados en la reacción.
Clasificación de enzimas
Oxidorreductasas
Catalizan reacciones de óxido-reducción en las que se transfiere hidrógeno o electrones de un sustrato a otro. Siempre en pares, con un sustrato que se reduzca y otro que se oxide. No necesitan cofactor.
Transferasa
Catalizan reacciones de transferencia de átomos o grupo de átomos (grupo químico) entre moléculas.
Hidrolasas
Catalizan reacciones de hidrólisis (rotura de enlace). Por tanto, utilizan moléculas de agua para romper un enlace del sustrato y transformarlo en dos productos nuevos que toman el H y el grupo -OH de las moléculas de H2O.
Normalmente son proteasas o nucleasas y actúan sobre enlaces O-glucosídico, ester y peptídico.
Liasas
Catalizan la reacción de rotura de enlaces covalentes por adición o eliminación de grupos, pudiendo liberar dobles enlaces o anillos.
Al contrario que la hidrólisis u oxidación, este proceso no requiere de energía y en algunos casos libera CO2.
Isomerasa
Catalizan la conversión entre un par de isómeros. No cambia de formula, pero cambia la orientación. Ocurre cuando hablamos de enzimas que son muy específicas.
Ligasas
Catalizan la unión de dos sustratos mediante la hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato, que aporta energía para la formación del enlace nuevo. Es decir, sintetizamos nuevos enlaces covalentes pero necesitamos energía, algún trinucleótido como el ATP o GTP.
Centro activo
Es la región donde se une el sustrato y ocurre la catálisis. Es altamente específico.
Aunque el sustrato forma enlaces débiles con la enzima, la combinación de muchos de estos enlaces genera una unión suficientemente fuerte durante la transición de la reacción.
En la estructura de la enzima, los aminoácidos que participan en el centro activo pueden provenir de regiones distintas de la cadena polipeptídica; no necesitan estar contiguos en la secuencia lineal, ya que se acercan entre sí gracias al plegamiento tridimensional de la proteína.
Características:
Porción relativamente pequeña.
Suele formar una hendidura tridimensional creada por aminoácidos que provienen de diferentes partes de la secuencia lineal.
Los sustratos se unen mediante fuerzas débiles, no covalentes.
La especificidad del enlace depende de la disposición exacta de los átomos en el centro activo.
Generalmente es hidrofóbico, aunque puede contener residuos polares importantes que participan directamente en la catálisis.
Especificidad del sustrato
Las enzimas son altamente específicas, lo que significa que reconocen y catalizan reacciones únicamente sobre determinados sustratos. Esta especificidad puede clasificarse de varias maneras:
Esteroespecificidad: enzima reconoce únicamente una forma estereoisomérica del sustrato, por ejemplo la forma D y no la L.
Especificidad funcional: la enzima requiere que el sustrato posea grupos funcionales específicos que puedan interactuar con los aminoácidos del centro activo. Sin estos grupos, la reacción no ocurre.
Especificidad de función química: un mismo sustrato puede ser reconocido por diferentes enzimas, cada una catalizando una reacción distinta y generando productos diferentes.
Además, la especificidad puede ser absoluta o relativa si la enzima permite o no la unión de moléculas similares.
Una unión perfecta entre el sustrato y el centro activo evita la interacción con moléculas no deseadas, asegurando que la reacción se realice de manera selectiva y eficiente.
Interacción enzima-sustrato
2 momentos transitorios:
Formación del complejo enzima-sustrato (E–S): La enzima se une al sustrato mediante interacciones débiles en el centro activo, formando un complejo temporal. En este estado, el sustrato se encuentra correctamente orientado y listo para sufrir la transformación química.
Formación del complejo enzima-producto (E–P): Una vez que el sustrato se ha transformado en producto, se forma un nuevo complejo entre la enzima y el producto. Finalmente, el producto se libera del centro activo, dejando a la enzima libre para iniciar otra reacción.
Estos son esenciales para que la enzima estabilice la transición y reduzca la energía de activación.
Reacciones químicas
Aumentan la velocidad de las reacciones químicas sin modificar el equilibrio.
La energía de los sistemas biológicos se describe mediante la energía libre de Gibbs (ΔG), que indica si una reacción puede ocurrir espontáneamente:
ΔG < 0: la reacción es exergónica o espontánea, libera energía.
ΔG = 0: el sistema está en equilibrio, sin cambio neto.
ΔG > 0: la reacción es endergónica, requiere aporte de energía para ocurrir.
Estado de transición: barrera energética que los reactivos deben superar para convertirse en productos. La energía necesaria para alcanzar este estado se llama energía de activación (EA).
Las enzimas disminuyen la EA, facilitando que los reactivos alcancen el estado de transición y se transformen el productos más rápidamente. Pero no alteran el equilibrio.
La energía libre estándar de reacción (ΔG°) es un parámetro que describe la energía libre asociada a una reacción química bajo condiciones estándar:
Propiedades de los catalizadores
Aceleran la reacción sin consumirse.
No hacen posibles reacciones imposibles desde el punto de vista termodinámico.
No modifican el equilibrio final de la reacción.
No modifican el balance energético de la reacción.
Disminuyen la energía de activación del estado de transición.
Interacciones enzima-sustrato
Ocurre en zonas específicas del centro activo, donde los aa participan en la fijación del sustrato, lo que facilita la catálisis y disminuye a EA.
Se favorecen mediante 3 mecanismos principales:
Posicionamiento correcto: el sustrato se orienta de manera óptima lo que favorece la reacción.
Generación de interacciones débiles: estabilizan temporalmente el complejo y facilitan la formación del estado de transición.
Desolvatar el sustrato: se desplazan las moléculas de agua que rodean al sustrato, creando un entorno más favorable para que ocurra la reacción química.
Modelos de unión E-S
Modelo sin enzima: la reacción química que ocurre sin la participación de una enzima.
Modelo de llave y cerradura: la enzima es complementaria al sustrato, de manera que encajan perfectamente. La unión es altamente específica y libera energía al formarse el complejo. Sin embargo, aunque la unión sea perfecta, la reacción aún requiere superar la EA, por lo que no elimina totalmente la barrera energética.
Modelo de ajuste inducido: la enzima no encaja perfectamente con el sustrato desde el principio, pero al acercarse, la enzima modifica su conformación para adaptarse al sustrato. Esta interacción requiere un pequeño aporte inicial de energía, pero luego reduce significativamente la energía de activación necesaria para que la reacción ocurra, haciendo la catálisis más eficiente.
Papel de la fijación
La interacción E-S libera una energía de fijación que hace más energéticamente favorable alcanzar el estado de transición.
Reduce la entropía.
Garantiza orientación óptima.
Reduce la solvatancia de los sustratos.
Distorsión del sustrato para garantizar la reducción de la energía de activación y alcanzar el estado de transición más fácilmente
Mecanismos generales de catálisis enzimática
Transformación química → rotura y formación de enlaces por diferentes mecanismos:
Catálisis ácido-base
Transferencia de protones durante la reacción química. Contribuye a estabilizar el estado de transición entre el sustrato y el producto.
Muchas reacciones químicas podrían generar el producto sin la intervención de una enzima, pero la velocidad sería extremadamente baja. En ausencia de la enzima, el intermediario se descompondría de forma no controlada. La enzima actúa estabilizando dicho intermediario y disminuyendo la EA, lo que permite que la reacción llegue con mayor eficiencia al producto final.
Como donantes de protones pueden intervenir moléculas de agua y/o grupos funcionales de aminoácidos, que pueden actuar como ácidos o como bases.
Catálisis covalente
Se forma un enlace covalente entre la enzima y el sustrato. Suele combinarse con la catálisis ácido-base.
Las cadenas laterales de los aminoácidos pueden actuar como nucleófilos o electrófilos, donando o aceptando electrones o protones para facilitar la reacción.
Catálisis por iones metálicos
Algunas enzimas contienen iones metálicos en su centro activo. Un ejemplo es la anhidrasa carbónica, que facilita la conversión del CO₂ (que no puede transportarse fácilmente en forma gaseosa en la sangre) a bicarbonato. Este bicarbonato viaja hasta los pulmones, donde vuelve a convertirse en CO₂ para ser exhalado.
El ion metálico suele estar unido a residuos como histidinas y contribuyen a la orientación del sustrato, además de estabilizar el estado de transición en la catálisis.
Estos iones pueden estar fuertemente unidos al centro activo de la enzima o ser tomados del medio. Ayudan a la reacción de diferentes maneras:
Orientar al sustrato en el centro catalítico
Colaborar en la estabilización de estados de transición: de la reacción que estén cargados.
Facilitan reacciones de óxido-reducción: mediante cambios reversibles en el estado de oxidación transitorio del sustrato.
Modifican la polaridad de ciertos enlaces del sustrato: haciéndolos más susceptibles a ciertos reactivos.
La reacciones no suele incluir un sólo tipo de catálisis, sino que realizan una combinación de varias a distintas etapas de la reacción.
Ej: quimiotripsina.
Un residuo de serina del centro activo forma un enlace covalente con el sustrato. Esta unión se ve favorecida por una catálisis ácido-base realizada por una histidina, la cual transfiere protones y facilita la ruptura del enlace peptídico.
Después, el intermediario tetraédrico se descompone, el polipéptido se corta y se libera una parte del sustrato. Finalmente, una molécula de agua entra en el sitio activo, se producen nuevos movimientos de protones, se rompe el enlace covalente temporal y la enzima regresa a su estado inicial.
