Enzimas

                              

Enzimas

Son catalizadores biológicos .Cada catalizador tiene su enzima .De cada reacción metabólica específicamente. Aceleran las reacciones. Aumentan la velocidad de las reacciones.
Para los seres vivos son maquinas, mecanismo que funcionan mediante reacciones químicas. Es viable si ocurre en tiempo real.

Mecanismo de acción
Previamente tenemos que saber que la energética y la cinética de las reacciones químicas en general. Ecuación química A + B(sustrato)  ------- C (productos).
Las reacciones del metabolismo son reversibles, por lo tanto existe un equilibrio. Básicamente las reacciones químicas consisten en la formación o roturas de enlaces ,siempre hay que aportar una cierta energía (energía de activación).Pero en los seres vivos es incompatibles.

Energía de activación
Es la energía mínima necesaria para formar o romper enlaces, o mínima energía necesaria para convertir un mol de sustrato en un mol de producto.
Entre el sustrato y el producto hay un compuesto intermedio, se llama complejo activado.
Es un enlace medio formado o medio roto. Tiene más energía libre que los sustratos porque ha absorbido la energía de activación. 
Para que una reacción ocurra se necesita que A y B se colisionen para formar C. Pero no de cualquier forma ,sino que tiene que cumplirse una geometría de colisión, colisiones correctas que desemboquen en la formación de complejo activado para dar el producto .Si la colisión no es correcta la energía se pierde. Si la energía es suficiente y la geometría de la colisión es correcta se forma el complejo activado consiguiendo el producto. Pero si no se da alguna de esta condición se sigue quedando en sustrato.
La velocidad de una reacción depende de la energía de activación. Cuanto más energía necesite una reacción más lenta será.
Cuando la energía de activación es baja , no se necesita aportar energía a la reacción, porque la temperatura ambiente es suficiente, la agitación térmica de los sustratos  es suficiente o la luz que les da es suficiente, estas reacciones se les llama espontáneas.
La velocidad de una reacción también dependen de la energía de la reacción, es la energía del sustrato menos la energía del producto, ES - EP. Cuando sale positiva esta es exotérmica(desprende energía). Y cuando esta diferencia es negativa es endotérmica (necesita energía).
Los catalizadores, las enzimas, actúan en muy baja concentración y lo que hace es que disminuya la energía de activación, haciendo las reacciones espontáneas.
Toda la energía que tiene la reacción se utiliza para romper enlaces o formarlos, ninguna energía se pierde en colisiones incorrectas.
Las enzimas igual que los catalizadores se recuperan intactos no se consumen en la reacción.
Intervienen en la reacción, facilitando la geometría de la unión. A los sustratos se le baja la energía de activación facilitando el desarrollo de la reacción y sin alterar el equilibrio de ola reacción.
- Actúan en baja concentraciones.
-Se recuperan intactos.
-Favorecen la geometría de la colisión, con baja energía de activación y el desarrollo de la reacción sin alterar el equilibrio.
Características de la catálisis enzimática:

1)Complejo E - S y centro activo. 
La misma cinética de las reacciones químicas sirve para las enzimas. Se forma un complejo entre enzima y sustrato. E + S -----ES
Es un complejo intermedio e inestable que rápidamente te convertirá en el producto.
E + S------ES------E + P
Esta unión se da en la superficie del enzima ,donde hay un surco (el centro activo), para reconocer el sustrato por su forma. La forma del centro activo y la forma del sustrato son complementarios.

El enzima reconoce a su sustrato por su "estereoespecificidad".Por la complemtariedad de sus formas.

 

Aminoácidos de unión, interaccionan débilmente con ciertos grupos químicos del Sustrato formando enlaces dobles (los mismos enlaces de las estructuras de las proteínas) que mantienen unidos E-S.

-Aminoácidos catalíticos: mediante interacciones débiles en la unión los mismos enlaces de unión, debilita un enlace al romperse en la reacción o exponer grupos químicos del Sustrato que se van a enlazar.
Los aminoácidos catalíticos favorecen el desarrollo de la reacción.
Enzimas especiales:
-aminoácidos de unión.
-aminoácidos catalíticos.
-aminoácidos que mantengan la forma de la enzima.

Aparecen juntos los aminoácidos en el centro activo por los pliegues de la cadena y la forma de la proteína.

2)Especificidad:
La enzima reconoce su Sustrato por su forma complementaria con la del centro activo. Por estereoespecificidad(especificidad de sustrato).
Especificidad de sustrato total (hasta la isomería) pero en general, desconoce ciertos grupos químicos del sustrato( especificidad de grupo).
Los aminoácidos de unión también determina la especificidad del sustrato.
-Especificidad de acción: Cada enzima solo realiza un tipo de reacción química, la que le permite su aminoácidos catalíticos.

3)Cofactores y vitaminas:
Hay muchas enzimas que necesitan de sustancias no proteicas para su funcionamiento. Estas sustancias se unen débil y momentáneamente a la enzima(no son los grupos proteicos) porque forman una unión covalente, fuerte y permanente.
Cofactor(iones metálicos (Fe,Mg,Mn,Ca,Zn…)), colaboran en la unión de enzima y sustrato en la catálisis de la enzima y sustrato.
En otros casos, se dice coenzimas, moléculas orgánicas, actúan como aceptores temporales, grupos químicos (transportadores de grupos químicos entre distintos sustratos).
-Deshidrogenasas: quitan H al sustrato pero no lo puede conservar, porque el enzima tienen que quedar intacto.

Ejemplo:
Deshidrogenadas → quitan hidrógeno al sustrato pero no lo pueden conservar intactos.
Coenzima redox:

sustrato reducido       NAD+       sustrato oxidado
  oxidasa             ↓      ↓          ↑    ↓     reductasa
sustrato oxidado         NADH      sustrato reducido
nicotinaminadenindinucleótido

Quinasas (toman) y fosfatasas (ceden)
NADP+, FMN+ , FAD+

Enlaces de alta energía con el fósforo inorgánico ~Pi, aceptan coenzimas transportadores de energía. 
          PEP     ADP     GLUC
quinasa    ↓   ↓       ↑   ↑     fosfatasa 
               P      ATP       G-L-P

ADP + ~Pi ↔ ATP  moneda energética de la célula
ATP → adenosintrifosfato         UTP / GTP / TTP
ADP → adenosindifosfato
 Vitaminas
Todas las vitaminas se necesitan en pequeñas cantidades, colaboran con la enzima que también están en pequeñas cantidades. Son necesarias para el metabolismo porque actúan como coenzima.
Por falta de vitaminas se producen más enfermedades llamadas carenciales. Los síntomas son el resultado del déficit de ciertas reacciones metabólicas(las que necesitan esos coenzimas).Ej:Pelagra, escarbuto, beri-beri.

En cuanto se añade a la dieta la vitamina que falta desaparece estos sintomas.Se le llama Avitaminosis(falta de vitaminas)

Las vitaminas clasificadas por su composición:

-hidrosolubles(actuan como coenzimas o como grupos prosteticos,se elimina a través de la orina)

-liposolubles(El exceso es toxico)

4)Mecanismo para aumentar la eficacia enzimática

Son sistemas multienzimáticos y de compartimentación.
La velocidad de las reacciones aumenta cuando están acopladas.

Se encuentran acopladas cuando el producto de una reacción es el sustrato del siguiente. esto permite mayores concentracciones del sustrato y con ello mayor velocidad de las reacciones.
el mismo efecto se consigue con la compartimentación. Dentro de un mismo compartimento hay más concentración que fuera, en el citoplasma hay concentracciones pequeñas y en el orgánulo (compartimento) concentracciones altas.

En los seres vivos las enzimas asociadas forman complejos multienzimáticos que catalizan la secuencia. 
Además están asociados a membranas, ocurren dentro de un compartimento (el orgánulo).
 

5)Cinetica de las reacciones catalizadas y enzimas:

Ecuación de Michaelis-Meten.

Tienen la misma cinética que las reacciónes normales.

Presentan saturación de sustrato(exclusiva de las enzimas) 
 

-1ª fase:Si la velocidad aumenta 2 el sustrato aumenta 2.

-2ªfase:Si la velocidad aumenta 2 el sustrato aumenta 1,aumenta proporcionalmentye pero no directamente.

-3ª fase: la velocidad no aumenta aunque se le eche más sustrato, está saturada.
El enzima está en baja concentración, está todo ocupado, por más sustrato que se le añada no aumenta la velocidad.
La ecuación de Michaelis-Menten explica la cinética, relacionando velocidad con concentración de sustrato y ciertas características del enzima.

                                      
Cada enzima tiene su KM, típico de cada enzima.
La KM también es una constante de equilibrio de esa reacción.

                     E + S ↔ ES                             |S| • |E|
                                                          KM =   ─────
                                                                         |ES| 

Si la KM es alta necesita más concentración de sustrato.
La KM es inversamente proporcional a la afinidad de la enzima con el sustrato.
Si una enzima tiene varios sustratos, tiene una KM para cada uno.
El KM varía con la temperatura, con el pH, con las coenzimas y cofactores.
La velocidad máxima es otra característica de la enzima, cada enzima tiene una velocidad y también varía con cada sustrato, temperatura, pH, coenzimas y cofactores.
La mejor KM y velocidad máxima se da a una temperatura óptima (37ºC para las enzimas), pH óptimo (6, 5-7) y las concentraciones de coenzimas también son óptimas.

5.1.-Factores que influyen en la velocidad de las reacciones enzimáticas:
Ecuación de Michaelis-Menten.

-La concentración lSl

-pH óptimo (6, 5-7), tanto si es alto como bajo la velocidad disminuye (el pH afecta a la forma del enzima, a los amínoácidos de unión y a los aminoácidos catalíticos, por tanto al funcionamiento del enzima), a la velocidad de reacción.
Temperatura óptima (37ºC), si la temperatura baja no se llega a alcanzar la energía de activación. Si la temperatura sube, las proteínas se desnaturalizan.
Coenzimas y cofactores, concentraciones óptimas, si es baja la concentración la velocidad se resiente.

6.-Clasificación y nomenclatura de las enzimas:

La clasificación de las enzimas es según la acción de su reacción química.

 -Deshidrogenadas
 -Hidrolasas
 -Oxidasas
 -Descarboxilasa

Se nombra poniendo en 1º lugar los sustratos +acción química + asa

ejemplo:
succinico deshidrogenasa → succinico quita hidrógenos
piruvico descarboxilasa → piruvico quita dióxido de carbono
glucógeno fosforilasa → glucógeno de fósforo

7.-Regulación (modificaciones) de la acción enzimática:

La cinética enzimática se ve modificada por parámetros generales, concentración de sustrato, concentración de coenzimas y cofactores, subir la temperatura y bajar el pH.
Estos parámetros son inespecíficos, afectan a todas las enzimas, no sirven para regular la actividad enzimática.
La verdadera regulación de la actividad enzimática (reacciones metabólicas) se realiza a nivel de enzima, modificando su velocidad de actuación.
A nivel de los genes a partir de los que se sintetizan los enzimas (ácidos nucleicos).
Es necesario porque el medio es cambiante, las necesidades celulares también varían.
Se necesita regulación de la actividad enzimática por economía celular (sólo ocurren las reacciones metabólicas necesarias a la velocidad adecuada).
Los mecanismos de regulación son la activación / inhibición enzimática más la que realizan los llamados enzimas reguladores (alostéricos y modulados covalentemente).

Activación / inhibición enzimática:
La acción enzimática dependía de la concentración del sustrato y de la concentración de coenzimas y cofactores, con ellos se activa, sin ellos no funciona, no es una verdadera regulación, sí lo es la que producen ciertas sustancias inhibidoras capaces de disminuir la velocidad de las reacciones e incluso hacerlas cero.

Inhibición enzimática:
  -Inhibición irreversible (nunca volverá a actuar correctamente),  insecticidas, mercurio (Hg), son capaces de unirse a ciertos aminoácidos esenciales del enzima covalente, permanentemente alterándolos irreversiblemente, se conocen como venenos metabólicos.
-Inhibición reversible, hay varios tipos, sólo se distinguen experimentalmente por su efecto sobre la cinética enzimática. Tres tipos:
1.-Inhibición competitiva:
El inhibidor es semejante químicamente al sustrato, compite con el sustrato en su unión al centro activo y se produce dos reacciones.
Con el inhibidor aumenta la KM "aparentemente".
Experimentalmente, aumentando la concentración de sustrato y anteniendo la concentración de inhibición aumenta la velocidad y disminuye la inhibición, es inhibición competitiva.
2.-Inhibición acompetitiva:
El inhibidor no es semejante al sustrato, no compite con el sustrato para unirse al centro activo, no se combina con el enzima libre, se combina con el complejo enzima-sustrato.
Se distingue experimentalmente, se aumenta la concentración de sustrato y se mantiene constante la concentración del inhibidor y del enzima, disminuye la velocidad y aumenta la inhibición, es inhibición acompetitiva.

3.-Inhibición no competitiva:
El inhibidor se une al enzima por un lugar distinto al centro activo, se dan tres reacciones: buena, competitiva y acompetitiva.
Se aumenta la concentración del sustrato y se mantiene la concentración del inhibidor y del enzima, la velocidad permanece igual.

                           E + S ↔ ES ↔ E + P             V↑
                           E + I   ↔ EI                               V=
                           ↑ES + I ↔ ↑ESI                       V↓

 
Enzimas reguladores:

Algunos son específicos para regular, son capaces de modificar el estado metabólico de las células en muy poco tiempo, son los enzimas alostéricos y modulados covalentemente.

Enzimas alostéricos:
Etimológicamente alostérico significa "otro sitio".
Además de centro activo presenta centro alostérico.

Los moduladores pueden ser positivos o negativos, el positivo activa al enzima y el negativo inactiva al enzima.
Cuando tienen uno se llaman monovalentes, si tienen dos o más (positivo y negativo) se llaman polivalentes.
Si son polivalentes cada modulador tiene su centro alostérico.
Los enzimas alostéricos se encuentran siempre al principio.

                 L-Treonina E_1→ E_{2 →}E_3→E_4→E_5→ L-Isoleucina     



L-Treonina se encuentra al principio de una secuencia multienzimática.
L-Isoleucina es el modulador negativo de la L-Treonina deshidratasa.
Si hay L-Isoleucina no funciona, deja de funcionar la L-Treonina.
Sirve para mantener constante la concentración de L-Isoleucina.
Es un mecanismo de control que se llama retroalimentación negativa. La salida influye sobre la entrada y negativa porque el signo de la salida es distinto al de la entrada (utilizado en cisternas, termostatos, etc...)
Este mecanismo se utiliza para mantener constante una variable, sirve para regular.
En retroalimentación positiva, el modulador es positivo, sirve para maximizar una variable, para conseguir una respuesta máxima.
Si aumenta en la salida, aumenta la entrada.
Se encuentran al principio de una secuencia multienzimática (un enzima alostérico regula a otros cuatro, L-Treonina deshidratasa)
Si se encuentra en una encrucijada metabólica controla todas las reacciones e influye en todas las demás.
Red de control, varias secuencias enzimáticas reguladas cuyo producto final activa el enzima alostérico.

Enzimas modulados covalentemente:
Se caracterizan porque tienen dos formas, una más activa (mayor velocidad) y otra menos activa (menor velocidad), se diferencian en las modificaciones covalentes de su estructura .
                      Glucógeno Fosforilasa » Glucógeno + ATP → G-1-P + (glucosa) n-1 + H2O                                 reacción esencial ante las situaciones de emergencia

Interconvertibles mediante cambios / modificaciones covalentes de su estructura, catalizadas por otras enzimas a su vez. 
Libera la glucosa de su almacen (glucógeno) ante una emergencia (almacenada en el hígado).

Son enzimas que tienen dos formas:

-Más activa

-Menos activa

Estas se diferencian por diferencias covalentemente de su estructura.La copnversión de una forma a otra está catalizada por otros enzimas a su vez.

E.glucógeno fosforicasa.

Glucógeno + ATP ------------G-1-P + ADP +(Glucosa)+H2O n-1

Es una reacción esencial aunque la situación es de emergencia.

Libera la glucosa de su almacen (Glucogeno)ante una emergencia.

Se caracteriza porque tiene 4 subunidades,cada una de sus subunidades tiene un resto de serina,tiene un grupo OH y lo tiene fosforilado formando un enlace ester.

Esto permite amplificar enormemente, rápidamente, una señal. ante una situación de emergencia segregamos adrenalina.
Una molécula de adrenalina activa a 1.000 fosforilasa quinasa, a su vez convierte 1.000.000 Fb en 1.000 Fa y éstas liberan 1.000.000 G-1-P a disposición del músculo.