Los biocatalizadores
Los
organismos vivos para mantener su estado
es decir su integridad deben mantener
un intercambio constante de sustancia, energía e información con el
medio que los rodea. Este intercambio constituye la base de la vida el cual al
cesar cesa la vida.
Reacción
química.
Cuando
una o más sustancias químicas se ponen en contacto, colocadas en condiciones
adecuadas que conducen a una transformación que da como resultado la aparición
de una nueva sustancia
Debemos
recordar que para que se produzca una reacción química deben cumplirse ciertas
condiciones, como son:
•
Que
los reactivos se pongan en contacto.
•
Que
por su naturaleza química sean capaces de reaccionar.
•
Que
choquen sus moléculas con la fuerza suficiente y en la dirección adecuada.
En las reacciones químicas basado
en el principio de conservación de la materia sólo se produce un reordenamiento
o reagrupamiento de los elementos que constituyen las sustancias reaccionantes
(sustrato), que de esa forma dan
origen a una nueva sustancia (producto).
Las reacciones químicas se efectúan a una
determinada velocidad, que depende de diversos factores.
Toda
reacción química, se acompaña de un cambio en el contenido energético del
sistema reaccionante; este cambio determina tanto la dirección como la
velocidad y el alcance de las reacciones.
Energía: es la capacidad de un sistema de realizar
un trabajo útil.
Los
átomos y las moléculas que están formando los compuestos del organismo
poseen
energía potencial por lo cual pueden intervenir en reacciones que liberan esa
energía, manifestándose en su habilidad
para formar o romper enlaces químicos.
La
variante de energía potencial que se presenta en los sistemas biológicos y
bioquímicos es la energía libre (ΔG) que depende de dos factores la entalpía (Variación en el contenido calórico entre los reactantes
y los productos) y la entropía(S) (grado de desorden de un sistema)
La
entalpía se relaciona con el nivel calórico si absorben o liberan calor las
reacciones y pueden ser endotérmicas (ΔH
+) y exotérmicas (ΔH-)
Reacción exotérmica se libera calor y AH es
negativo, los productos tienen menor energía que los reactantes
Reacción endotérmica se absorbe calor y AH es
positivo.
A + B → C
Como
se muestra en la siguiente ecuación el
curso de una reacción química, donde las sustancias reaccionantes son A y B,
que se transforman en el producto C. Cada una de estas sustancias tiene un
nivel energético Las sustancias reaccionantes incrementan su energía en el
transcurso de la reacción para formar el complejo activado.
La
energía que hay que suministrar a las sustancias reaccionantes para formar el
complejo activado se denomina energía de activación, actúa como una barrera energética para el desarrollo de la reacción, de ahí
que a mayor energía de activación, menor será la velocidad de la reacción y
viceversa.
La diferencia de energía entre las sustancias
reaccionantes y los productos es el valor de la energía de reacción
Si el nivel energético de los productos es
inferior al de las sustancias reaccionantes, la reacción es exergónica, donde
parte de la energía se ha cedido al entorno. Este tipo de reacción se produce
de forma espontánea.
Cuando el nivel energético de los productos es
superior al de las sustancias reaccionantes, la reacción es endergónica, es
decir, es necesario suministrar energía para que se produzca la misma. Este
tipo de reacción no es espontánea.
Existen varios procedimientos para provocar el
aumento de la velocidad de la reacción, uno de ellos es la adición de un
catalizador.
Todas
las funciones que realizan los
organismos vivos tienen su fundamento en
un gran número de reacciones químicas que
se agrupan de manera funcional y dan lugar a los procesos encargados de mantener, desarrollar y
perpetuar en cada organismo. Por lo que cada una de las reacciones químicas que
ocurren en el organismo son catalizadas
Son
sustancias que tienen en común la propiedad de aumentar la velocidad de las
reacciones químicas, sin que su estructura o concentración se modifique como
resultado de la reacción.
Formas de actuación de los catalizadores
Los catalizadores aceleran la velocidad de las
reacciones realizando los siguientes efectos:
•
Fijan y concentran sobre su superficie las
sustancias reaccionantes y las orientan en el espacio.
•
Interactúan con las sustancias reaccionantes,
creando tensiones en su interior, que
debilitan sus enlaces de modo que es más fácil romperlos.
Los catalizadores son de dos tipos:
•
Catalizadores abióticos o no biológicos, que son
aquellos que su actividad generalmente no está relacionada con los seres vivos,
entre los que encontramos: platino, níquel, ácido sulfúrico e hidróxido de
sodio entre otros y
•
Los catalizadores bióticos o biocatalizadores,
que son aquellos sintetizados por los seres vivos. Estos son proteínas
especializadas denominadas enzimas, aunque debemos señalar que existen ácidos
ribonucleicos con actividad enzimática, que se denominan ribozimas.
Las enzimas son catalizadores generalmente de naturaleza proteica, específicos, versátiles, de gran eficiencia
catalítica y susceptible de ser regulados en su actividad.
Se define como eficiencia catalítica, la relación entre la velocidad de
la reacción catalizada y la no catalizada.
Orientaremos a continuación las características fundamentales de cada uno de los tipos. Observen la comparación entre los catalizadores abióticos y los bióticos:
Catalizadores Abióticos
- Los
catalizadores abióticos, presentan menor complejidad estructural ya que generalmente son metales, sales,
ácidos o bases.
- Presenta menor especificidad, ya que solo tienen algún grado de
especificidad en cuanto al tipo de reacción que catalizan, por ejemplo: el
ión permanganato se utiliza en reacciones de oxidación.
- Presenta una menor eficiencia catalítica.
- Producen menores aumentos de las
velocidades de las reacciones catalizadas.
Catalizadores Bióticos.
- Los
catalizadores bióticos, presentan mayor complejidad estructural al ser de naturaleza proteica con una estructura tridimensional compleja.
- Presenta mayor especificidad al ser
específicos sobre el sustrato que actúa y el tipo de reacción que
catalizan incluso hasta la serie estérica.
- Elevada eficiencia catalítica.
- Las enzimas producen un aumento de la velocidad de la reacción
generalmente hasta un millón de veces.
Observe durante el desarrollo de la actividad la imagen que muestra el
gráfico de las variaciones de energía durante el curso de una reacción química,
sin catalizar y luego catalizada.
Observen ahora que la energía de activación de la reacción catalizada
delta E dos (ΔE2) es mucho menor que la energía de
activación de la reacción no catalizada ΔE1.
La velocidad de la reacción se acelera considerablemente, ya que la
barrera energética es menor en este caso,
es decir, los biocatalizadores al disminuir la energía de activación
aumentan la velocidad de la reacción.
En la imagen delta E tres (ΔE3) representa el valor de la energía
de reacción, que es la diferencia de energía entre las sustancias reaccionantes
y los productos.
Como se aprecia claramente, la energía de reacción es la misma, es
decir, la presencia de un catalizador no la modifica.
A continuación orientaremos la forma en que las enzimas o
biocatalizadores actúan para acelerar la velocidad de las reacciones.
Mecanismo
básico de acción de las enzimas
A + E ↔ C D→E +P
Etapas
El mecanismo básico de acción de las enzimas consta de dos etapas:
•
Etapa I o de unión, en que se une se produce el
contacto físico entre los sustrato y una pequeña porción del volumen total de
la enzima llamado centro activo(CA) la sustancia reaccionante o sustrato a la
enzima y forma el complejo enzima sustrato
•
Etapa II o de transformación, en que se modifica
el complejo enzima sustrato para producirse el rompimiento o establecimiento de determinadas
interacciones en la estructura del complejo enzima sustrato originándose los productos y la enzima libre para iniciar otro
ciclo catalitico.
Tanto en la
etapa I como en la II
se produce el fenómeno de transconformación en la primera etapa ocurre el reconocimiento molecular entre los grupos
químicos de la superficie del centro activo de la enzima y el sustrato se
produce la complementariedad eléctrica (química) y la espacial (estérica o de
forma), esta etapa es reversible en la reacción catalizada enzimáticamente.
Centro
activo
Es una concavidad o hendidura en la superficie
de las proteínas enzimáticas donde el
sustrato se une por fuerzas no covalentes de forma específica ampliamente
reversible.
El centro activo es una estructura
tridimensional no es un plano, no es un punto porque está relacionado con la
porción monótona de ls proteínas es decir de su secuencia que determina la
estructura tridimensional y la función poniéndose en evidencia la relación
estructura función
La
existencia del complejo enzima sustrato y el hecho de que la mayoría de los
sustratos tienen un tamaño varias veces menor que la enzima, implican que la
enzima solo se pone en contacto con el sustrato en una pequeña parte de su
estructura denominada centro activo.
En la imagen que se proyecta en la video observe la imagen que representa una enzima
destacándose el centro activo.
Observen su forma tridimensional definida y su tamaño comparativamente
pequeño con relación a la molécula de la enzima.
En su estructura se distinguen varios componentes, cada uno participa en
la catálisis de forma diferente:
•
Eje o esqueleto peptídico, formado por la parte
monótona de la cadena polipeptídica, es decir el eje covalente. Brindando la complementariedad
estérica
•
Grupos de ambientación, que son las cadenas
laterales de residuos de aminoácidos de naturaleza
apolar que se encuentran en el centro activo, los que impiden la entrada de agua
(debilita la catálisis) al centro activo
y refuerzan las interacciones débiles entre la enzima y el sustrato
favoreciendo la catálisis al crear un microambiente apolar.
•
Grupos de fijación o ligantes, que son cadenas
laterales de aminoácidos que presentan grupos funcionales capaces de establecer
interacciones débiles con el sustrato como puentes de hidrógenos, salinas o
electrostáticas y las fuerzas de Van der Waals. Estos grupos permiten la complementariedad
eléctrica entre el sustrato y el centro activo
Estos tres componentes participan en la unión de la enzima con el
sustrato, determinada por dos factores principales;
- La complementariedad estérica o espacial
entre la conformación del centro activo y la estructura del sustrato(complementariedad
estérica)
- La complementariedad química entre los
grupos del centro activo y los del sustrato.( complementariedad
eléctrica)
También forman parte de la estructura del centro activo:
•
Grupos catalíticos, que son cadenas laterales de
residuos de aminoácidos muy reactivos que participan de forma directa en la
transformación del sustrato al permitir el rompimiento o establecimiento de
interacciones o enlaces. Entre los que cumplen con mayor frecuencia esta
función están el grupo imidazol de la histidina y el hidroxilo de la serina el
amino de la lisina y el carboxilo del aspártico.
Desde el punto de vista estructural las enzimas difieren del resto de
las proteínas no enzimáticas por la presencia de un centro activo por lo que
las propiedades particulares depende de la presencia de esa estructura
Especificidad
La
especificidad de las enzimas está relacionada con las características estructurales
del centro activo y es de dos tipos:
Especificidad de sustrato, es decir, que la enzima solo
puede unirse a un sustrato o a un número muy limitado de ellos que presenten
una estructura tridimensional muy similar. Esta puede ser absoluta si solo se
puede unir a un sustrato o relativa si es a un grupo de sustratos.
Especificidad de
acción, se basa en que al unirse el sustrato al centro activo solo uno de los
enlaces del sustrato queda al alcance de los grupos catalíticos de la enzima,
por lo que la enzima solo podrá realizar una de las posibles transformaciones
que puede experimentar el sustrato
Se
realiza un resumen parcial y preguntas de comprobación.
Continúa la proyección de la videorientadora desde la Diapositiva 19 hasta
la 31.
Factores que
modifican la estructura del centro activo
Entre los
factores que modifican la estructura del centro activo y por lo tanto su
función se encuentran los:
- Agente que modifican la conformación o la estructura
tridimensional del CA la temperatura o agentes desnaturalizantes
- Modificadores de la distribución eléctrica del
centro activo, aquellos que cambian las cargas eléctricas de sus grupos
ionizables, ejemplo de ello es el pH del medio.
- Análogos estructurales a los sustratos, que se unen
al centro activo pero no son susceptibles a ser transformados por la
enzima, por ejemplo algunos inhibidores.
- Sustancias capaces de reaccionar específicamente con
grupos claves del centro activo y modificarlo.
Clasificación
de las enzimas
Dos
propiedades fundamentales de las enzimas y todas ellas derivan de las
características del centro activo son su gran eficiencia catalítica y la
elevada especificidad partiendo de esta
última en sus 2 aspectos es la que sirve de fundamento a la clasificación y
nomenclatura de las enzimas.
Las enzimas
pueden ser clasificadas atendiendo a diversos criterios de clasificación por
ejemplo:.
1.
Atendiendo a su composición pueden ser:
Simples: Cuando
están formadas sólo por la proteína enzimática y su hidrolisis solo brinda aminoácidos
Compuestas
o conjugadas: Cuando están unidas a otra sustancia que se denomina
cofactor. Y la hidrólisis aporta aminoácidos más un cofactor de origen no
proteico
En este caso la
parte proteica de la enzima se le denomina apoenzima
, la porción no proteica se denomina cofactor
y a la enzima completa holoenzima.
Es decir, la holoenzima está formada por la unión de la apoenzima con el
cofactor.
Holoenzima
= Apoenzima + Cofactor
Clasificación
atendiendo la especificidad de acción
Tomando como fundamento la especificidad de acción, con
lo cual se establecen 6 grupos principales, teniendo en cuenta la reacción
global que ellas catalizan Atendiendo a la misma se distinguen las:
Oxidorreductasas: Catalizan
reacciones de óxido reducción o sea la transferencia de electrones o sus
equivalentes entre un donante y un aceptor.
Transferasas: Catalizan reacciones de transferencia un grupo químico que no
sean electrones o sus equivalentes entre un donante y un aceptor.
Hidrolasas: Catalizan la ruptura de un enlace
covalente mediante la incorporación de moléculas de agua, y otras como las
Liasas: Catalizan reacciones en las cuales se produce la
adición o sustracción de grupos químicos a dobles enlaces.
Isomerasas: Catalizan la interconversión
de 2 isómeros.
Ligasas: Catalizan la unión covalente de 2 sustratos
mediante la energía de hidrólisis de nucleósidos trifosfatados, generalmente el
ATP.
Estos contenidos
deben estudiarlos siguiendo las orientaciones del CD de la asignatura.
Factores
que modifican la velocidad de la reacción catalizada
La
función fundamental de las enzimas es aumentar la velocidad de las reacciones químicas que ocurren en los seres
vivos. El comportamiento de esa velocidad y su modificación debido a la presencia de diferentes agentes
físicos o químicos
La velocidad de
las reacciones catalizadas por enzimas se modifica bajo la acción de diferentes
factores que orientaremos a continuación.
La
cinética enzimática estudia el comportamiento de la velocidad de las reacciones
catalizadas por las enzimas y su modificación debido a la presencia de agentes
físicos o químicos.
Los factores que
modifican la velocidad de la reacción enzimáticamente catalizada son:
- Concentración de enzimas.
- Concentración de sustrato.
- Concentración de cofactores.
- Temperatura.
- Concentración de hidrogeniones o su expresión en
forma de pH.
- Presencia de activadores
- Presencia de inhibidores.
Es necesario
puntualizar que cuando se estudia en el laboratorio uno de estos factores es
que se varía mientras que el resto permanecen constante.
Debemos precisar
algunos aspectos para abordar el estudio de dichos factores.
La velocidad de
reacción es la cantidad de sustrato que se transforma en producto en la unidad
de tiempo. Una medida de cómo se efectúa una reacción química es
mediante su velocidad; por ello se entiende cómo aumenta la concentración del producto
(aparición de producto) por unidad de tiempo o la transformación del sustrato
en la unidad del tiempo.
En el estudio de
la cinética enzimática se utiliza la velocidad inicial, que es la velocidad de
la reacción cuando aún no se ha consumido el 10 % del sustrato inicial.
El
trabajar con velocidades iniciales evita que las determinaciones estén
influidas por otros factores como:
1.
Si la reacción es reversible, la velocidad de la reacción inversa aumentará
el la misma medida que la concentración
del producto y descenderá la velocidad de transformación del sustrato.
2.
Si no se proporciona sustrato en exceso su concentración descenderá con el
tiempo, lo que provocaría una disminución progresiva de la velocidad.
3.
El producto de la reacción puede inhibir la actividad de la enzima
A continuación
orientaremos algunas características de los factores que influyen en la
cinética enzimática.
Concentración de enzima
A
medida que aumenta la concentración de enzima, aumenta de forma directa y
proporcional la velocidad inicial de la reacción, lo que se debe al aumento del
número de centros activos útiles unidos al sustrato.
Esta
característica es muy importante, ya que se utiliza en los laboratorios
clínicos para determinar la concentración de algunas enzimas en sangre y otros
líquidos o tejidos corporales, midiendo la velocidad con la cual se transforma
un sustrato. Ejemplo de ello es la determinación de las transaminasas.
Concentracion de sustrato
A medida que aumenta la concentración de sustrato, la
velocidad inicial de la reacción aumenta, al principio marcadamente y luego el
aumento de la velocidad se hace menor, hasta que se alcanza una concentración
de sustrato a partir de la cual no sigue aumentando.En este punto la enzima
alcanza su velocidad máxima y se debe a que todos los centros activos útiles se
encuentran ocupados por moléculas de sustrato. Ha ocurrido el fenómeno de saturación enzimatica.
La concentración de sustrato es importante, ya que su
estudio define dos parámetros cinéticos de la actividad enzimática:
•
La velocidad
máxima(Vm)
•
La constante
de Michaelis(KM), que se representa por Km, que es la concentración de sustrato
en que la enzima alcanza la mitad de la velocidad máxima.
Analizaremos a continuación el significado de ambos.
La
velocidad máxima se alcanza cuando las moléculas de sustrato se han unido a
todos los centros activos de las moléculas de la enzima, que se satura por el
sustrato. La velocidad de la reacción en ese momento depende de la capacidad
que tenga la enzima de transformar el sustrato, es decir, refleja la capacidad
catalítica total de la enzima.
La
velocidad máxima se relaciona con la etapa de transformación del mecanismo
básico de acción de las enzimas.
En
cambio, la constante de Michaelis representa una medida de la afinidad de la
enzima por el sustrato, de forma que mientras mayor sea la afinidad, menor será
el valor de la Km. La Km se relaciona con
la etapa de unión del mecanismo básico de acción de las enzimas.
A
mayor KM menor afinidad de la enzima por su sustrato.
A
menor KM mayor afinidad de la enzima por su
sustrato
Concentración de cofactores
La
concentración de cofactores tiene un comportamiento similar a la de sustrato,
deben estudiarlo siguiendo las orientaciones del CD.
Temperatura.
A medida que aumenta la
temperatura, aumenta la velocidad de la reacción enzimática, ya que aumenta la
energía del sistema, pero como las enzimas son proteínas, llega un valor de
temperatura en que la enzima comienza a desnaturalizarse, con lo que cae bruscamente
la velocidad inicial.
PH
La concentración de iones hidrógeno o su expresión en forma de pH
influye sobre la velocidad de la reacción catalizada enzimáticamente, ya que
modifica el estado de disociación de los grupos químicos presentes en la
enzima, con lo que puede modificarse tanto la etapa de unión como la de
transformación.
En valores extremos de pH puede incluso desnaturalizarse la enzima.
El valor de pH en que la enzima manifiesta su mayor actividad catalítica
se denomina pH óptimo y es característico para cada enzima.
Los activadores son pequeñas moléculas que estimulan la
actividad enzimática aumentando la velocidad de reacción favoreciendo la
conformación más adecuada y no
participan en la reacción propiamente.
En cambio los inhibidores son sustancias que disminuyen
la velocidad y se unen a conformación
evitando que pasen a la más favorecida y
pueden ser, entre otros:
•
Competitivos
•
No
competitivos.
•
Acompetitivos
Orientaremos a continuación algunas características de
los mismos.
En la inhibición
competitiva el inhibidor es similar estructuralmente al sustrato, por lo que
puede unirse al centro activo e incluso en algunas ocasiones ser transformado
por el mismo.
El
efecto sobre la reacción enzimática es un aumento de la constante de Michaelis,aumenta
la KM es decir la
disminución de la afinidad de la enzima por el sustrato mientras que la
velocidad máxima se conserva igual.
La
inhibición competitiva es muy utilizada en la práctica médica, por ejemplo, las
sulfamidas compiten con el ácido para-aminobenzoico en la síntesis de la pared
bacteriana, por lo que se utilizan como antibióticos.
Otro
ejemplo es la utilización del etanol en el tratamiento de la intoxicación
accidental por metanol o alcohol de madera.
Deben
profundizar este contenido siguiendo las orientaciones del CD de la asignatura.
- Se hace resumen parcial y
preguntas de comprobación.
Continúa la proyección de la videorientadora desde la Diapo 32 hasta la 51.
En la inhibición no
competitiva el inhibidor no tiene similitud estructural con el sustrato. En
este caso no se une al centro activo, sino a un sitio distinto, provocando un
cambio de conformación de la enzima que hace que ya el centro activo, al
cambiar su forma no transforme al sustrato. Modifica las propiedades
catalíticas de la enzima, posiblemente modificando la conformación del centro
activo de forma que no impide la unión del sustrato pero dificulta grandemente
su transformación.
El efecto sobre la reacción enzimática es una disminución de la
velocidad máxima y se mantiene constante la Km.
Acompetitiva: el inhibidor se une al centro
activo como una vez formado el complejo enzima sustrato afectando tanto la KM como la VMax
Estudiaremos a continuación los cofactores, sustancias que forman parte
de la estructura de muchas enzimas.
Cofactores
Para
que se verifique el proceso catalítico,muhcas veces además de la enzima, se requiere de otra
molécula de bajo peso molecular . Estas moléculas realizan diversas funciones
que contribuyen de manera decisiva en el desarrollo de la reacción, son los llamados
cofactores enzimáticos. Los cofactores enzimáticos son necesarios en muchas
reacciones, ya que las enzimas poseen en la cadena R de sus aminoácidos un
número limitado de grupos funcionales que no incluyen todos los necesarios para
intervenir en los mecanismos de las reacciones metabólicas;
Sustancias de carácter no
proteico y bajo peso molecular; son moléculas o iones imprescindibles para la
acción catalítica de muchas enzimas.
Los cofactores constituyen la parte no proteica del sistema enzimático,
son moléculas o iones imprescindibles para la acción catalítica de muchas
enzimas.
Formas de actuación
Los cofactores actúan de varias formas pues:
•
Contribuyen a la unión entre la
enzima y el sustrato.
•
Estabilizan la enzima en su
conformación más activa.
•
Constituyen frecuentemente el
grupo catalítico principal.
•
Son transportadores
intraenzimáticos o interenzimáticos en la reacción catalizada.
Los
cofactores se clasifica de acuerdo el
grado de unión con la apoenzima en dos grandes grupos Coenzimas(los que se unen
de forma lábil a la apoenzima y pueden
ser separados por métodos dialíticos) y Grupos Prostéticos (que se unen de
forma covalente a la apoenzima y no pueden ser separados por diálisis)
Existen varios tipos.
Los cofactores se clasifican en:
•
Inorgánicos,
entre los que se encuentran cationes como el magnesio, zinc, calcio, hierro,
manganeso y potasio y
•
Los orgánicos,
que a su vez se dividen en:
ü Grupos prostéticos si se encuentran firmemente unidos a
la proteína enzimática y..
ü Coenzimas, cuando se unen a la enzima mediante
interacciones débiles, lo que permite su separación con relativa facilidad.
Deben profundizar en el estudio de los cofactores
siguiendo las orientaciones del CD de la asignatura, enfatizando en las
funciones de los piridín nucleótidos, los flavín nucleótidos, la coenzima A y
el ATP.
Como las condiciones del medio varían, el organismo debe
regular la velocidad de las reacciones catalizadas enzimáticamente.
Regulación
La
regulación como proceso consiste en variar el estado de un sistema en respuesta
a los cambios del medio, o lo que es igual; la capacidad que tienen los
organismos de aumentar o modificar la velocidad de reacciones catalizadas por
las enzimas, ante un estímulo.
Pasar
de un estado de reposo a actividad y viceversa.
Cuando
un sistema o proceso es capaz de variar su comportamiento como respuesta a los
cambios que se producen en su entorno, de forma que la respuesta directa o
indirectamente, tiende a modificar el estímulo volviendo a la situación
inicial, se dice que este sistema o proceso está regulado.
Componentes de un sistema de Regulacion.
Los sistemas de regulación están constituidos por los siguientes
componentes:
La señal, que es una
variación originada por interacción con el medio o por su propia actividad.
Cuando la señal alcanza determinada intensidad se convierte en estímulo, que es captado por proteínas
receptoras específicas.
El receptor cambia su
conformación tridimensional y activa una proteína llamada transductora, que actúa sobre el efector para producir una respuesta que se opone a la variación del
medio.
En muchas ocasiones, entre el transductor y el efector se dispone un
mecanismo llamado amplificador, por
medio del cual la respuesta es mucho mayor que el estímulo original que lo
causó.
Mecanismos de regulación
enzimática.
En
estos sistemas existe un patrón estructural o funcional que tiende a mantenerse
estable frente a los cambios que se operan en el entorno. El sistema de
regulación está encaminado a mantener ese patrón estructural o funcional, que
cuando este último se mantiene, gracias a mecanismos intrínsecos
Componentes de un sistema de regulación. La señal
(S) existe generalmente coma la concentración de una sustancia específica cuya
variación la convierte en estímulo (E) que es captado por el receptor(R). El transductor
(T) convierte al estímulo en una señal interna del sistema que bien puede trasmitirse
al amplificador(A) que aumenta la intensidad de la señal o pasar de manera directa
al efector (E), que da lugar a la aparición de la respuesta. Esta respuesta, tarde
o temprano, modifica el estímulo inicial cerrando el ciclo de regulación.
Las formas básicas de la regulación enzimática se manifiestan por
variación en la cantidad o la actividad de las enzimas.
Existen dos mecanismos básicos que producen modificaciones en la cantidad de enzimas, conocidos como
inducción y represión.
Los que modifican la actividad son la regulación alostérica y la
modificación covalente.
Mecanismos
que modifican la cantidad de enzimas:
- Inducción.
- Represión.
Mecanismos
que modifican la actividad enzimática:
- Modificación alostérica.
- Modificación covalente.
Orientaremos a continuación la Modificación alostérica.
Modificación alostérica
La
modificación alostérica es el mecanismo por el cual una sustancia denominada
efector alostérico se une a la enzima en un sitio llamado sitio alostérico,
mediante interacciones débiles y provoca cambios conformacionales, que
modifican la velocidad de la reacción.
- El
evento esencial o primario es el
cambio conformacional provocado por ligandos (sustrato, efectores
alostéricos + y -) que conducen a un cambio de actividad.
- Los
efectores alostéricos positivos y negativos son de origen intracelular
propia de la actividad de la célula
- La
proteína existe en varias conformaciones interconvertibles
- Sus
intermediarios no son enzimas son metabolitos que son transformado de
forma gradual.
- Necesita
de estructura cuaternaria (son proteínas oligoméricas).
- No
hay modificación de su estructura primaria.
- El
proceso de regulación alostérica no es exclusivo de las enzimas.
- Los
ligandos se unen a sitios específicos por fuerzas no covalente ampliamente
reversibles.
- No
se acompaña del fenómeno de amplificación
- Es
un fenómeno de instauración rápida segundos y minutos y de corta duración
en el tiempo.
- Los
cambios que se producen en una
subunidad se trasmiten en mayor o menor cuantía a todas las
subunidades afectando la conformacion
Cuando el
efector alostérico se une a la
conformación activa produce un cambio conformacional, que conduce a un cambio
en la actividad, con el consiguiente aumento de la velocidad se le llama
efector alostérico positivo o activador alostérico, mientras el alostérico
negativo o inhibidor alostérico se une a la conformación no activa produce un
cambio conformacional, que conduce a un cambio en la conformación evitando que
el sustrato entre al CA provocando la disminución de la velocidad de reacción y
modificación en la actividad, con la consiguiente disminucion de la velocidad.
Tengan
presente que la unión de los efectores a la enzima es por interacciones débiles
y por lo tanto es reversible. Estas sustancias son productos del propio
metabolismo.
En la modificación alostérica, la enzima posee dos estados
conformacionales:
Según el modelo simétrico concertado existen 2 posibles conformaciones
interconvertible sin posibilidad de la existencia de estados conformacionales
intermedios con diferentes afinidades por los ligandos
Estado tenso, representado por la letra T, en que no se une al sustrato
y no tiene actividad catalítica
El estado relajado, representado por la letra R, en que se une al
sustrato y si tiene actividad catalítica.
En el caso del modelo asimétrico
plantea que existen conformaciones favorecidas, desfavorecidas e intermedias
que garantizan que los cambios en la actividad sean graduales.
Características de las
enzimas alostéricas.
Son proteínas oligoméricas de elevado peso molecular.
Existen en varios estados conformacionales interconvertibles y con
afinidad diferente para cada uno de sus ligandos.
Los cambios conformacionales en una subunidad se comunican en mayor o
menor grado al resto de las subunidades.
Características
de las enzimas alostéricas:
- Son proteínas oligoméricas de elevado peso
molecular y estructuración compleja.
- Existen en varios estados conformacionales
interconvertibles y con afinidad diferente para cada uno de sus ligandos
(sustratos, activadores e inhibidores)
- Los ligandos se unen a la enzima en sitios
específicos por fuerzas no covalentes y de forma reversible, afectando el
estado conformacional de las enzimas.
- Los cambios conformacionales en una subunidad
se comunican en mayor o menor grado al resto de las subunidades.
- La curva de velocidad en función de la
concentración de sustrato siempre presenta una forma diferente a la
clásica curva hiperbólica de Michaelis-Menten
Modificación covalente
Estas
enzimas o proteínas existen en las
células en 2 formas que difieren en su composición química motivada por la
adición o sustracción de un pequeño grupo unido de manera covalente a la proteína enzimática: cada forma de la
enzima tiene una actividad cuantitativa
diferente y al pasar de un estado a otro cambia la fracción de centros activos útiles.
La
modificación covalente es el mecanismo mediante el cual la unión de un grupo
químico a la enzima por enlace covalente, le provoca un cambio conformacional
que produce una variación de la velocidad de reacción.
La modificación covalente presenta las siguientes características:
•
Modificación de la composición de la enzima, por la inserción
covalente de un grupo químico, el evento esencial, que conduce secundariamente
a un cambio conformacional y de su actividad.
•
Existen dos estados de
composición diferente, por adición o eliminación de un grupo químico que se une
covalentemente a la enzima.
•
Instauración menos rapidez
(minutos a horas) que la modificación
alostérica pero de mayor duración en el tiempo.
•
Sus intermediarios son enzimas que pueden catalizar
la inserción y eliminación de grupos químicos.
•
No precisa de estructura cuaternaria no son enzimas
oligoméricas (terciaria)
•
Puede acompañarse del fenómeno
de amplificación.
•
No es un fenómeno exclusivo de
las enzimas.
Otros mecanismos de regulación
Las
isoenzimas son proteínas que catalizan la misma reacción, con
los
mismos
requerimientos pero con propiedades cinéticas y fisicoquímicas diferentes.
Son
formas diferentes de una misma enzima que se diferencian en sus propiedades
cinéticas y fisicoquímicas y hacen que las reacciones que ellas catalizan presenten características diferentes en los
tejidos donde se encuentran
CONCLUSIONES
- Se hace un resumen generalizador de los
principales aspectos tratados en la conferencia.
- En la actividad orientadora de hoy arribamos a las
siguientes conclusiones.
- Las enzimas aceleran la velocidad de las reacciones
disminuyendo la energía de activación y su mecanismo básico de acción
consta de dos etapas, la de unión y la de transformación.
- La estructura tridimensional del centro activo y sus cargas eléctricas
determinan la especificidad de sustrato y de acción de las enzimas.
- Existen factores que influyen en la velocidad de la
reacción enzimática, modificando la estructura de la enzima y en
particular de su centro activo, aspecto de gran importancia en la práctica
médica
- Las
formas básicas de regulación enzimática se manifiestan por variación en la
cantidad, ya sea por inducción o represión y por variación en su
actividad, como la regulación alostérica y covalente.
- Se orienta la bibliografía
- Se motiva la próxima actividad que tratará el
esqueleto de los miembros.
Los biocatalizadores
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Reviewed by RabwinparaCristo
on
septiembre 12, 2017
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