Profesora: E. Meneses C

GUÍA DE ESTUDIO Nº 3: ENZIMAS

NOMBRE………………………………………………………CUARTO MEDIO:……………………

OPERACIÓN(ES) COGNITIVA(S): Describir, relacionar, comparar, establecer diferencias

1.- GENERALIDADES Y PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS

En todos los organismos, es preciso sintetizar macromoléculas a partir de moléculas sencillas, y para establecer los enlaces entre éstas se necesita energía. Esta energía se consigue rompiendo los enlaces químicos internos de otras macromoléculas, sustancias de reserva o alimentos. Todo ello comporta una serie de reacciones coordinadas cuyo conjunto se denomina metabolismo.Dado que las sustancias que intervienen en estas reacciones son, generalmente, muy estables, se requeriría una gran cantidad de energía para que reaccionaran entre sí, si no, la velocidad de reacción sería nula o demasiado lenta. Para acelerar la reacción en un laboratorio bastaría con aumentar la temperatura o bien con añadir un catalizador, es decir, una sustancia que aumente la velocidad de la reacción. En los seres vivos, un aumento de temperatura puede provocar la muerte, por lo que se opta por la otra posibilidad, es decir, el uso de catalizadores biológicos o biocatalizadores. Las moléculas que desempeñan esta función son las enzimas.Las enzimas son, con la excepción de las ribozima, proteínas globulares capaces de catalizar las reacciones metabólicas. Son solubles en agua y se difunden bien en los líquidos orgánicos. Pueden actuar a nivel intracelular, es decir, en el interior de la célula donde se han formado, o a nivel extracelular, en la zona donde se producen.Las enzimas cumplen las dos leyes comunes a todos los catalizadores: la primera es que durante la reacción no se alteran, y la segunda es que no desplazan la constante de equilibrio para que se obtenga más producto, sino que simplemente favorecen que la misma cantidad de producto se obtenga en menos tiempo. Las enzimas, a diferencia de los catalizadores no biológicos, presentan una gran especificidad, actúan a temperatura ambiente y consiguen un aumento de la velocidad de reacción de un millón a un trillón de veces. Además, son más eficientes que los catalizadores no biológicos. Esto se puede medir por el número de recambio (cantidad de sustrato transformado por unidad de sustancia) Ejemplo:

En 198, se descubrió un ARN que, sin precisar la intervención de ninguna proteína, es capaz de catalizar reacciones de corte y unión conducentes a la eliminación de segmentos de ARN. Se lo denominó ribozima. Posteriormente, se ha descubierto un ARN capaz de catalizar la síntesis de otro ARN, teniendo, por tanto, actividad enzimática.

ACTIVIDAD:1.- ¿Cuántos tipos de metabolismo existen y qué tipo de reacciones producen?2.- ¿Qué características poseen las enzimas?3.- Explica: ¿Qué sucedería en nuestro organismo si no tuviésemos enzimas?

1.1. ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

En toda reacción química se produce una transformación de unas sustancias iniciales, denominadas reactivos, reactantes o sustratos (S), en sustancias finales o productos (P). Esta transformación no se verifica directamente, ya que es necesario un paso intermedio en el cual el reactivo se active, de forma que sus enlaces se debiliten y se favorezca su ruptura. Este paso intermedio recibe el nombre de complejo activado y requiere un aporte de energía, generalmenteEn forma de calor, que se conoce como energía de activación, y se define como la energía cinética mínima requerida por un sistema de partículas para que se produzca una reacción química.

Las enzimas pueden actuar de dos formas: unas, fijándose mediante enlaces fuertes (covalentes) al sustrato, de modo que se debiliten sus enlaces y que no haga falta tanta energía para romperlos; y otras, atrayendo a las sustancias reactantes, hacia su superficie de modo que aumente la posibilidad de encuentro y que la reacción se produzca más fácilmente.Las enzimas, una vez que han realizado la transformación del sustrato o sustratos en productos, se liberan rápidamente de ellos para permitir el acceso a otros sustratos.

1.2 TRABAJO EN EQUIPO DE LAS ENZIMAS

Las enzimas trabajan generalmente en equipo;formando complejos multienzimáticos

Catalizador Origen Nº de recambioHierro Inorgánico 10-5

Catalasa Orgánico 1010

multienzimáticos, de forma que el producto de una enzima constituye el sustrato de la siguiente. Esto permite que no sea precisa una elevada concentración del sustrato. Por ejemplo, el producto de una reacción enzimáticamente regulada sirve de sustrato para la siguiente. Así, el interior de la célula puede representarse cómo una

fábrica, con muchas líneas distintas de ensamblaje (y desensamblaje) en función simultánea. Cada una de estas líneas se compone de diversas enzimas, y cada una realiza una acción sobre una molécula, convirtiendo la molécula A en molécula B, para después pasarla a una nueva enzima que se convierte la molécula B en molécula C, y así

sucesivamente.Por ejemplo, dos enzimas pueden extraerse de las semillas germinadas de cebada, las cuales convierten el almidón en glucosa. La primera la amilasa, hidroliza el almidón en, maltosa; la segunda, maltasa, separa la maltosa en glucosa. Para convertir la glucosa en ácido láctico se requiere la acción consecutiva de 11 enzimas. La misma serie de estas 11 enzimas se encuentran en el ser humano, hojas verdes y en las bacterias.

1.3 ESTRUCTURA DE LAS ENZIMAS

Según su estructura, se pueden diferenciar dos tipos de enzimas: a) enzimas estrictamente proteicas, que son holoproteínas, y las denominadas b) holoenzimas, que son enzimas constituidas por la asociación, más o menos fuerte, de una fracción polipeptídica o apoenzima y de una fracción no polipeptídica o cofactor.

Los cofactores pueden ser activadores inorgánicos, como los iones metálicos, ( Mg2+, Mn2+, Cu2+, Zn2+, Cl-, Na-, K-,etc) que generalmente se encuentran en pequeñas cantidades (menos de un 0,1 por 100, por lo que son oligoelementos). Por ejemplo, el Zn en las carboxipeptidasas, el Mg en las quinasas, el K en la piruvato quinasa, etc. También pueden ser activadores orgánicos, como los grupos prostéticos, moléculas fuertemente unidas a la cadena polipeptídica, como, por ejemplo, el grupo hemo en los citocromos, el grupo hemino en las peroxidasas, el grupo hem (un conjunto de cuatro heterociclos con un ión Fe3+ central), de la enzima catalasa, etc.; o coenzimas, moléculas que actúan asociadas a enzimas, como, por ejemplo, el ATP, el NAD, las vitaminas hidrosolubles, etc. Así pues, los oligoelementos y las vitaminas resultan imprescindibles para los organismos, ya que son cofactores de diversas enzimas.

Algunas enzimas no son activas hasta que sobre ellas actúan otras enzimas o iones.Estas enzimas se denominan zimógenos o proenzimas. Por ejemplo, el pepsinógeno, que el HCl transforma en pepsina. Algunas enzimas que realizan básicamente la misma función presentan variantes moleculares, es decir, diferencias en la secuencia de aminoácidos. Suelen presentar diferencias de velocidad de reacción. Generalmente se encuentran en diferentes tejidos o compartimientos celulares o aparecen en diferentes estadios del desarrollo. Estas enzimas se denominan isoenzimas o isozimas.

En la cadena polipeptídica de una enzima se pueden distinguir tres tipos de aminoácidos: Aminoácidos estructurales, sin función dinámica. Aminoácidos de fijación, encargados de establecer enlaces débiles con el sustrato. Constituyen el centro de

fijación de la enzima. Aminoácidos catalizadores, que se unen al sustrato mediante enlaces covalentes, de forma que en dicho sustrato

se debilita la estructura molecular favoreciendo su ruptura. Constituyen el centro catalítico de la enzima. Ambos centros, el centro de fijación y el centro catalítico, suelen hallarse contiguos y forman el llamado sitio activo de la enzima.

ACTIVIDAD:1.- Confecciona un mapa conceptual que represente la estructura de las enzimas.2.- Explica por qué una enzima presenta tres tipos de aminoácidos en su estructura.3.- Tarea acumulativa: Investiga sobre las teorías relacionadas con la actividad enzimática: “Teoría de la llave y la cerradura” y “Teoría de Encaje inducido”

1.4 LAS COENZIMAS

Las coenzimas pueden actuar de distintas formas. Algunas coenzimas no se fijan a la enzima, sino que actúan conjuntamente en la transformación del sustrato; otras se fijan a la apoenzima formando parte del sitio activo. En este caso, la unión coenzima con al apoenzima se denomina holoenzima. Las coenzimas suelen alterarse durante la reacción enzimática, pero, una vez acabada ésta, se regeneran rápidamente, y vuelven a ser funcionales. Las coenzimas no suelen ser específicas de un solo tipo de apoenzima, dándose algunos casos de coenzimas que pueden unirse a más de 100 tipos de apoenzimas diferentes, cada una con una funcionalidad específica. Entre las coenzimas más conocidas se encuentran el NAD (nicotinamida-adenín- dinucleótido), el NADP (fosfato de NAD), el FMN (flavín-monomucleótido), el FAD (flavín-adenín-dinucleótido), etc. Todas ellas pertenecen a enzimas deshidrogenasas, como, por ejemplo, el NAD, que capta hidrógenos, transformándose en NADH2, y los transporta hasta un aceptor final de hidrógenos. Otras coenzimas importantes son la coenzima A, encargada de transferir grupos acilo (–CO–CH3) y el ATP (adenosín-trifosfato), que transfiere grupos fosfato (fig. 3).

ACTIVIDAD: Averigua la función que cumplen las coenzimas nombradas

1.5 REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

La actividad de una enzima depende de un cierto número de factores, entre los que están la temperatura, el pH, la concentración del sustrato, los activadores, los inhibidores, etc.

a) Temperatura. Si a una reacción enzimática se suministra energía en forma de calor, al ser captada por las moléculas es transformada en energía cinética. Así, aumenta la movilidad de estas moléculas y, por tanto, el número de encuentros intermoleculares. Si la temperatura es excesiva, la enzima se desnaturaliza perdiendo totalmente sus propiedades, lo que paraliza la actividad enzimática (fig. 4). Existe una temperatura óptima para la cual la actividad enzimática es máxima.

b) pH. Todas las enzimas tienen dos valores límite de pH entre los cuales son efectivas. Traspasados estos valores, la enzima se desnaturaliza y deja de actuar. Entre estos límites existe un pH óptimo con el cual la enzima posee una máxima eficacia. El pH óptimo está condicionado por el tipo de enzima y de sustrato, debido a que el pH influye en el grado de ionización de los radicales que componen el centro activo de la enzima y también influye en el grado de ionización de los radicales del sustrato. Así, cada reacción enzimática tendrá un pH óptimo; por ejemplo, la pepsina es más efectiva sobre la hemoglobina con pH 5- 2,2 y sobre la ovoalbúmina con pH 5- 1,5

c) Concentración del sustrato. En una reacción enzimática, al incrementar la concentración del sustrato, para una concentración de enzima constante, se produce un aumento de la velocidad de reacción, tendiente a restablecer el equilibrio químico entre las concentraciones de sustrato y de producto. Esto es debido a que, al abundar más las moléculas de sustrato, aumenta la probabilidad de encuentro entre el sustrato y la enzima. Si la concentración del sustrato es excesiva, la velocidad de reacción no aumentará, debido a que se produce una saturación de las enzimas, que se hallan todas en forma de complejo E-S.

d) Activadores. Algunos iones favorecen la unión de la enzima con el sustrato; por ejemplo, la enzima fosforilasa regula la formación de ATP a partir de ADP y un grupo fosfato (H3PO4), y se ve activada por la presencia de iones magnesio (Mg*2) (fig. 4).

ACTIVIDAD 4:1.- Averigua en qué consiste la desnaturalización y la coagulación de una enzima o proteína.2.- Investiga:a) ¿Qué es el pH?b) Dibuja una escala de pH e identifica sus componentes.3.- ¿Qué es energía cinética, que diferencia tiene con la energía potencial?4.- Averigua que ocurre con la temperatura y pH mínimo y máximo en la actividad enzimática

e) Inhibidores. Los inhibidores (I) son sustancias que disminuyen la actividad y la eficacia de una enzima o bien impiden completamente la actuación de la misma. La inhibición puede ser de dos tipos: irreversible y reversible.

-La inhibición irreversible o envenenamiento de la enzima tiene lugar cuando el inhibidor o veneno se fija permanentemente al centro activo de la enzima alterando su estructura y, por tanto, inutilizándola (fig. 5).

- La inhibición reversible tiene lugar cuando no se inutiliza el centro activo, sino que sólo se impide temporalmente su normal funcionamiento. Existen dos formas: competitiva y no competitiva.a) La inhibición reversible competitiva se debe a la presencia de un inhibidor cuya molécula es similar al sustrato, por lo que puede competir con éste en la fijación al centro activo de la enzima. Si se fija el inhibidor, la enzima no puede romperlo, como haría con el sustrato. Por tanto, la enzima no puede actuar hasta que no se libera de dicho inhibidor (fig. 5 ).

b) La inhibición reversible no competitiva es debida a un inhibidor que, o actúa sobre el complejo enzima-sustrato haciéndolo fijo, o se une a la enzima impidiendo el acceso del sustrato al sitio activo

1.6. ESPECIFICIDAD DE LAS ENZIMAS

Los aminoácidos de fijación de una enzima se disponen en el espacio de forma que pueden establecer enlaces con los radicales de la molécula del sustrato. Esto origina una especificidad entre la enzima y el sustrato, ya que sólo se producirá actividad enzimática cuando los radicales de los aminoácidos de fijación coincidan espacialmente con radicales del sustrato y permitan su unión

(fig. 6).Existen tres tipos de especificidad:

Absoluta, cuando la enzima sólo reconoce un tipo de sustrato. Por ejemplo, la enzima D-fructosa 6-fosfotransferasa actúa únicamente sobre la D-fructosa, produciendo D-fructosa-6-fosfato, pero no puede actuar sobre la L-fructosa.

De grupo, cuando la enzima reconoce solamente a un grupo de moléculas similares que poseen un determinado tipo de enlace químico. Por ejemplo, la –glucosidasa actúa sólo sobre los glúcidos en los que aparece el enlace glucosídico.

De clase, cuando la actuación de la enzima no depende del tipo de molécula, sino del tipo de enlace. Por ejemplo, las fosfatasas separan los grupos fosfato de cualquier tipo de molécula.

1.6. ENZIMAS ALOSTÉRICAS

Las enzimas alostéricas suelen estar constituidas por varias subunidades o protómeros. Cada protómero posee dos centros: un centro regulador y otro centro catalítico o activo. Al unirse a este centro una molécula, el activador, modulador o ligando, la conformación del protómero varía, haciendo funcional al centro catalítico. De esta forma, la enzima alostérica pasa de un estado inhibido (T) a un estado catalítico o activo (R). La variación en la conformación de un protómero se transmite a los otros protómeros asociados haciéndolos activos, efecto que se denomina transmisión alostérica. Algunas enzimas alostéricas se hallan en estado inhibido y requieren un activador, generalmente el sustrato, para pasar al estado catalítico. Por el contrario, otras enzimas alostéricas se encuentran normalmente en estado catalítico, y es la unión del producto de la reacción enzimática con el centro regulador lo que induce que estas enzimas pasen a un estado inhibido. Esta característica permite que las enzimas alostéricas actúen como reguladores en los sistemas enzimáticos, constituidos por varias enzimas (fig. 7).

1.7. NOMENCLATURA Y CLASIFICACION DE LAS ENZIMAS

La forma de nombrarlas se basa en la adición del morfema "asa" al nombre del sustrato sobre el cual actúa. Por ejemplo, la sacarosa (sustrato) se degrada (disminuir gradualmente) mediante la enzima sacarasa, para formar sustancias más simples: glucosa y fructosa; las lipasas actúan sobre los lípidos; las proteinasas o proteasas rompen los enlaces peptídícos de las proteínas y, las amilasas actúan sobre los almidones. Algunas enzimas, sin embargo, conservan su antigua denominación, como la tripsina, pepsina, etc. Según la función que realizan las enzimas, éstas se clasifican en seis grupos: oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas o sintetasas De acuerdo con esta clasificación, para denominar una enzima se cita primero el nombre de un sustrato, a continuación el nombre de la coenzima, si la hay, y finalmente la función que realiza la enzima. Por ejemplo, la malonato coenzima A-transferasa, la citocromo oxidasa, la succinato flavíndeshidrogenasa, etc. En la clasificación actual, cada enzima está numerada con cuatro cifras: la primera indica la clase, la segunda la subclase, la tercera la subdivisión de la subclase y la cuarta es la específica de la enzima. Por ejemplo, la malonato CoAtransferasa es la enzima 2.8.3.3.

a) Oxidorreductasas: Catalizan reacciones en las que tiene lugar una oxidación o reducción del sustrato. Son enzimas propias de la cadena respiratoria. Existen 14 subclases, destacando las deshidrogenasas y las oxidasas. Las deshidrogenasas separan el hidrógeno del sustrato (son, por tanto, oxidantes). Usan como coenzimas el NAD, NADP, FAD, etc. Las oxidasas captan electrones del sustrato y los transfieren a un aceptor, el oxígeno. Para ello, primero se reducen y luego se oxidan. b) Transferasas: Transfieren radicales de un sustrato a otro, sin que en ningún momento queden libres dichos radicales. Según el radical a transferir, se dividen en ocho subclases.c) Hidrolasas: Son enzimas que actúan mediante reacciones de hidrólisis, rompiendo enlaces por introducción de los radicales –OH y –H procedentes de la ruptura de una molécula de agua. d) Liasas: Catalizan reacciones en las que se rompen enlaces C–C, C–N o C–O, con pérdida de grupos y, generalmente, con la aparición de enlaces dobles. Por ejemplo, las desaminasas retiran radicales amino.

e) Isomerasas: Son enzimas que regulan reacciones de isomerización, en las que el sustrato se transforma en otra molécula isómera. f) Ligasas o sintetasas: Unen moléculas o radicales mediante la energía proporcionada por la desfosforilación de una molécula de ATP.

2.- Biotecnología

2.1. Generalidades y usos

A menudo se le equipara con la ingeniería genética, como sinónimo de una modificación dirigida de la sustancia genética de las células vivas. Pero la biotecnología es muchísimo más. La ingeniería genética tan sólo representa uno de sus muchos sectores.

La biotecnología significa tres cosas: en primer lugar, el aislamiento de células vivas de microorganismos, o a partir de tejidos animales o vegetales.

En segundo lugar, la obtención de productos metabólicos partiendo de estas células vivas que han sido aisladas. Este punto corresponde también a la ingeniería genética, puesto que su labor principal consiste en sintetizar productos valiosos para el ser humano, como la hormona del crecimiento o los interferones, a partir de células que han sido manipuladas genéticamente.

En tercer lugar, reacciones bioquímicas con células vivas o con sustancias que éstas contienen, principalmente con enzimas.

Como sabemos las enzimas son proteínas producidas por el organismo, que trabajan como máquina del metabolismo celular, pues facilitan reacciones de unión o de disociación de otras moléculas, que sin su acción se efectuarían muy lentamente. De este modo, desempeñan el papel de catalizadores, haciendo posibles ciertas reacciones químicas a niveles eficientes, sin sufrir en sí cambio alguno.

Así definida, la biotecnología no es ninguna invención reciente, sino que forma parte del repertorio de la civilización humana, desde hace ya muchos miles de años. Por citar un ejemplo, en la producción de alimentos para el ser humano y los animales intervienen procesos de fermentación microbiana:

El hongo de las levaduras (Saccharomyces) y las familias de lactobacilos hacen "subir" las masas en la producción del pan

Las levaduras convierten, por fermentación, los cocimientos de cereales en cerveza, los jugos de manzana en chicha y el jugo de uvas, en vino

Los estreptococos y algunas especies de lactobacilos convierten leche en yogurt o en queso Las acetobacterias y bacterias de la especie Erwinia dissolvens hacen fermentar a los granos de café o a las hojas

de té Los lactobacilos convierten durante el ensilado plantas verdes y frescas en forraje para animales

Así también, desde comienzos del siglo XX, se obtienen de las bacterias y levaduras (que son hongos unicelulares, no bacterias), un sinnúmero de elementos orgánicos. Por ejemplo:

Disolventes orgánicos, como el etanol o la acetona Ácidos orgánicos, como el ácido cítrico o el ácido láctico Polisacáridos como el dextrano Aminoácidos, como el ácido L-glutámico o la L-lisina Nucleósidos, como el 5'-IMP y nucleótidos como el 5'-GMP Vitaminas, como la B-12 o la vitamina C Antibióticos, como los betalactámicos o la tetraciclina Alcaloides de uso clínico Enzimas para la industria química, como las lipasas (usadas en detergentes) y para la industria alimenticia, como las

amilasas Hormonas peptídicas y esteroides, como la 1-hidroxiprogesterona o como la insulina humana, producida mediante

ingeniería genéticaAdemás, se hace uso de varias especies de bacterias en lixiviación de minerales, esto es, minerales de baja calidad

se enriquecen tras ser procesados metabólicamente por bacterias.Parte importante del trabajo realizado por biotecnólogos especialistas en genética molecular, utiliza técnicas

relativamente recientes, entre las que destaca la recombinación del ADN.