TEMA IX

INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO.

ENZIMAS

1.INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO

Cualquier reacción que tenga lugar entre biomoléculas de un organismo vivo, se

denomina metabólica. Todos los procesos vitales son consecuencia de reacciones

metabólicas.

Todas poseen unas características comunes:

• Las reacciones metabólicas actúan secuencialmente, originándose rutas,

constituidas por varias de ellas. En estas rutas, el producto final de una

reacción constituye la molécula de partida de la siguiente. Las rutas son

variadas, ramificándose y conectándose unas con otras. Estas conexiones son

la causa de la variedad y perfección de los procesos biológicos. Pueden ser

lineales o cíclicas

• Hay rutas convergentes y divergentes. En las primeras, se obtiene el mismo

producto final a partir de distintas moléculas de partida. En las divergentes, una

única molécula origina diferentes productos

• Las rutas metabólicas más importantes son comunes a la mayoría de los

organismos. Este hecho apoya la hipótesis del origen único de los seres vivos.

También existen rutas específicas de distintas células y organismos, que

explican la variedad funcional de los mismos.

• Se distinguen 2 fases dentro del metabolismo:

Catabolismo: Es la fase destructiva. En ella las moléculas complejas (azúcares,

ácidos grasos o proteínas) que proceden del medio externo o de reservas

internas, son degradadas a moléculas más sencillas (ácido láctico, NH3, CO2, H2O,

etc.) Esta degradación va acompañada de una liberación de energía, que se

almacena en forma de ATP.

Anabolismo: Es la fase constructiva. En ella se fabrican moléculas complejas a

partir de moléculas más sencillas. Esta síntesis requiere energía que será aportada

por el ATP. Las moléculas sintetizadas pasarán a formar parte de los componentes

celulares o serán almacenados, para su posterior utilización como fuente de

energía.

Rutas anfibólicas: son las que participan tanto del catabolismo como del

anabolismo. Conectan unas con otras.

• Todas las reacciones metabólicas son catalizadas por enzimas, o sea necesitan

su presencia para llevarse a cabo. La falta de una enzima provoca un defecto

en una ruta, lo que puede originar la imposibilidad de sintetizar un producto

o utilizar un nutriente.

CONCEPTO DE METABOLISMO

Del griego: metabolé, = cambio. Es el conjunto de intercambios y

transformaciones que tienen lugar en el interior de las células, debido a procesos

químicos catalizados por enzimas.

La función principal, es renovar constantemente las biomoléculas para crecer y

reemplazar estructuras dañadas o envejecidas y para perpetuar a los seres vivos.

CARACTERÍSTICAS DE LAS REACCIONES METABÓLICAS.

La división en catabolismo y anabolismo tiene finalidad didáctica, en realidad,

estos procesos no se producen por separado en el espacio y en el tiempo. Las

células se encuentran siempre en un proceso constante de autodestrucción y

autorregeneración. El metabolismo hay que considerarlo como una unidad,

aunque por su complejidad se estudie fragmentado en rutas metabólicas, que

son secuencias de reacciones químicas que relacionan entre si dos compuestos o

metabolitos importantes.

• Las rutas metabólicas no son independientes entre sí, si no que poseen

encrucijadas comunes. Un mismo metabolito común a dos rutas podrá seguir por

una o por otra en función de las condiciones celulares.

• Estas reacciones tienen como características comunes:

• Suceden en medio acuoso, por tanto, reactivos y productos están en disolución.

• Están acopladas, de manera que la energía liberada en una de ellas, es captada por otra

reacción.

• Cada reacción tiene su catalizador o enzima, que acelera la reacción al disminuir la

energía de activación.

2.CONCEPTO DE ENZIMA. ENERGÍA DE ACTIVACIÓN

• En los seres vivos se están desarrollando continuamente reacciones químicas

que, si se realizaran en un laboratorio, sólo podrían llevarse a cabo mediante

altas temperaturas, descargas eléctricas u otras fuentes de energía que las células

no podrían resistir. Por ello, las reacciones que tienen lugar en los organismos no

pueden ser violentas, lo cual se consigue gracias a los biocatalizadores.

• Para que una reacción se lleve a cabo, es necesario que la/s sustancia/s que van

a reaccionar (sustratos) reciban una determinada cantidad de energía que las

active, denominada energía de activación. Los catalizadores son aquellas

sustancias que, al disminuir las necesidades de energía de activación de una

reacción, la facilitan y la aceleran. Los catalizadores no intervienen en la

reacción que catalizan, de manera que, una vez terminada ésta, quedan libres y

pueden volver a ser utilizados, no se consumen durante la reacción.

• Las enzimas son proteínas o asociaciones de proteínas y otras moléculas orgánicas o

inorgánicas que actúan catalizando los procesos químicos que se dan en los seres

vivos. Son biocatalizadores.

• Esto es, actúan facilitando las transformaciones químicas, acelerando las reacciones y

disminuyendo la energía de activación que muchas requieren.

• Son imprescindibles para que se lleven a cabo las reacciones químicas en los

organismos y ejercen un control muy importante en el metabolismo, permitiendo que

las reacciones ocurran o no, dependiendo de su presencia.

• La reacción en la que participa una enzima consta de dos pasos: en primer

lugar, el sustrato S se une a la enzima E de forma reversible, hasta formar el

complejo E-S, en el que la enzima está debilitando los enlaces del sustrato y

disminuyendo la Ea necesaria para la reacción. A continuación, el complejo E-S

se descompone y da lugar al producto P y la enzima queda libre e intacta al final

del proceso:

E + S --------- E – S---------P + E

2.1 TIPOS DE ENZIMAS SEGÚN SU COMPOSICIÓN

Todos los enzimas son proteínas de gran solubilidad en los medios líquidos delorganismo. Son globulares. Según su composición se clasifican en dos grupos:

• Enzimas estrictamente proteicas: formadas solo por aminoácidos.

Holoenzimas: enzimas complejas constituidas por la asociación de:

• Apoenzima. Fracción proteica.

• Fracción no proteica: sustancias que, fijadas a la fracción proteica (apoenzima)

mediante enlaces débiles o covalentes, aportan los grupos o funciones químicas de los

que carece la enzima. Sin ella, la holoenzima no podría funcionar.

• Cofactor: de naturaleza inorgánica como los iones: Mg2+, Cu2+, Zn2+, Mn2+.

• Coenzimas: de naturaleza orgánica, y con unión débil a la apoenzima como son el NAD y FAD. No

son específicas de una sola apoenzima.

• Grupos prostéticos: de naturaleza orgánica y con unión fuerte o covalente a la apoenzima, como

por ej el grupo hemo de la hemoglobina.

2.1.1 APOENZIMAS

El apoenzima sirve de soporte a la parte no proteica y está exclusivamente

formado por aminoácidos. Es el que determina la especificidad de la reacción

enzimática. En el apoenzima se distinguen 3 tipos de aminoácidos según la función

que desempeñen:

• Estructurales: Son los que mantienen la estructura terciaria de la proteína.

• De unión o fijación: Sujetan el apoenzima al sustrato.

• Catalíticos: Son los responsables de la actividad enzimática y forman el llamado “sitio

catalítico”. Además, junto con los de unión, forman el centro activo del enzima, que es una

oquedad tridimensional donde se acopla el sustrato.

2.1.2 COENZIMAS

Son de bajo peso molecular y no son de naturaleza proteica, aunque

sí orgánicas. Es responsable del tipo de reacción que realiza el enzima. Por eso, su

número no es muy elevado y pueden ser comunes a muchos enzimas uniéndose

a diferentes apoenzimas, desempeñando la misma acción y, siendo específicos

para las distintas reacciones enzimáticas. Muchas son vitaminas, lo que significa

que no pueden ser sintetizados por el organismo y deben ser incorporados en la

dieta como tales o como, provitaminas.

Los principales grupos de coenzimas son:

• Transportan energía. En el metabolismo hay procesos que liberan energía y otros

que la consumen, pero esto no tienen por qué ocurrir a la vez, ni en el mismo

lugar de la célula. Debe existir, un mecanismo que almacene y transporte esta

energía desde los lugares donde se produce hasta donde se consume. Este

mecanismo está basado en la formación y ruptura de enlaces químicos que

acumulan y liberan energía: son los enlaces ricos en energía.

• Adenosín-fosfatos: El enlace de este tipo que más se utiliza para almacenar y

transportar energía es el que une los fosfatos 2º y 3º del ATP; se libera la energía

que contiene cuando se hidroliza y se almacena cuando se forma. Químicamente

son nucleótidos de A que pueden tener 1, 2 o 3 grupos fosfato lo cual da lugar,

respectivamente, al AMP, ADP y ATP. Su importancia radica en los enlaces que

unen las moléculas de fosfato, que son enlaces ricos en energía y cada vez que se

rompe libera energía, aproximadamente 7Kcal/mol. En consecuencia, la

transformación de ATP en ADP y de éste en AMP (hidrólisis) supone liberación de

energía, mientras que la transformación inversa (fosforilación) representa

almacenamiento de energía. Constituyen pues los más importantes

acumuladores biológicos de energía.

• Transportan electrones que van en H. Muchas de las reacciones del catabolismo

suponen la oxidación de un sustrato, lo cual libera electrones. El anabolismo,

consiste en reacciones de reducción que requieren electrones. Los electrones

son transportados enzimáticamente desde las reacciones catabólicas de

oxidación en las que se liberan hasta las reacciones anabólicas de reducción que

los precisan. Para ello se utilizan coenzimas transportadoras de electrones, como

el NAD o el FAD, que llevan electrones de un punto a otro de la célula de modo

similar a como el ATP transporta la energía. Cuando una de estas coenzimas se

encuentra cargado de electrones, en estado oxidado, se dice que tiene poder

reductor, puesto que al liberarse de los electrones podrá reducir a otro

compuesto.

• Piridín-nucleótidos: Están constituidos por un dinucleótido formado por un

nucleótido de A y otro que lleva como base nitrogenada una vitamina del grupo

B, la Vit B5 o Vit PP o nicotinamida. Existen dos tipos, el NAD (nicotinamida-

adenín- dinucleótido) y el NADP (nicotinamida-adenín-dinucleótido-fosfato) y

ambos pueden encontrarse en estado oxidado (NAD+, NADP+) o reducido

(NADH, NADPH). Son coenzimas importantes como transportadores de H, ya que

fijan sobre ellos H que quitan a algún compuesto (al que por tanto oxidan) para

cederlos a otro (al que reducen) quedando libres para actuar de nuevo.

• Flavín-nucleótidos: es una vitamina del grupo B, la Vit B2 o riboflavina. Existen

dos tipos, el FMN (flavín-mononucleótido) que es un nucleótido de flavina y el

FAD (flavín-adenín-dinucleótido) que está formado por dos nucleótidos unidos,

uno de flavina y otro de A. Se puede encontrar también en dos estados, oxidado

(FMN, FAD) o reducido (FMNH2, FADH2). Actúan de forma semejante a los

piridín-nucleótidos, es decir, como deshidrogenasas, captando y cediendo H que

fijan a la molécula de riboflavina.

• Transportan grupos químicos.

Coenzima A (CoA): Formado por un nucleótido de A unido a una vitamina del grupo B,a la Vit

B3 y al ácido pantoténico B5, unida a su vez a otra molécula, el β-aminoetanotiol. Debido a que

el grupo reactivo es el tiol terminal, se suele abreviar como CoA-SH. Su función es la de

transportador de grupos acilo gracias a que reacciona con los ácidos mediante el grupo tiol

formando tioésteres.

2.1.3 VITAMINAS

• Algunas vitaminas son necesarias para la actuación de determinados enzimas, yaque funcionan como coenzimas y, por ello, una deficiencia en una vitaminapuede originar importantes defectos metabólicos.

• Son compuestos orgánicos sencillos, que sólo se presentan en pequeñísimascantidades, y son imprescindibles para la vida. Los animales, en general, no soncapaces de sintetizarlas o lo hacen en cantidades insuficientes, por lo que debenobtenerlas a partir de los alimentos, a veces como “provitaminas”, es decir,moléculas que el metabolismo transforma posteriormente en vitaminas. Son muylábiles, o sea pueden ser alteradas fácilmente, por el calor, cambios de pH, eloxígeno del aire, o la luz provocan su destrucción.

• El nombre de “vitamina” (amina vital) hace referencia a que son moléculas

vitales, es decir, imprescindibles para la vida, ya que la primera que se aisló

tenía grupos amino.

• Los animales requieren ciertas cantidades diarias de cada vitamina, y cualquier

alteración en ellas puede producir trastornos en los procesos metabólicos.

Estos pueden ser:

• Avitaminosis: carencia total de una vitamina.

• Hipovitaminosis: carencia parcial.

• Hipervitaminosis: exceso de una vitamina.

• Hay dos grupos de vitaminas:

• VITAMINAS LIPOSOLUBLES: Son moléculas lipídicas y, por tanto, no se eliminan

y se acumulan en los tejidos como hígado o tejido adiposo. Ej: Vit A, D, E y K.

• VITAMINAS HIDROSOLUBLES: Son sustancias polares solubles en agua. No se

acumulan ya que se eliminan con la orina. Ej: Vit del complejo B, C

3.CINÉTICA ENZIMÁTICA

Toda reacción enzimática, se inicia con la rotura de enlaces entre átomos de los

reactivos y acaba con la formación de nuevos enlaces en los productos. El estado

intermedio se llama de transición o estado activado; para alcanzarlo y por tanto

que tenga lugar la reacción química, hay que comunicar energía llamada de

activación.

La diferencia entre las reacciones endotérmicas y exotérmicas radica en el

balance energético global del proceso. Las primeras necesitan energía y las

segundas la desprenden, pero en ambos casos es necesaria una Ea para alcanzar el

estado de transición.

En las reacciones espontáneas la Ea es tan baja que se obtiene de la propia

energía cinética de las moléculas o incluso de la luz. En las reacciones no

espontaneas, esta energía es tan alta que no se produce si no se aplica calor.

Las enzimas rebajan la Ea para llegar fácilmente al estado de transición y

permitir que la reacción se lleve a cabo. En definitiva, sin un catalizador no se

consigue un estado de transición de forma espontánea y con él sí, ya que

favorecen la aproximación de las moléculas y los reactivos, sin consumirse, ya que

no actúan como tales, solo ayudan a que se produzca.

• En toda reacción enzimática intervienen el enzima y el sustrato, que es la

sustancia que, catalizada por el enzima, se convierte en un producto/s. Los

enzimas tienen un tamaño mayor que los sustratos. En una primera fase el

sustrato se acopla por adsorción (fijación a la superficie) al centro activo del

enzima, formándose un complejo enzima-sustrato (ES).

• El centro activo, actúa sobre el sustrato transformándolo en los productos, que

se separan del enzima; éste puede volver a unirse a otra molécula de sustrato

para provocar una nueva reacción enzimática. Esta forma de actuación de los

enzimas explica por qué cantidades pequeñísimas de ellos pueden catalizar

grandes masas de sustratos, pues no se gastan en su acción.

• Los enzimas son altamente específicos, es decir, cada una de ellas actúa

solamente sobre un sustrato, ya que su actividad biológica se basa en su unión

selectiva con otra molécula (sustrato), cuya morfología sea complementaria con

el centro activo de la enzima. Se une selectivamente a un sustrato con el que se

complemente y no a otros.

Modelos de catálisis:

• Modelo de "Cerradura(E) y Llave(S)": propuesto por Emil Fischer. El acoplamiento entre

el enzima y el sustrato se compara con el de una llave y su cerradura, que encajan

exactamente, por lo que cualquier cambio impediría su acoplamiento. La desventaja de

este modelo se encuentra en la rigidez del sitio catalítico.

• Modelo de "Ajuste Inducido": propuesto por Koshland. La vieja y rígida imagen de la

"llave y la cerradura" para describir la interacción entre el sustrato y el centro activo del

enzima, se sustituye por una más flexible en la que dicha interacción es como la que

tiene lugar entre "una mano y un guante", reflejando así el ajuste mutuo que tiene

lugar entre ambos.

• En el modelo de Fisher se presume que el sitio catalítico está prefigurado para

adaptarse al sustrato; en el modelo de ajuste inducido, el sustrato induce un cambio

conformacional en la enzima. Este último modelo recibe apoyo experimental. Una vez

realizada la fijación del sustrato al enzima, este posee libertad para modificar su forma

y amoldarse al sustrato, de manera que el sitio catalítico quede correctamente situado

para actuar. No existe una adaptación predeterminada, sino una adaptación inducida

por los aminoácidos de fijación del enzima.

3.1 MECANISMO ENZIMÁTICO

• La reacción enzimática se desarrolla a una velocidad directamente proporcional a

la cantidad de sustrato, pero sólo hasta un cierto límite. Si se mantiene constante

la cantidad de enzima y se aumenta progresivamente la concentración de

sustrato, el enzima irá pasando al complejo ES y la velocidad de reacción

aumentará progresivamente hasta que todo el enzima se encuentre en forma de

complejo ES y esté, por tanto, saturado.

• En este momento la velocidad de la reacción será máxima y un

incremento de sustrato no logrará acelerar más la reacción enzimática. En

la práctica, suele manejarse no la velocidad máxima, sino la semimáxima

que es aquella que se da cuando la mitad del enzima presente se halla en

forma de complejo ES y la otra mitad libre.

• La constante de Michaelis-Menten (KM) representa la concentración de

sustrato para la cual la velocidad de la reacción es igual a la mitad de la

velocidad máxima. Una KM alta quiere decir, que para conseguir la velocidad

semimáxima se requiere una elevada concentración de sustrato, lo que prueba

que el enzima no tiene una gran afinidad por el sustrato y actuará sobre otro

sustrato.

4.REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

La velocidad de la reacción enzimática puede verse modificada por diversos

factores:

• Temperatura: A medida que ésta aumenta, también lo hace la actividad

enzimática ya que aumenta la vibración molecular, hasta llegar a un punto

óptimo en que dicha actividad es la máxima. Pero si sigue elevándose la

temperatura, llega un momento en que el enzima se desnaturaliza y cesa su

actividad.

• pH: Cada enzima sólo actúa dentro de unos límites de pH. Entre ellos está el

llamado pH óptimo, en el que la reacción alcanza su máxima eficacia, debido a la

estabilidad en la carga eléctrica de los radicales de los aminoácidos del centro

activo. Sobrepasados los límites de pH, el enzima se desnaturaliza. Ej: pepsina

estomacal, ptialina saliva, tripsina pancreática.

• Concentración de sustrato: Al aumentar, hay más centros activos ocupados y la

velocidad aumenta hasta que no queden centros activos libres, a partir de

entonces un aumento del sustrato no supone aumento de la velocidad de la

reacción.

• Proenzimas: los enzimas son, a veces, sintetizados en una forma inactiva

llamada proenzima o zimógeno. La transformación, en enzima activo se consigue

por la pérdida de algunos aminoácidos de su molécula que hacen variar su

estructura de tal manera que se logra organizar el sitio catalítico. Esta

transformación de proenzima en enzima, es catalizada a su vez por otros

enzimas. Por ejemplo, el enzima tripsina se elabora en el páncreas en forma del

proenzima tripsinógeno, el cual se transforma en tripsina gracias al enzima

enteroquinasa.

• Sustancias inhibidoras: se trata de compuestos que inhiben en menor o mayor

medida, incluso anulan, la actividad de un enzima sin destruirlo. Esto las distingue de

las sustancias inactivadoras. La acción inhibidora puede ser:

• IRREVERSIBLE: cuando el inhibidor, que se llaman en este caso” veneno”, se une

covalentemente a la enzima, alterando su estructura e inutilizándola de forma

permanente. Ej: insecticidas organofosforados, sulfato de Cu,…

• REVERSIBLE: cuando la enzima vuelve a tener actividad una vez

eliminada la sustancia inhibidora. La unión del enzima y el sustrato es

por enlaces no covalentes, más fáciles de romper (puentes de H,

iónicos). Según el lugar de unión a la enzima tenemos tres tipos:

• Inhibición competitiva: se debe a que el inhibidor es una molécula tan parecidaespacialmente al sustrato, que logra unirse al centro activo del enzima, impidiendo que elsustrato ocupe el centro activo. El grado de inhibición depende de la proporción relativaentre inhibidor y sustrato.

• Inhibición no competitiva: el inhibidor no compite con el sustrato, sino que se une en otrazona de la enzima distinta al centro activo. Esta unión modifica la estructura de la enzima ydificulta el acoplamiento del sustrato.

• Inhibición acompetitiva: El inhibidor no se combina con el enzima libre ni afecta a sureacción con el sustrato, sino que, se combina con el complejo E-S para formar un complejoinactivo E-S-I, el cual no experimenta su transformación posterior en el producto habitualde la reacción.

• Alosterismo: es un sistema de regulación enzimática preciso. Las enzimas

alostéricas catalizan reacciones importantes, como el primer paso de una ruta

metabólica formada por varias reacciones consecutivas. También están en puntos

de ramificación de las rutas. Estas enzimas tienen las siguientes características:

• Están formadas por varias subunidades, por lo que tienen estructura cuaternaria.

• Tienen varios centros de regulación, o sea varios sitios para la unión de activadores y

de inhibidores.

• Adoptan dos conformaciones diferentes: el estado R de alta afinidad por el sustrato y

el estado T de baja afinidad.

• Existe un efecto cooperativo entre las subunidades, de modo que la activación o

inhibición de una de ellas, provoca el mismo efecto en las demás. Esto permite una

regulación más rápida.

• Su cinética es diferente a la del resto de enzimas, ya que su velocidad de reacción sigue

una curva sigmoidea y no logarítmica.

4.1 MECANISMOS PARA AUMENTAR LA EFICACIA ENZIMÁTICA

• Compartimentación celular: las enzimas implicadas en procesos importantes

se localizan juntas en orgánulos celulares, donde están en mayor

concentración que si estuvieran dispersas en el citoplasma. Así se asegura el

mantenimiento de ciertas condiciones de pH, iones, … adecuadas para su

actividad.

• Reacciones en cascada: Si el producto de una reacción actúa como enzima de

otra, cuyo producto a su vez, es la enzima de la siguiente, y así sucesivamente,

la eficacia de la actividad es mayor, ya que el número de moléculas obtenidas

aumenta en cada paso de forma considerable. Son típicas de procesos que se

tienen que realizar en un lapso de tiempo muy breve, como la coagulación

sanguínea, para evitar una hemorragia.

• Complejos multienzimáticos: La agrupación de enzimas en un complejo único

permite realizar el proceso con más rapidez, ya que nada más obtener un

producto, este puede actuar como el sustrato de una reacción nueva al estar

en contacto con la enzima correspondiente.

• Isoenzimas: son enzimas con la misma acción, pero con KM diferentes, lo que

hace que su velocidad sea distinta. Se encuentran en orgánulos donde se

precisa cierta velocidad de reacción.

5.CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS ENZIMAS

Los enzimas se clasifican en 6 grupos en función de la acción que realizan. Para

denominar un enzima se utiliza generalmente el nombre del sustrato sobre el que

actúa con la terminación -asa (por ej. sacarasa). Algunos enzimas, sin embargo, siguen

conservando su nombre antiguo, por ej. tripsina. Según el tipo de reacción que

catalizan se clasifican en:

• Oxidorreductasas: regulan reacciones donde se produce una oxidación o una

reducción del sustrato. Son propios de la cadena respiratoria. Dentro de ellas

destacan las deshidrogenasas y las oxidasas.

• Transferasas: transfieren grupos funcionales(radicales) de un sustrato a otro. Ej:

transaminasas, transcarboxilasas, transmetilasas.

• Hidrolasas: Rompen enlaces con la introducción de una molécula de agua. Ej:

carbohidrasas, esterasas, peptidasas, nucleasas.

• Liasas: Catalizan reacciones de adición de moléculas sencillas a dobles enlaces

o de formación de dobles enlaces por eliminación de grupos en el sustrato. Ej:

aminasas, carboxilasas, hidratasas.

• Isomerasas: transforman el sustrato en otra molécula isómera. Ej: fosfoglucosa

isomerasas.

• Ligasas o Sintetasa: Catalizan la unión de dos sustratos (formación de enlaces

C-C, C-N, C-O, C-S) con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato (ATP,

GTP, etc.). Ej:piruvato carboxilasa. Si la energía la obtienen de otra fuente

distinta al ATP se llaman Sintasas.

FIN