BIBLIOGRAFIA

>>PRINCIPIOS DE BIOQUIMICA (QUINTA EDICION),DAVID LENHENIGER NELSON, MICHAEL M. COX.,EDICIONES OMEGA, S.A. PLATON, 26. BARCELONA, 2009.

>>PRINCIPIOS DE BIOQUIMICA (CUARTA EDICION),H. ROBERT HORTON, LAURANCE A. MORAN, MARC D. PERRY, K. GRAY SCRIMGEOUR, J. DAVID RAWN.,PERSON EDUCACION DE MEXICO, S.A. DE C.V. ATLACOMULGO, 2008.

ENZIMAS REGULADORES

En el metabolismo celular hay un grupo de enzimas que funcionan conjuntamente en rutas secuenciales para llevar a cabo un proceso metabólico determinado, tal como la conversión en varias reacciones, de la glucosa en lactato o la síntesis a través de diversas reacciones de un aminoácido a partir de precursores sencillos. En  tales sistemas, enzimáticos, el producto de la reacción del primer enzima se convierte en el sustrato del siguiente.

La mayor parte de los enzimas de cada ruta metabólica sigue los comportamientos cinéticos ya descritos. Sin embargo, en cada ruta hay uno o más enzimas que tienen un mayor efecto sobre la velocidad global de la secuencia de reacciones. Estos enzimas reguladores muestran una actividad catalítica mayor o menor en respuesta a ciertas señales. Los ajustes en la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas reguladores y por tanto, en la velocidad de la secuencia entera de reacciones, permite que la célula se adapte a las necesidades cambiantes de energía y biomolecular requeridas para su crecimiento y la reparación de sus componentes.

En la mayoría de sistemas multienzimaticos, el primer enzima de la secuencia es un enzima regulador. Este es un lugar excelente para regular una ruta metabólica, puesto que la catálisis de tan solo las primeras reacciones de una ruta que conduce a un producto innecesario despilfarra energía y metabolitos requeridos en procesos más importantes. Otros enzimas de la secuencia pueden tener papeles más útiles en la regulación de flujo a través de la ruta, la actividad de los enzimas reguladores se modula mediante diversos caminos. Los enzimas alostericosfuncionan a través de la unión reversible, no covalente, de compuestos reguladores denominados moduladores alostericos o efectores alostericos, los cuales son generalmente metabolitos pequeños o cofactores. Otros enzimas están regulados por modificación covalente reversible. Ambas clases de enzimas reguladores tienden a tener varias subunidades y en algunos casos, el sitio o sitios reguladores y el sitio activo se encuentran en subunidades separadas. En los sistemas metabólicos existen al menos otros dos mecanismos mediante los que se regula la actividad de los enzimas. Algunos enzimas son estimulados o inhibidos por proteínas de control a los que se fijan. Otros se activan cuando se eliminan segmentos peptídicos mediante escisión proteolítica la cual, a diferencia de la regulación mediada por efectos, es irreversible. En procesos fisiológicos tales como la digestión, la coagulación en la sangre, la acción hormonal y la visión se encuentran ejemplos importantes de estos dos tipos de mecanismos.

CARACTERÍSTICAS DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA

Las características más sobresaliente de los enzimas es su elevada especificidad, esta es doble y explica que no se formen subproductos:

·         Especificidad del sustrato. El sustrato (s) es la molécula sobre la que el enzima ejerce su acción catalítica

·         Especificidad de acción. Cada reacción esta catalizada por enzimas específicas.

La acción enzimática se caracteriza por la formación de un complejo que representa el estado de transición.

El sustrato se une a una enzima a través de numerosas interacciones débiles como son: puentes de hidrogeno, electroestática, hidrófobas, etc., en un lugar específico al centro activo. Este centro es una pequeña porción del enzima, constituido por una serie de aminoácidos que interaccionan con el sustrato.

GRUPOS CATALITICOS ESPECIFICOS CONTRIBUYEN A LA CATALISIS

En la mayoría de enzimas, la energía de fijación utilizada para formar el complejo es solo una de las diversas contribuciones al mecanismo catalítico general. Una vez unido el sustrato al enzima, grupos funcionales catalíticos situados adecuadamente colaboran en la rotura o formación de enlaces mediante diversos mecanismos entre los que se encuentran la catálisis ácido-base general, la catálisis covalente y la catálisis por iones metálicos. Estos mecanismos son diferentes basados en la energía de fijación porque generalmente suponen una interacción covalente transitoria con un sustrato, o la transferencia de grupos desde o hacia un sustrato.

CATÁLISIS ÁCIDO-BASE GENERAL.

 Muchas reacciones bioquímicas suponen la formación de intermedios cargados inestables que tienden a descomponerse rápidamente en sus especies reactivas contribuyentes, impidiendo así la reacción. Los intermedios cargados se pueden estabilizar a menudo transfiriendo protones a o de desde el sustrato o intermedio para formar una especie que se descompone más fácilmente en productos. En las reacciones no enzimáticas, las transferencias de protones pueden utilizar solo los contribuyentes del agua u otros dadores aceptores débiles de protones. La catálisis que solo utiliza los iones H+ (H3O+) u OH- presentes en el agua se denominan catálisis acida o base especifica. Si la transferencia de protones entre el intermedio y el agua es más rápida que la descomposición del intermedio en reactivos, el intermedio se establecerá de manera efectiva cada vez que se forma. En este caso no se producirá catálisis adicional facilitada por otros aceptores o dadores de protones. No obstante, en muchos casos el agua no es suficiente.  El termino catálisis ácido-base general  se refiere a transferencias de protones facilitadas por otras clases de moléculas. En reacciones no enzimáticas en disolución acuosa, esto se observa solamente cuando la velocidad de descomposición del intermedio inestable en reactivos es mayor que la velocidad de trasferencia de protones a o desde el agua. Muchos ácidos orgánicos débiles pueden suplementar al agua como dadores de protones en esta situación, del mismo modo que bases orgánicas débiles pueden servir como aceptores de protones. Varias cadenas laterales de aminoácidos pueden actuar de modo similar como dadores y aceptores de protones, en el sitio activo de una enzima. Estos grupos se pueden posicionar de forma precisa en el sitio activo de un enzima para permitir la transferencia de protones, generando incrementos de velocidad del orden de 102 a 105 . Este tipo de catálisis tiene lugar en la gran mayoría de los enzimas. De hecho, las transferencias de protones son las reacciones bioquímicas más habituales.

CATÁLISIS COVALENTE.

 La catálisis covalente implica la formación de un enlace covalente transitorio entre el enzima y el sustrato. Consideramos la hidrólisis de un enlace entre los grupos A y B:

                                                

                                                    H2O

                                                   A─B     →     A + B

En presencia de un catalizador covalente (un enzima con un grupo nucleofilico X:) la reacción se transforma en 

                                                      

                                                       H2O

                            

                                   A─B + X:     →    A─X + B    →   A + X: + B

Esto altera la ruta de la reacción y solo produce catálisis si la nueva ruta de la reacción y solo produce catálisis si la nueva ruta tiene una energía de activación inferior que la ruta no catalizada. Los dos nuevos pasos han de ser más rápidos que la reacción no catalizada. Diversas cadenas laterales de aminoácidos. Estos complejos  covalentes siempre experimentan una reacción adicional con el fin de regenerar el enzima libre. El enlace covalente formado entre el enzima y el sustrato puede activar un sustrato para una nueva reacción de una forma que es normalmente específica para el grupo o coenzima implicado.

CATÁLISIS POR IONES METÁLICOS.

 Los metales, tanto si están fuertemente unidos al enzima o son captados de la solución junto con el sustrato, puede participar en diferentes maneras en la catálisis. Interacciones iónicas entre un metal fijado en el enzima y el sustrato ayudar a orientar  a un sustrato para que reaccione o estabilizar estados de transición de la reacción que estén cargados. Esta utilización de interacciones de fijación débiles entre el metal y el sustrato es similar a algunos de los usos de la energía de fijación de enzima-sustrato descrita anteriormente.

Los materiales también pueden facilitar reacciones de oxidación-reducción mediante cambios reversibles en el estado de oxidación del ion metálico. Casi una tercera parte de los enzimas conocidos requiere uno o más iones metálicos para su actividad catalítica

LOS ENZIMAS INHIBICIÒN SOMETIDA

Los inhibidores enzimáticos son agentes moleculares que interfieren en la catálisis, haciendo más lentas o deteniendo las reacciones. Los enzimas catalizan, prácticamente todos los procesos celulares por lo que no es sorprendente que los inhibidores enzimáticos se encuentren entre los agentes farmacéuticos más importantes.

Por ejemplo, la aspirina (acetil salicilato) inhibe el enzima que cataliza el primer paso de  la síntesis de prostaglandinas, compuestos que intervienen en muchos procesos,  algunos de los cueles producen dolor. El estudio de los inhibidores enzimáticos también ha proporcionado información valiosa sobre los mecanismos enzimáticos y ha ayudado a definir algunas rutas metabólicas. Hay dos amplias clases de inhibidores enzimáticos: reversibles e irreversibles. 

PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS

Se ha tenido la ocasión de comprobar de qué manera las formas tridimensionales de las proteínas les permitan desempeñar papeles estructurales y de transporte. A hora se describirá sus funciones como enzimas. Las enzimas son catalizadores biológicos selectivos de una eficiencia extraordinaria. Toda célula viva dispone de ciento de enzimas distintas que catalizan las reacciones esenciales para la vida. Aun los organismos vivos más simples contienen múltiples copias de cientos de enzimas diferentes. En los organismos multicelulares, el complemento de las enzimas varía de un tipo celular a otro.

Estas enzimas catalizan las reacciones de las rutas metabólicas centrales, necesarias para mantener la vida.

La mayor parte de las reacciones catalizadas por enzimas no procederían a velocidades apreciables bajo condiciones, fisiológicas en ausencia de las enzimas. El papel principal de las enzimas es aumentar las velocidades de tales reacciones. En forma típica, las reacciones catalizadas por las enzimas son de 103 a 1020 veces más rápidas que las mismas sin catalizar.

Un catalizador es una sustancia que acelera a un con la llegada a un equilibrio. Un catalizador puede cambiar en forma temporal durante la reacción, pero no cambia en el proceso general, porque se recicla para participa en varias reacciones. Los reactivos se unen a un catalizador y los productos se disocian de él. Un catalizador no cambia la posición del equilibrio de la reacción (es decir, no hace que una reacción no favorable). Más bien reduce la cantidad de energía necesaria para que se efectué la reacción.

Los catalizadores aceleran las reacciones tanto hacia adelante como hacia atrás al convertir un proceso de uno a dos pasos en varios pasos menores, cada uno con menor necesidad de energía que la reacción no catalizada. Las enzimas son muy específicas para los reactivos o sustratos sobre los que actúan, y varían el grado de especificad hacia el sustrato. Algunas enzimas actúan sobre un grupo de sustratos relacionados y otros sobre un simple compuesto. Muchas enzimas posen estereoespecifidad ya que solo actúan sobre un estereoisomero del sustrato. Quizás el aspecto más importante de la especificidad de una enzima es la especificidad de reacción, esto es, la falta de formación de subproducto como desperdicio. La especificidad de reacción se refleja en la pureza excepcional del producto (100% en esencia) mucha mayor que la pureza de productos de reacciones típicas catalizadas en química orgánica. Las enzimas pueden hacer más que solo aumentar la velocidad de una sola reacción muy específica. Algunos también pueden cambiar, o acoplar, dos reacciones  que normalmente seria separadas. Esta propiedad permite que la energía ganada de una reacción se use en una segunda reacción. Las reacciones acopladas son una propiedad común de muchas enzimas; por ejemplo, la hidrólisis del ATP se acopla en frecuencia de reacciones metabólicas menos favorables.

LAS SEIS CLASES DE ENZIMAS

Los nombres en la mayor parte de las enzimas metabólicas se forman agregando el sufijo---asa al nombre de sustratos, o a un término descriptivo de la reacción que catalizan. Por ejemplo, la ureasa tiene a la urea como sustrato. La alcohol deshidrogenasa cataliza la remoción de hidrogeno de los alcoholes (es decir, la oxidación de alcoholes).

Unas pocas enzimas, como la tripsina y la amilasa, se conocen por sus nombres históricos. Muchas enzimas recién descubiertas recién su nombre de acuerdo con sus genes o de algunas características no descriptivas. Por ejemplo, el nombre de Rec A se debe al gen recA y el de HSP70 es de una proteína de choque producida por calor; ambas enzimas catalizan la hidrolisis del ATP.

Un comité de la unión internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB, de International Unión of Biochemistry and Molecular Bilogy) mantiene un esquema de clasificación que asigna categorías a las enzimas de acuerdo con las clase general de reacción química orgánica que se cataliza. Las seis categorías son: oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas, y ligasas.

N de clase	Nombre de la clase	Tipo de reacción catalizada
1	Oxidorreductasa	Transferencia de electrones
2	Transferasa	Transferencia de grupos
3	Hidrolasas	Reacción con hidrolisis
4	Liasas	Dobles enlaces, eliminación de grupos
5	Isomerasa	Grupos de moléculas en formas isoméricas
6	Ligasas	Formación de enlaces-c mediante reacciones de condensación

tabla de clasificación de las enzimas

1.       Las oxidorreductasas catalizan las reacciones de oxidación-reducción. La mayor parte de esas enzimas se llaman, en general, deshidrogenasas. También hay otras enzimas en esta clase que se llaman oxidasas, per oxidasas, oxigenasas o reductasas. En bioquímica hay cada vez más la tendencia a citar esas enzimas por su nombre formal,  oxidorreductasas, y no por los nombres más comunes en las publicaciones no muy recientes de bioquímica. Un ejemplo de una oxidorreductasa es la lactato deshodrogenasa, llamada también lactato: NDA oxidorreductasa. Esta enzima cataliza la conversión reversible de L-lactato en piruvato. La oxidación de L-lactato se acopla a la reducción de la coenzima nicotinamida adenina di nucleótido (NAD⁺).

2.       Las transferasas catalizan las reacciones de transferencia de un grupo y pueden necesitar la presencia de coenzima. En las reacciones de transferencia de grupo, una parte de la molécula del sustrato se suele enlazar en forma covalente con la enzima o con su coenzima. Este grupo incluye la cinasas, enzimas que catalizan la transferencia de un grupo fosforillo de ATP. La alanina transaminasa, cuyo nombre sistemático es L-alanina:2-oxiglutarato aminotransferasa.

3.       Las hidrolasas catalizan hidrolisis. Son una clase especial de transfer asa donde el agua sirve como aceptor del grupo transferido. La pirofosfatasa es un ejemplo sencillo de una hidrolasa. En el nombre sistemático de esta enzima es disfosfato fosfohidrolasa.

4.       La liasa catalizan la lisis de un sustrato, al generar un enlace doble; son reacciones de eliminación, no hidrolíticas y no oxidantes. En dirección inversa, las liasas catalizan la adición de un sustrato a un doble enlace de un segundo sustrato. Una liasa que cataliza una reacción de adición en las células es frecuentemente llamada sintasa. La piruvato descarboxilasa pertenece a esta clase de enzimas ya que descompone el piruvato en acetaldehído y dióxido de carbono. El nombre sistemático de la piruvato descarboxilasa, 2-oxo-ácido carboxi-liasa casi nunca se emplea.

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5.       Las isomerasas catalizan cambios estructurales dentro de una misma molécula (reacción de isomerización). Como estas reacciones solo tienen un sustrato y un producto son de las reacciones enzimáticas más simples. Las alanina recemasa es una isomerasa que cataliza la interconversion de L-alanina y D-alanina. El nombre común es igual al nombre sistemático.

6.       Las ligasas catalizan la ligadura o unión de dos sustratos. Estas reacciones necesitan un suministro de energía potencial química de un nucleósido trifosfato, como el ATP. Las ligasas son usualmente llamadas sintetasas. La glutamina sintetasa, o L-glutamato:amoniaco ligasa (formadora de ADP) usa la energía de la hidrolisis del ATP para unir glutamato y amoniaco para producir glutamina.

¿ QUE SON LAS ENZIMAS ?

Las enzimas son proteínas catalizadoras  presentes en las células que tienen como función acelerar la velocidad de una reacción química, es decir, las facilitan al disminuir la energía. las enzimas ocurren a pocas temperaturas y sin recurrir a condiciones químicas extremas. 

Las enzimas son unas proteínas que están involucradas en todas las reacciones metabólicas, tanto catalizándolas como acelerándolas, estas reacciones son desde la digestión de nutrientes como en la formación de otras moléculas.(Lehninger 4ta edición)

Esta capacidad es muy importante para mantener la vida, ya que debido a la complejidad de las moléculas orgánicas, su degradación sin la presencia de enzimas seria demasiado lenta. Las enzimas tienen un centro activo donde se aloja la sustancia que se alterara, esta sustancia sobre la cual reaccionara la enzima es llamada sustrato, si la reacción es anabólica, serán dos sustratos los que entran; mientras que si es catabólica, es uno solo. cuando se une a un sustrato se forma un complejo llamado enzima-sustrato.

Enzima	Sustrato
-catalasa	H2O2
Fumarasa	Fumarato
Carbonico anhidrasa	HCO3
Lactamasa	Bencilpenicilina
Acetilcolinesterasa	Acetilcolina
Crotonasa	Crotonil CAo

figura 1.-enzima con su respectivo sustrato

Las enzimas actúan facilitando la acción y no se ven afectadas,por lo tanto al final de la reacción estas quedan igual que al comienzo.

Con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de RNA catalítico, todos los enzimas son proteínas. Su actividad catalítica depende de la integridad de su confirmación proteica nativa. Si se desnaturaliza o se disocia un enzima en sus subunidades, se pierde normalmente la actividad catalítica. Si se descompone un enzima en sus aminoácidos constituyentes, siempre se destruye su actividad catalítica. Así, las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas enzimáticas son esenciales para su actividad catalítica.

Los enzimas, al igual que otras proteínas, tienen masas moleculares relativas que van desde unos 12.000 hasta más de un millón. Algunos enzimas no requieren para su actividad más grupos químicos que sus residuos aminoácidos. Otros requieren un componente químico adicional llamado cofactor. El cofactor puede ser uno o varios iones inorgánicos tales como Fe2+, Mg2+, Mn2+ o Zn2+ o un complejo orgánico o molécula metalo-orgánica denominadocoenzima. Algunos enzimas requieren tanto un coenzima como uno o más iones metálicos para su actividad. Un coenzima o ion metálico unido muy frecuentemente o incluso covalentemente a la proteína enzimática se denomina grupo prostético. Un enzima completo catalíticamente activo junto con su enzima y/o iones metálicos se denomina holoenzima. La parte proteica de tal enzima se denomina apoenzima o apoproteína. Los coenzimas actúan como transportadores transitorios de grupos funcionales específicos. Muchas vitaminas que son nutrientes orgánicos requeridos en pequeñas cantidades de la dieta son precursores de coenzimas.

Finalmente, algunas proteínas enzimáticas son modificadas covalentemente por fosforilación, glucolisación y otros procesos. Gran parte de estas alteraciones intervienen en la regulación de la actividad enzimática.

Figura 2.- Reacción de un Enzima

I N T R O D U C C I O N

Gran parte de la  historia de la bioquímica  es la historia de la investigación  enzimática. Los catalizadores biológicos se reconocieron como tales y fueron descritos por primera vez a finales del siglo XVII, en estudios sobre  la digestión de la carne por secreciones del estómago; la investigación continua durante el siglo XIX con el examen de la conversión del almidón en azúcar  por la saliva y diversos extractos vegetales.

El descubrimiento que realizo Eduardo BUCHNER  en 1897  de que los extractos de levadura pueden fermentar el azúcar a alcohol demostró que la fermentación era debido a las moléculas que continúan funcionando cuando se separan de las células. Frederick W. Kuhn denomino  estas moléculas las enzimas. Al tiempo que se rechazaban las nociones vitalistas de la vida, el aislamiento de nuevos enzimas ya investigación de sus propiedades permitió el avance de la Ing. Bioquímica.

El aislamiento y cristalizaciones la ureasa por James Sumner en 1926 proporciono un gran impulso los primeros estudios sobre las propiedades d ellas enzimas. Sumner encontró que los cristales de ureasa estaban constituidos exclusivamente por proteínas y postulo que todos los enzimas eran proteínas. A falta de otros ejemplos esta idea fue motivo de controversia durante algún tiempo. La conclusión de Sumner solo se aceptó ampliamente cuando más tarde, en la década de 1930, John Northrop y  Moses Kunitz cristalizaron la pepsina, la tripsina y otros enzimas digestivos y descubrieron que también eran proteínas.

Existen dos condiciones fundamentales para la vida en primer lugar, la entidad viva a de poder auto-replicarse; en segundo lugar a de poder catalizar reacciones químicas y eficiente selectiva-mente. La importancia central de la catálisis puede sorprender pero es fácil de mostrarlo. 

En este capítulo, pues, nuestra atención hacia los catalizadores de las reacciones en los sistemas biológicos enzimas, las proteínas más notables y de mayor especialización. Los enzimas tienen un gran poder catalítico, a menudo muy superior al de los catalizadores sintéticos o inorgánicos. Poseen un elevado grado de especificidad respecto a los sustratos, aceleran espectacularmente las reacciones químicas específicas y funcionan de soluciones acuosas en condiciones muy suaves de temperatura y PH. Hay pocos catalizadores no biológicos que tengan todas estas propiedades.

Las enzimas están en el centro de todos los procesos bioquímicos. Actuando en secuencias organizadas catalizan cientos de reacciones consecutivas en las que se degradan nutrientes, se conserva y transforma la energía química y se fabrican las macromoléculas bilógicas a partir de precursores sencillos.

El estudio de los enzimas  también tiene importancia práctica inmensa. En algunas enfermedades, especialmente en las que son heredables genéticamente, puede haber una carencia, o incluso una ausencia total, de uno mas enzimas.