1. BIOQUIMICA- 2010- TEORIA
CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS
QFB. Hilda Flores Brito
Las enzimas disminuyen la cantidad de energía (ΔGº) que se requiere para llevar
a cabo una reacción. Esta energía en particular se denomina Energía Libre de Activación
(ΔG°*). Las enzimas requieren condiciones específicas de reacción, aunque acordes con
el funcionamiento celular (temperaturas menores de 100ºC, pH alrededor de 7.0).
Su especificidad puede ser absoluta por un sustrato (la enzima fumarasa, solo
hidrata al isómero trans del ácido fumárico) o relativa (Ejemplos: fosfatasa alcalina,
carboxipeptidasa). La actividad enzimática varía en respuesta a:l a) pH, b) temperatura,
c) tiempo, d) [E] , e) presencia de inhibidores, f) modificaciones covalentes (fosforilasa
cinasa, proteína, etc), g) modulación alostérica, h) nivel de síntesis de enzimas, y) tipo de
enzima.
Las enzimas pueden modificar la estructura química del sustrato mediante diferentes
reacciones químicas que catalicen, sin embargo, hay 6 tipos generales de reacciones:
oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas.
Las enzimas no alteran el equilibrio a la Keq de las reacciones, solo aumentan la
velocidad para que se alcance más rápido.
Pueden ser capaces de intercambiar diferentes formas de energía. Por ejemplo
Energía luminosa en Energía química, la energía del alimento en ATP (energía química).
Las reacciones químicas catalizadas por las enzimas ocurren en el Sitio activo de
la enzima que constituye una pequeña región de la enzima formada por residuos de
aminoácidos provenientes de diferentes sitios de la secuencia lineal de la proteína (ej:
lizozima tiene 129 residuos, en el sitio activo y solo participan los residuos 35, 52, 62, 63.
La unión del sustrato a la enzima ocurre por fuerzas débiles (puente de hidrógeno,
atracciones electrostáticas, interacciones hidrofóbicas, etc.
Algunas enzimas requieren para la catálisis, cofactores, los que pueden ser iones
metálicos iones metálicos (cofactores metálicos) o cofactores orgánicos (grupos
prostéticos ó coenzimas). Cuando el cofactor se une covalentemente al sitio activo
(lipoamida, FAD, fosfato de piridoxal, tetrahidrofolato, etc), el cofactor se llama grupo
prostético, mientras que si se une débilmente (NAD, NADPH, etc.) se llama Coenzima.
Por lo general los cofactores orgánicos contienen una vitamina en su estructura.
Algunos de los iones metálicos que participan en reacciones enzimáticas son: Zn2+, en
anhidrasa carbónica, Mn2+ y Mg2+ en fosfotransferasas, Fe2+, Fe3+ en peroxidasas,
catalasas, citocromos, Cu2+, Cu1+ en tirosinasa, citocromo oxidasa y glutatión
peroxidasa.
El término holoenzima se refiere a la enzima más su cofactor, mientras que el término
apoenzima se refiere a la enzima sin su cofactor.
Al interactuar el sustrato con el sitio activo, se forma un complejo denominado
Complejo Enzima-Sustrato [E-S], tan compacto que en su interior no cabe ni una
molécula de agua. Este complejo en algunos casos ha sido visualizado por sus
propiedades físicas y químicas. El sustrato debe tener una forma tamaño y
características de carga específicas para interactuar en el sitio activo. Tal situación da
lugar a la especificidad de la enzima (Modelos: Ajuste Inducido y Modelo Cerradura-
llave) (Hexocinasa actúa sobre D-Hexosas pero no sobre los isómeros L).
Las enzimas tienen un alto poder catalítico ó número de recambio (kcat) definido
como el número de moléculas de sustrato transformadas por segundo por una sola
molécula de enzima cuando ésta está saturada con sustrato (Tabla 1). La velocidad
máxima de reacción (Vmax) depende de este número de recambio (K2=Kp=Kcat) y de la
concentración total de enzimas (Etotal)
Vmax = Kp[Et]
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2. De la ecuación anterior podemos observar que la Vmax varía directamente con la [Et] y
al hacer el análisis dimensional queda que Kp tiene unidades de s-1, lo que significa
moléculas transformadas por segundo. En la Tabla 1 se muestran algunos valores de
números de recambio de algunas enzimas
Kp = Vmax = mol s-1
[Et ] moles
Tabla 1. Números de Recambio (kcat) de algunas enzimas.
Enzima Número de Recambio (kcat) (s-1)
6
Anhidrasa carbónica 36 x 10
Catalasa 5 x 106
β-amilasa 1.1 x 106
β-Galactosidasa 12 500
Succinato deshidrogenasa 1 150
Fosfoglucomutasa 1 240
Efecto de sustrato: Cinética de Michaelis-Menten.
El efecto catalítico de una enzima siempre está precedido por la formación de un
complejo enzima-sustrato [ES]. Este complejo se ha visualizado en algunos casos por
cristalografía de rayos X (complejo DNA-polimerasa-ácidos nucléicos), en otros por
cambio en las propiedades espectroscópicas. En algunos casos, el complejo ES se ha
podido aislar. Cuando se grafíca la velocidad de reacción (vo) contra concentración de
sustrato [S] se obtiene la siguiente gráfica.
La ecuación asociada con la gráfica anterior (la que se puede obtener
experimentalmente) es la siguiente:
Esta ecuación fue deducida en 1913 por L. Michaelis y su alumna de doctorado Maid
Menten. Siguiendo los lineamientos dados por los autores, de que una reacción
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3. enzimática ocurre a través de la formación de un complejo enzima sustrato, el que al
descomponerse libera al sustrato transformado o producto y a la enzima, la que esta
disponible para otro ciclo catalítico, según la ecuación siguiente:
[E] +[S] [ES] [E] +[P]
obtenida la ecuación matemática (1), donde vo es la velocidad de la reacción medida
(moléculas de sustrato transformado en la unidad de tiempo) y [S] es la concentración
de sustrato. Vmax es la velocidad máxima la que depende de la cantidad de enzima
presente y Km, una constante característica de un par dado enzima-sustrato.
Relacionando la gráfica de Michaelis-Menten con la ecuación, podemos deducir que:
a) si la [S es baja; vo = Vm[S, entonces
Km
La vo varía directamente proporcional con la [S] y según se observa en la gráfica,
cuando la [S] es baja la relación entre vo y [S] es una línea recta y se dice que la reacción
es de primer orden pues solo depende de un factor, la [S].
b) Si [S] es alta, como ocurre en la parte final de la gráfica, la vo no cambia, se vuelve
constante, convirtiéndose en Vmax. La velocidad vo es independiente de la [S]. Se dice
que la reacción es de orden cero, pues no depende de ningún elemento, más que de las
propiedades de la enzima.
c) Si vo = Vmax/2, la ecuación anterior se modifica a: Km= [S]. Esta condición permite
definir a la constante de Michaelis-Menten (Km) como la cantidad de sustrato con la que
se puede alcanzar un ½ de Vmax o dicho en otras palabras, tener a la enzima saturada al
50%.
INHIBICION ENZIMATICA
Un inhibidor (I) es aquel que disminuye la velocidad de reacción. Las enzimas pueden
ser inhibidas por dos tipos de inhibidores: reversibles e irreversibles
INHIBICION IRREVERSIBLE
En este caso el inhibidor se asocia fuertemente a la enzima covalente o no covalente
pudiendo no haber disociación o ser muy lenta
a) El diisopropilfluorofosfato inhibe a la acetilcolinesterasa y a la tripsina,
b) La penicilina es un inhibidor irreversible de la glicopéptido transpeptidasa
c) el inhibidor pancreático de tripsina y la proteína α-1-antitripsina se unen
irreversiblemente a tripsina. La Iodoacetamida modifica también a la proteína (enzima) al
reaccionar con residuos de cisteína.
INHIBICION REVERSIBLE.
Se consideran tipos de inhibidores competitivos y no competitivos
Con cualquiera de los dos tipos de inhibidores reversibles, ocurre una separación
relativamente rápida del inhibidor o una alta disociación del complejo EI.
E+S+I⇄ EI * ES ⇄ E + I + P
INHIBICIÓN REVERSIBLE COMPETITIVA
El I se enlaza a la E pero no se enlaza al sustrato, por lo tanto se forma un complejo EI,
pero no el complejo ES. El I competitivo se semeja estructuralmente al sustrato por lo
tanto compite por el sitio activo. Un I competitivo disminuye la velocidad de reacción al
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4. reducir la proporción de moléculas de enzima que se enlazan al sustrato. El I se combina
libremente con la E libre, el I y el sustrato son mutuamente excluyentes al competir por
el sitio activo. Las ecuaciones de las reacciones que ocurren en presencia de un
inhibidor de tipo competitivo son las siguientes:
a) E + S ⇄ ES ⇄ E+P b) E + I ⇄ EI
La inhibición competitiva disminuye al aumentar la concentración de sustrato, lo que se
refleja en un aumento en la Km. Una inhibición competitiva se detecta gráficamente al
observar un aumento en la pendiente de la línea (gráfica de Linweaver-Burk) y aumento
de la Km (expresada con la cantidad de sustrato necesaria para alcanzar Vmax/2) ya que
cualquier concentración de IY, hay EI, el cual no tiene afinidad para la E.
El I puede ser a) un análogo no metabolizable, b) Un derivado del sustrato verdadero, c)
Sustrato alternativo de I.E y d) El producto de la reacción.
Ejemplos de I competitivo:
A) Sulfanilamida compite con PABA
b) Malónico compite con Succínico
La gráfica de Lineweaver-Burk de reacciones enzimáticas con y sin inhibidor competitivo
(I), quedan :
INHIBICION NO COMPETITIVA
En este caso, el I no tiene semejanza estructural con el sustrato, son diferentes. El Y
ejerce su efecto al unirse a la enzima en algún sitio de su estructura terciaria, diferente
al sitio activo, distorsionando la del sitio activo. Así como el I se une al complejo ES y a
la E libre, el efecto neto del I no competitivo, es hacer que exista menos enzima libre con
lo que baja Vmax (Vmax = K3[Et).
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