Fisiología Vegetal - Enzimas

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UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA
FACULTAD DE AGRONOMIA
ENZIMAS VEGETALES
FISIOLOGIA VEGETAL
ING. JAIME CHAVEZ MATIAS
METABOLISMO:
Conjunto de procesos químicos que se producen en la célula,
CATALIZADOS por ENZIMAS y que tienen como objetivo la
obtención de materiales y energía para sustentar las diferentes
funciones vitales.
VIAS DEL METABOLISMO
El metabolismo va poder descomponerse en dos series de reacciones:
ANABOLISMO. Tiene como finalidad la obtención de sustancias orgánicas
complejas a partir de sustancias más simples con un consumo de energía.
CATABOLISMO. Conjunto de procesos por los que las moléculas complejas
son degradadas a moléculas más simples. Se trata de procesos
destructivos generadores de energía.
Ejemplo: Glucólisis, respiración celular, fermentación.

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CICLO DE CALVIN
C3
Fosfoglicero
cinasa
Fosfoto de triosa
isomerasa
3-fosfogliceraldehido
deshidrogenasa
Aldolasa
Fructosa
fosfatasa
Trancetolasa
Aldolasa
7-fosfato de
sedoheptulosa
Trancetolasa
Epimerasa
Isomerasa
5- fosfato de
ribulosa cinasa

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Concepto de enzima:
Las enzimas son generalmente, proteínas o asociaciones de
proteínas y otras moléculas orgánicas o inorgánicas que actúan
catalizando los procesos químico que se dan en los seres vivos.
¿ Que es catalizador?
- Acelera las reacciones
- disminuir la energía de actividad necesaria.
Las enzimas no modifican la constante de equilibrio y se recuperan
intactas al final del proceso. Debido a esto se necesitan en
pequeñísimas cantidades.
Una enzima completa se denomina holoenzima, y esta
formada por una parte proteica (apoenzima) y un cofactor
no proteico (coenzima), que es orgánico:
HOLOENZIMA = APOENZIMA + COENZIMA.
Entre los cofactores (iones o moléculas inorgánicas) que
requieren las enzimas para su funcionamiento, también a
veces son coenzimas: NADPH+H (nicotinamida adenina
dinucleotido fosfato reducido), NAD+ (nicotinamida
adenina dinucletido), FAD+ (flavina adenina dinucletido),
piridoxal, biotina, tiamina, ácido tetrahidrofolico,
cobalamina de los minerales para el buen funcionamiento
y crecimiento de las plantas.

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Cofactores
Algunas enzimas no precisan ningún componente adicional para mostrar una total actividad. Sin embargo, otras enzimas requieren la unión
de moléculas no proteicas denominadas cofactores para poder ejercer su actividad.[45] Los cofactores pueden ser compuestos inorgánicos,
como los iones metálicos y los complejos ferrosulfurosos, o compuestos orgánicos, como la flavina o el grupo hemo. Los cofactores
orgánicos pueden ser a su vez grupos prostéticos, que se unen fuertemente a la enzima, o coenzimas, que son liberados del sitio activo de
la enzima durante la reacción. Las coenzimas incluyen compuestos como el NADH, el NADPH y el adenosín trifosfato. Estas moléculas
transfieren grupos funcionales entre enzimas.[46]
Un ejemplo de una enzima que contiene un cofactor es la anhidrasa carbónica, en la cual el zinc (cofactor) se mantiene unido al sitio activo,
tal y como se muestra en la figura anterior (situada al inicio de la sección "Estructuras y mecanismos").[47] Estas moléculas suelen
encontrarse unidas al sitio activo y están implicadas en la catálisis. Por ejemplo, la flavina y el grupo hemo suelen estar implicados en
reacciones redox.
Las enzimas que requieren un cofactor pero no lo tienen unido son denominadas apoenzimas o apoproteínas. Una apoenzima junto con
cofactor(es) es denominada holoenzima (que es la forma activa). La mayoría de los cofactores no se unen covalentemente a sus enzimas,
pero sí lo hacen fuertemente. Sin embargo, los grupos prostéticos pueden estar covalentemente unidos, como en el caso de la tiamina
pirofosfato en la enzima piruvato deshidrogenasa. El término "holoenzima" también puede ser aplicado a aquellas enzimas que contienen
múltiples subunidades, como en el caso de la ADN polimerasa, donde la holoenzima es el complejo con todas las subunidades necesarias
para llevar a cabo la actividad enzimática.
Coenzimas
Modelo tridimensional de esferas de la coenzima NADH.
Las coenzimas son pequeñas moléculas orgánicas que transportan grupos químicos de una enzima a otra.[48] Algunos de estos
compuestos, como la riboflavina, la tiamina y el ácido fólico son vitaminas (las cuales no pueden ser sintetizados en cantidad suficiente por
el cuerpo humano y deben ser incorporados en la dieta). Los grupos químicos intercambiados incluyen el ion hidruro (H-) transportado por
NAD o NADP+, el grupo fosfato transportado por el ATP, el grupo acetilo transportado por la coenzima A, los grupos formil, metenil o metil
transportados por el ácido fólico y el grupo metil transportado por la S-Adenosil metionina.
Debido a que las coenzimas sufren una modificación química como consecuencia de la actividad enzimática, es útil considerar a las
coenzimas como una clase especial de sustratos, o como segundos sustratos, que son comunes a muchas enzimas diferentes. Por
ejemplo, se conocen alrededor de 700 enzimas que utilizan la coenzima NADH.[49]
Las coenzimas suelen estar continuamente regenerándose y sus concentraciones suelen mantenerse a unos niveles fijos en el interior de la
célula: por ejemplo, el NADPH es regenerado a través de la ruta de las pentosas fosfato y la S-Adenosil metionina por medio de la
metionina adenosiltransferasa. Esta regeneración continua significa que incluso pequeñas cantidades de coenzimas son utilizadas
intensivamente. Por ejemplo, el cuerpo humano gasta su propio peso en ATP cada día.
NATURALEZA DE LAS ENZIMAS
Existen numerosas razones para afirmar que las enzimas son
proteínas. Las más importantes son las siguientes:
• El análisis de las enzimas obtenidas en forma más pura,
cristalizada, demuestra que son proteínas.
• Las enzimas son inactivadas o destruidas en altas temperaturas y,
en general, la cinética de la desnaturalización térmica de las
enzimas da resultados muy parecidos a los de la desnaturalización
térmica de las proteínas (Q10).
• Las enzimas son activadas en unas zona muy restringida de pH, y
presenta un punto óptimo de pH donde su actividad es mayor.

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• Las proteínas en su punto isoeléctrico, muestran
propiedades parecidas desde el punto de vista de
viscosidad, solubilidad, difusión, etc., que resulta del
todo similares a las propiedades de este tipo que
muestran las enzimas.
• Todos los agentes que desnaturalizan a las proteínas
también destruyen o inactivan a las enzimas, ya sea el
calor, los ácidos fuertes, o los metales pesados que
pueden combinarse con ellas.
• Los problemas de solubilidad y de precipitación son
comunes a las proteínas y las enzimas; en general, son
solubles en agua o soluciones salinas, insolubles en
alcohol, precipitan con determinadas concentraciones
de sales neutras, etc.
CARACTERISTICAS DE LAS ENZIMAS
Desde el punto de vista químico, las enzimas están formadas de
carbono (C), Hidrógeno (H), oxígeno (O), Nitrógeno (N), y Azufre (S)
combinados, pero siempre con alto peso molecular y con
propiedades catalíticas especificas.
Su importancia es tal que puede considerarse la vida como un
"orden sistemático de enzimas funcionales". Cuando este orden y su
sistemas funcional son alterados de algún modo, cada organismo
sufre mas o menos gravemente y el trastorno puede ser motivado
tanto por la falta de acción como por un exceso de actividad de
enzima.
Las enzimas se nombran añadiendo
la terminación asa

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Elemento Enzimas Activada
Zn++ Deshidrogenasas, anhidrasa carbonica, ARN y ADN polimerasas.
Mg++ Fosfohidrolasas, RUBISCO, fosfotransferasas, fosfatasas.
Mn++ Arginasas, peptidasas, quinasas.
Mo Nitratoreductasa, nitrogenasa.
Fe2+ , Fe3+ Citocromos, catalasas, ferredoxina, peroxidasas, nitritoreductasa.
Cu2+ Citocromo oxidasa, tirosinasa, ácido ascórbico oxidasa, plastocianina.
Ca2+ 1,3 b glucan sintetasa, calmodulina.
K+ Piruvato fosfoquinasa, ATPasa.
Co Vitamina B12 hallada en microorganismos y animales, pero no en plantas.
Importante en la fijación simbiótica de nitrógeno.
Ni 2+ Ureasa.
ACTICADORES ENZIMATICOS METÁLICOS
NOMENCLATURA
• Aunque el sufijo –asa continua en uso;
actualmente, al nombrar a las enzimas, se
enfatiza el tipo de reacción catalizada. Por
ejemplo: las hidrogenasas catalizan la
eliminación de hidrogeno y las transferasas,
reacciones de transferencia de grupo.

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CLASIFICACIÓN
GRUPO ACCION EJEMPLOS
1.
Oxidoreductasas
Catalizan reacciones de
oxidorreducción. Tras la acción catálica
quedan modificados en su grado de
oxidación por lo que debe ser
transformados antes de volver a actuar
de nuevo.
Dehidrogenasas
Aminooxidasa
Deaminasas
Catalasas
2. Transferasas
Transfieren grupos activos (obtenidos de
la ruptura de ciertas moléculas)a otras
sustancias receptoras. Suelen actuar en
procesos de interconversiones de
azucares, de aminoácidos, etc
Transaldolasas
Transcetolasas
Transaminasas
3. Hidrolasas Verifican reacciones de hidrólisis con la
consiguiente obtención de monómeros a
partir de polímeros. Suele ser de tipo
digestivo.
Glucosidasas
Lipasas
Peptidasas
Esterasas
Fosfatasas
CLASIFICACIÓN
GRUPO ACCION EJEMPLOS
4.
Isomerasas
Actúan sobre determinadas
moléculas obteniendo de ellas sus
isómeros de función o de posición.
Suelen actuar en procesos de
interconversion
Isomerasas de
azúcar
Epimerasas
Mutasas
5. Liasas Realizan la degradación o síntesis
(entonces se llaman sintetasas) de
los enlaces denominados fuertes
sin ir acoplados a sustancias de
alto valor energético.
Aldolasas
Decarboxilasas
6. Ligasas Realizan la degradación o síntesis
de los enlaces fuertes mediante el
acoplamiento a sustancias ricas en
energía como los nucleosidos del
ATP
Carboxilasas
Peptidosintetasa
s

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1. Oxido-reductasas
( Reacciones de oxido-
reducción).
Si una molécula se reduce, tiene que haber otra que se oxide
2. Transferasas
(Transferencia de grupos
funcionales)
 grupos aldehidos
 gupos acilos
 grupos glucosilos
 grupos fosfatos (kinasas)
3. Hidrolasas
(Reacciones de hidrólisis)
Transforman polímeros en monómeros.
Actuan sobre:
 enlace ister
 enlace glucosídico
 enlace peptídico
 enlace C-N
RH2 + A  R + AH2
RO + ½ O2  RO2
R2+  R3+ + e-
Pérdida de H
Adición de O
Pérdida de electrón
RCO – OR´ ↔ RCOOH + R´OH
ó A – B + H2O ↔ A-OH + BH
H2O
Hidrolasa
Dehidrogenasas
Aminooxidasa
Deaminasas
Catalasas
Transaldolasas
Transcetolasas
Transaminasas
Glucosidasas Lipasas
Peptidasas Esterasas
Fosfatasas
4. Liasas
(Adición a los dobles
enlaces)
 Entre C y C
 Entre C y O
 Entre C y N
5. Isomerasas
(Reacciones de
isomerización)
Actúan en procesos
Interconversión.
Isomerasas y epimerasas
6. Ligasas
(Formacion de enlaces, con
aporte de ATP)
 Entre C y O
 Entre C y S
 Entre C y N
 Entre C y C
Azúcar ALDOSA ↔ Azúcar CETOSA
Isomerasas de azúcar
Epimerasas
Mutasas
Aldolasas
Decarboxilasas
Carboxilasas
Peptidosintetasas

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CATALISIS MOLECULAR
• Un catalizador modifica la velocidad de una
reacción química sin ser utilizado o aparecer
como uno de los productos de la reacción.
Una reacción química en la que un substrato
(S) se transforma en un producto (P):
S P,
Enzima inactiva
sustrato
Enzima
productos
Coenzima
Centro activo
Mecanismo de actuación enzimática:
1) Se forma un complejo: enzima-substrato o
substratos.
2) Se une la coenzima a este complejo.
3) Los restos de los aminoácidos que configuran
el centro activo catalizan el proceso. Para
ello debilitan los enlaces necesarios para que
la reacción química se lleve a cabo a baja
temperatura y no se necesite una elevada
energía de activación.
4) Los productos de la reacción se separan del
centro activo y la enzima se recupera intacta
para nuevas catálisis.
5) Las coenzimas colaboran en el proceso; bien
aportando energía (ATP), electrones
(NADH/NADPH) o en otras funciones
relacionadas con la catálisis enzimática

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Modelo comparativo de la disminución de la energía de activación por la
acción de la enzima.
Enzima
Substrato
Producto
1) La reacción no se
produce pues hace
falta una energía de
activación para que
transcurra
espontáneamente.
2) La enzima disminuye
o elimina la energía de
activación necesaria y
la reacción transcurre
espontáneamente.
• La energía de activación es la cantidad de
energía expresada en calorías, necesaria para
que todas las moléculas de un mol, a una
temperatura dada alcancen el estado
reactivo. Mientras que, el estado de
transición es el estado rico en energía de las
moléculas que interaccionan en la cima de la
barrera de activación. La velocidad de una
reacción química es proporcional a la
concentración del complejo en el estado de
transición.

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• Una reacción química se puede acelerar de la
siguiente forma:
1) Al aumentar la temperatura se incrementa la
energía cinética, por lo que es mayor el número
de moléculas que alcanzan el estado de
transición. Generalmente el Q10 = 2, lo que
indica que la velocidad de una reacción química
se duplica al aumentar la temperatura en 100C.
2) Añadiendo un catalizador, que disminuye la
energía de activación y aumenta la velocidad de
reacción.

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• La enzima (E), se combina con el substrato (S)
formando el complejo de transición, enzima-
substrato (E-S), mediante una reacción
reversible, cuya energía de activación es menor
que la de la reacción no catalizada. Cuando se
forma el producto de la reacción (P), se regenera
de nuevo la enzima (E) de forma libre, la que
puede combinarse de nuevo con otra molécula
de substrato (S).
E + S ES E + P
• Una enzima reduce más eficientemente la energía de activación (Ea)
de una reacción que un catalizador inorgánico, lo que permite que
una reacción se realice a menor t°.

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El siguiente ejemplo ilustra mejor lo que hemos discutido:
Reacción
Energía de
activación
(Kcal*mol-1)
a) el peróxido de hidrógeno se descompone en:
H2 O2 H2 O + O2
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b) el hierro catalítico (Fe) realiza la reacción
H2 O2 H2 O + O2
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c) el platino catalítico (Pt) realiza la reacción :
H2 O2 H2 O + O2
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d) la catalasa realiza la reacción
H2O2 H2O + O2
5
Fe++
Pt
Catasala

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FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS RXs ENZIMÁTICAS
• La ecuación de Michaelis describe la relación
cuantitativa entre la velocidad de reacción y la
concentración de substrato [S], si se conoce
Vmax o Km:
v= Vmax +[ S ] / Km + [ S ]
• Donde v= es la velocidad de reacción
observada a una concentración de substrato
determinada [S]
• Km= constante de Michaelis en moles/lítro

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Vmax= velocidad máxima a concentración saturante de
substrato. Si v= Vmax/2; entonces
Vmax = Vmax +[ S ] / Km + [ S ]
2
• Km+[S] = 2[S] ;
• Km =[S]
• De tal forma que podemos concluir que Km
es igual a la concentración de substrato a la
semi velocidad máxima de reacción.

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Gráfica de Michaelis_Menten
Variación de la actividad enzimática con la concentración de sustrato:
Esta gráfica demuestra la formación de un complejo enzima-sustrato
Actividad
enzimática
Concentración de sustrato
Nivel de saturación de la enzima
EFECTO DEL pH EN LA ACTIVIDAD ENZIMATICA
• Sabiendo que las enzimas son proteínas, cualquier
cambio brusco de pH puede alterar el carácter iónico de
los grupos amino y carboxilo en la superficie proteica,
afectando así las propiedades catalíticas de una enzima.
A pH alto o bajo se puede producir la desnaturalización
de la enzima y en consecuencia su in activación . La
fosfatasa ácida es más activa a pH 5,0, mientras que la
fosfatasa alcalina lo es a pH 9,0. Muchas enzimas tienen
máxima actividad cerca de la neutralidad en un rango de
pH de 6 a 8.

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EFECTO DEL pH EN LA ACTIVIDAD ENZIMATICA

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ENZIMA pH OPTIMO
Pepsina 1,5
Tripsina 7,7
Catalasa 7,6
Arginasa 9,7
Fumarasa 7,8
Ribonucleasa 7,8
EFECTO DE LA TEMPERATURA
Un aumento en la temperatura provoca un aumento de la
velocidad de reacción hasta cierta temperatura óptima, ya
que después de aproximadamente 45 ºC se comienza a
producir la desnaturalización térmica.

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COMPARATIVO ENTRE LOS EFECTOS DE LA
Tº Y DEL pH

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EFECTO DE LOS ACTIVADORES
Cierta enzimas se encuentran como aproenzimas o
zimogenos que son inactivos.
Los activadores se unen al centro regulador, cambian la configuración del centro
activo, que hasta ese momento estaba inactivo y desencadenan la catálisis
enzimática.
activador
Enzima inactiva
sustrato
Enzima activa
productos
Activadores

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• La estereoespecificidad. Una enzima puede
tener una especificidad óptica para isomeros
D o L.
• Hay enzimas que muestran especificidad
absoluta como la aspartasa, que cataliza la
adición reversible de amoníaco al doble
enlace del ácido fumárico, pero no al de otros
ácidos insaturados.
INHIBIDORES ENZIMÁTICOS

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TIPOS DE INHIBIDORES
1. Inhibición irreversible: Este tipo de inhibidores forman
un enlace covalente con las enzimas cerca del centro
activo.
2. Inhibición competitiva: Es cuando el inhibidor compite
con el substrato por la unión con el centro activo de la
enzima. Este tipo de inhibición puede reducirse si se
aumenta la concentración de substrato.
3. Inhibición no competitiva (Alostérica): Esta inhibición
se caracteriza por que no se puede revertir el efecto del
inhibidor, aumentando la concentración del substrato.
4. Inhibición por metales: Ciertos metales como el plomo,
mercurio y arsénico inhiben enzimas que tienen en su
centro activo grupos -SH libres.
Los inhibidores irreversibles son sustancias que se unen a la enzima en lugares
diferentes al centro activo alterando la conformación de la molécula de tal manera
que, aunque se forme un complejo enzima-sustrato, no se produce la catálisis. Este
tipo de inhibición depende solamente de la concentración de inhibidor.
Enzima
sustrato
Enzima
No se produce la
catálisis
inhibidor
Inhibición irreversible
Sin inhibidor Con inhibidor

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Los inhibidores competitivos son sustancias, muchas veces similares
químicamente a los sustratos, que se unen al centro activo impidiendo con ello
que se una el sustrato. El proceso es reversible y depende de la cantidad de
sustrato y de inhibidor, pues ambos compiten por la enzima.
Enzima Enzima
sustrato
inhibidor
Sin inhibidor
con inhibidor
Inhibición competitiva
Los inhibidores alostéricos
se unen a una zona de la
enzima y cambian la
configuración del centro
activo de tal manera que
impiden que el sustrato se
pueda unir a él.
sustrato
inhibidor
Enzima inactiva
Enzima activa
Inhibición alostérica.
(no competitivos)
Sin inhibidor
con inhibidor

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Los envenenadores son sustancias que se unen al centro activo mediante
enlaces fuertes en un proceso irreversible, con lo que impiden de manera
definitiva la catálisis.
Enzima
envenenador
sustrato
Envenenadores
(Tóxicos)

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Identifican Enzimas
Vegetales de Gran
Importancia
23 de Julio de 2008.
Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven han identificado enzimas que
son importantes para la modificación de los isoflavonoides, productos naturales
vegetales que ayudan a las plantas a resistir a las infecciones fúngicas, y que
también pueden tener efectos benéficos para la salud humana. La investigación
puede allanar el camino para el implante de las rutas de síntesis de los
isoflavonoides en algunos cultivos con el fin de mejorar su resistencia a las
enfermedades y prevenir de esta manera pérdidas en la producción agrícola.
En la naturaleza, los isoflavonoides se encuentran principalmente en las leguminosas, como la soja y la alfalfa, donde estos compuestos químicos
mejoran la resistencia de ambas plantas a las enfermedades y ayudan a mantener las relaciones de simbiosis entre las leguminosas y los
microorganismos que viven entre sus raíces, favoreciendo la producción de biomasa para todas las especies involucradas. Algunos estudios también
sugieren que, cuando son consumidos por los humanos, estos productos naturales pueden ayudar a prevenir algunos tipos de cánceres, enfermedades
cardíacas y síntomas de la menopausia, entre otros beneficios.
Identificar las enzimas precisas no es tarea sencilla. Las rutas de biosíntesis de los isoflavonoides son complejas, con muchos pasos y enzimas
involucradas. Otro reto es que la acumulación de niveles elevados de productos intermediarios puede ser tóxica para los vegetales.
Las legumbres han desarrollado maneras de protegerse a sí mismas transformando a estos intermediarios para hacer posible su almacenamiento en
vacuolas o en las paredes celulares. La enzima que realiza esta transformación vital era una de las que los investigadores deseaban encontrar.
El biólogo Chang-Jun Liu y sus colaboradores dedujeron que la enzima que les interesaba pertenecía con toda probabilidad a una gran familia de
enzimas que intervienen en muchas funciones biológicas que afectan al crecimiento de las plantas, la biosíntesis, las modificaciones en las paredes
celulares y la resistencia a las enfermedades. De modo que comenzaron su investigación buscando los genes que pudieran "instruir" a las células para
fabricar las proteínas de esa familia.
Afortunadamente los genes de esta familia de proteínas comparten ciertas secuencias comunes de información genética. Empleando estas secuencias
comunes como si fuesen referencias orientativas en un mapa de carreteras, los científicos indagaron en las bases de datos de genes de una planta
leguminosa modelo, buscando los genes con "firmas" similares. Esta primera búsqueda tuvo como resultado 76 genes candidatos.
Basándose en posteriores análisis bioinformáticos y en pruebas de expresión de genes, estrecharon el cerco sobre nueve genes candidatos. Entonces
implantaron estos nueve genes en cepas de la bacteria E. coli para producir las proteínas correspondientes, y pusieron a prueba la capacidad de estas
proteínas de realizar la función enzimática requerida. Los científicos comprobaron que tres enzimas realizaban la reacción que andaban buscando: la
transformación de intermediarios en la ruta de síntesis de los isoflavonoides, en variedades apropiadas para ser almacenadas añadiéndoles cadenas
cortas basadas en el carbono.
El próximo paso fue probar estas tres enzimas en plantas. Los investigadores fueron capaces de confirmar que al menos una de las enzimas realizó la
reacción para los isoflavonoides en esas plantas.
Además de identificar la enzima, los experimentos demostraron que los científicos fueron capaces de transplantar con éxito, a plantas no leguminosas,
pasos cruciales en la ruta de síntesis de los isoflavonoides.