Enzimas

• Concepto de enzima y centro activo.
• Cofactores: coenzimas y grupos
prostéticos
• Mecanismo general de catálisis
enzimática.
• Concepto general de vitamina.
Vitaminas hidrosolubles y
liposolubles
• Cinética enzimática
• Factores que influyen en la
velocidad de la reacción: Sustrato,
temperatura, pH e inhibidores
TEMA 5. ENZIMAS
Lisozima
Antonio Campo Buetas
Biología 2º Bachillerato

TEMA 5. ENZIMAS
Acción catalítica de una enzima
• Los enzimas son catalizadores orgánicos
(biocatalizadores) de naturaleza proteica a
excepción de las ribozimas (ARN).
• Actúan acelerando enormemente las
reacciones del metabolismo al disminuir la
energía de activación.
• Actúan en pequeña cantidad y se reutilizan
puesto que no se consumen en su acción.
• Son específicas para cada reacción.
Reconocen específicamente al sustrato(s) que
se une(n) al centro activo de la enzima y lo(s)
transforman en producto(s).
Sacarasa

TEMA 5. ENZIMAS
La lisozima es una enzima que cataliza la hidrolisis del peptidoglucano que es un componente de la pared
cellular de las bacterias constituido por cadenas de dos derivados de la glucose: N-acetilglucosamine y
N-acetilmurámico.

ENZIMAS Y ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
• En toda reacción química existe una barrera de
energía que impide que comience la reacción,
por lo que la mayoría de las reacciones
necesitan, al principio, recibir una cierta
cantidad de energía y esto ocurre incluso para
las reacciones exergónicas, como la oxidación
de la glucosa o la combustión del gas natural.
Esta energía añadida hace aumentar la
energía cinética de las moléculas y tiene dos
efectos:
• Vencer las fuerzas de repulsión entre los
electrones que envuelven a las distintas
moléculas.
• Romper los enlaces químicos que hay en
una molécula y así hacer posible la
formación de otros nuevos.
TEMA 5. ENZIMAS
• La energía necesaria para que las moléculas puedan reaccionar se denomina energía de activación.
• Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción, no se gasta en el curso de la
misma y se necesita en cantidades muy pequeñas. El catalizador o enzima actúa haciendo disminuir la
energía de activación necesaria para que se verifique la reacción.

ENERGÍA DE ACTIVACIÓN EN LAS REACCIONES
• En un momento determinado tenemos sólo una cantidad de
moléculas con la energía de activación suficiente para transformarse
en producto.
• Podríamos aumentar la temperatura para que más moléculas tuvieran
la energía de activación. Pero entonces se producirían procesos de
desnaturalización de proteínas y pérdida de función (no es compatible
con la vida.
• En los seres vivos las reacciones están catalizadas por enzimas que
rebajan la energía de activación para que más moléculas alcancen el
estado de transición (energía de activación) y se transformen en
producto.
TEMA 5. ENZIMAS

PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS:
• Especificidad de la catálisis enzimática. Cada enzima
reconoce específicamente a su sustrato para
transformarlo en producto o realiza un mismo tipo de
reacción.
• Reversibilidad: Aun cuando una enzima puede actuar
catalizando los dos sentidos de una reacción, muchas
veces esto no se cumple, ya que los productos
resultantes de una reacción son utilizados en otra
reacción enzimática, encadenada con la anterior.
• Eficacia: la acción catalítica tiene lugar a unas
concentraciones de enzima ínfimas, ya que una sola
molécula de enzima puede catalizar la reacción de miles
de moléculas de sustrato. La enzima no se consume.
Además trabaja en condiciones fisiológicas de T y pH.
• Gran poder catalítico: las enzimas poseen una
potencia catalítica muy superior a la de los catalizadores
no biológicos, pues multiplican la velocidad de las
reacciones por un millón de veces o más.
TEMA 5. ENZIMAS

• Algunas enzimas son holoproteínas formadas sólo por aminoácidos y otras, heteroproteínas. En estas
últimas, su actividad depende, además de su estructura proteica, de otras estructuras no proteicas
denominadas cofactores. El complejo intacto proteína-cofactor se llama holoenzima; cuando el cofactor se
separa, la proteína restante, que es inactiva, se denomina apoenzima.
• El cofactor puede ser un ion metálico o una molécula orgánica; en este último caso se habla de coenzima y si
está fuertemente unido a la enzima, grupo prostético.
HOLOENZIMA = APOENZIMA + COFACTOR (IÓN METÁLICO O COENZIMA)
TEMA 5. ENZIMAS
ESTRUCTURA MOLECULAR
Las enzimas son proteínas globulares que
presentan un centro activo, donde se une el
sustrato o sustratos.
• El centro activo de una enzima contiene los
grupos funcionales que se pueden unir al
sustrato y los que participan en la acción
catalítica para obtener el producto.
• La geometría del centro activo ser
corresponde con la conformación del sustrato
y con el tipo de reacción especificidad de la
enzima.

TEMA 5. ENZIMAS
ESPECIFICIDAD DE LAS ENZIMAS:
• La afinidad que tienen los enzimas por un sustrato se denomina
especificidad y se debe a las características de: los
aminoácidos del centro activo; el sustrato; y los cofactores.
Existen distintos niveles de especificidad: algunos enzimas son
específicos de un sólo tipo de sustrato y pueden llegar incluso a
distinguir los isómeros. Otros son específicos de un grupo de
sustratos de características químicas similares.
• En el centro activo de la enzima existen dos tipos de
aminoácidos: los aminoácidos de fijación, necesarios para que
la enzima se una al sustrato; y los aminoácidos catalizadores,
necesarios para realizar la actividad catalítica. Igualmente, el
sustrato debe poseer grupos funcionales que permitan su unión
específica con la enzima y también debe presentar un enlace
químico específico sobre el cual puede actuar la enzima. Entre
sustrato y centro activo se establecen enlaces débiles. El resto
de la proteína enzimática lo constituyen los aminoácidos
estructurales, que no forman parte del centro activo y por tanto,
no tienen función dinámica. Sirven de esqueleto estructural para
mantener la conformación tridimensional adecuada en el centro
activo y que éste pueda encajar con el sustrato.

TEMA 5. ENZIMAS
ESPECIFICIDAD DE LAS ENZIMAS:
• Entre el centro activo y el sustrato
existe una complementariedad y
muchas veces se dice que el sustrato
encaja en el centro activo como una
llave en la cerradura (teoría de la
llave-cerradura, propuesta en 1880
por Emil Fischer).
• Sin embargo, realmente el centro
activo, aunque de antemano posee
una cierta complementariedad con el
sustrato, sólo se adapta totalmente a
él al ponerse en contacto. (Teoría del
ajuste o acoplamiento inducido,
propuesta por Daniel E. Koshaland
en 1958). Sería comparable al guante
del personal sanitario. Existe una
forma establecida pero se adapta a la
mano específica.

TEMA 5. ENZIMAS
MECANISMO GENERAL DE CATÁLISIS
ENZIMÁTICA.
Se explica mediante la hipótesis formulada en
1913 por los químicos Michaelis y Menten: La
reacción enzimática se realiza mediante la unión
de la enzima (E) con el sustrato (S) para formar
un complejo enzima-sustrato (ES). A
continuación, el complejo ES se escinde,
liberando la enzima sin alterar y los productos de
la reacción (P).
1.- Formación del complejo ES: Se produce el
encuentro específico entre las moléculas de
enzima y de sustrato favorecido por algunos
cambios de conformación entre ambos. Se
establecen múltiples enlaces débiles en el
complejo ES y se alcanza el estado de transición. Esta etapa reversible es la más lenta
2.- Modificación del sustrato: Una vez formado el complejo ES, tiene lugar la catálisis del sustrato. Esta se
puede ver favorecida por diversos factores, por ejemplo: se rompen enlaces, se ceden o captan átomos, protones
o electrones… Como consecuencia de la transformación del sustrato, se obtiene el producto. Este se mantiene
unido al enzima dando lugar al complejo EP.
3.- Disociación del complejo EP: El complejo EP unido por enlaces débiles se disocia para dar lugar al producto
y al enzima libre. El enzima libre puede unirse a otra molécula de sustrato.

TEMA 5. ENZIMAS
Ejemplo del mecanismo de catálisis enzimática

TEMA 5. ENZIMAS: COFACTORES Y VITAMINAS
COFACTORES ENZIMÁTICOS Y VITAMINAS
• Algunos enzimas necesitan para llevar a cabo su actividad catalítica de una o más sustancias de naturaleza no
proteica que reciben el nombre de cofactores. Existen dos tipos de cofactores enzimáticos: los iones metálicos y
los coenzimas.
• Los coenzimas, de naturaleza orgánica, actúan generalmente como transportadores intermediarios de grupos
funcionales, de determinados átomos o de electrones, los cuales son transferidos de una sustancia a otra en la
reacción enzimática global. A veces los coenzimas se hallan íntimamente unidos a la molécula proteica
constituyendo un verdadero grupo prostético.
• Cuando se analiza la estructura química de muchos coenzimas se comprueba que tienen formando parte de ella a
alguna de las sustancias conocidas como vitaminas. Existe pues una clara relación entre vitaminas y coenzimas.
• Las vitaminas son una serie de sustancias de naturaleza química variada que, en cantidades mínimas, son
necesarias para el normal desarrollo y funcionamiento de muchos organismos. Se clasifican en hidrosolubles y
liposolubles.
• En la actualidad está perfectamente establecida la función coenzimática de la mayoría de las vitaminas
hidrosolubles: a excepción de la vitamina C todas forman parte de alguno de los coenzimas conocidos. Es
conveniente resaltar que, aunque existe una clara relación entre las vitaminas hidrosolubles y los diferentes
coenzimas que actúan en el metabolismo, vitaminas y coenzimas no son exactamente la misma cosa; un ejemplo
nos ayudará a aclararlo: el ácido nicotínico es una vitamina hidrosoluble (B3) que no puede ser sintetizada por
las células humanas. Ahora bien, dichas células sí pueden transformar el ácido nicotínico en nicotinamida, la cual,
unida a otros componentes celulares, forma parte de los coenzimas NAD y NADP, que actúan en el metabolismo
como transportadores de electrones.

VITAMINAS
• Las vitaminas son moléculas imprescindibles para el correcto funcionamiento orgánico.
• Las necesidades diarias de vitaminas son muy pequeñas (del orden de mg o µg/día). Por lo general
una cierta dieta variada y rica en alimentos frescos es suficiente para satisfacer esta demanda. Las
necesidades son mayores en las etapas de crecimiento.
• Según su composición se clasifican en liposolubles (A, E y K son terpenos y D esteroide) e
hidrosolubles (C y complejo vitamínico B) que, en general son coenzimas o forman parte de ellas y, por
lo tanto, imprescindibles para el buen funcionamiento de muchas enzimas.
• Son moléculas biológicamente muy activas con funciones reguladoras. Resultan imprescindibles en
multitud de procesos metabólicos y fisiológicos, así como para el desarrollo y el crecimiento de un
organismo y el correcto mantenimiento y estabilidad de los tejidos.
• Los animales no son capaces de sintetizarlas, por lo que deben obtenerlas a partir de los vegetales.
Para ellos son, por tanto, nutrientes esenciales. La mayoría debe ser aportada a través de los
alimentos.
• Las vitaminas son moléculas muy lábiles, es decir, pueden ser alteradas fácilmente. El calor, los
cambios de pH o incluso el propio oxigeno del aire o la luz provocan su destrucción.
• El déficit de vitaminas en la alimentación puede generar trastornos y enfermedades carenciales muy
graves, o incluso mortales que se denominan avitaminosis (carencia total) e hipovitaminosis (carencia
parcial). Las vitaminas liposolubles se pueden acumular y generar problemas por hipervitaminosis.

Vitamina B3, niacina o ácido nicotínico
Dinucleótido de
Nicotinamida y
de Adenina
(NAD+)

FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
(cinética enzimática de Michaelis - Menten)
LA CONCENTRACIÓN DE SUSTRATO:
• La actividad de un enzima se mide por la velocidad de la reacción,
es decir, la velocidad a la que el sustrato se transforma en
producto. En ambos casos la unidad es µM. min-1 (micromoles
por minuto, es decir, 10-6 moles por minuto).
• En la mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas, la
relación entre la velocidad y la concentración de sustrato describe
una curva hiperbólica típica, en la que se distinguen tres etapas:
• A) La velocidad aumenta linealmente con el incremento de la
concentración de sustrato debido a que la concentración de
enzima libre es mayor que la de complejo enzima-sustrato y
se forman con mucha facilidad complejos ES.
• B) El incremento de la concentración de sustrato produce un
aumento mucho menor de la velocidad ya que la
concentración de complejo enzima sustrato aumenta y la de
enzima libre disminuye y, por lo tanto, cada vez hay menos
moléculas de enzima libres para reaccionar con las
moléculas de sustrato.
• C) Si la concentración de sustrato es muy elevada, el
incremento de la velocidad es despreciable y ésta se
considera constante. En esta etapa la velocidad alcanza su
valor máximo porque el enzima está saturado.
A
B
C

La constante Km se expresa en unidades de molaridad, mM (milimoles por litro), y representa la concentración de
sustrato a la que la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima del proceso. Es un valor específico de
cada enzima para un sustrato concreto e indica la afinidad que presenta la enzima por el sustrato, o sea la mayor o
menor especificidad de la reacción: cuanto mayor es la Km, mayor es la [S] necesaria para conseguir la velocidad
semimáxima y, por tanto, la afinidad enzima-sustrato es menor.
A
B
C

LA TEMPERATURA:
La gráfica representa el efecto de la temperatura sobre la
velocidad de la reacción. En dicha gráfica se distinguen tres
etapas:
• A) la velocidad de la reacción aumenta con la
temperatura.
• B) la velocidad alcanza su valor máximo, que corresponde
a la temperatura óptima.
• C) En la mayoría de los enzimas, a partir de los 60º C
aproximadamente, la velocidad de la reacción empieza a
descender.
El aumento de la temperatura produce un incremento de la
energía cinética de las moléculas. Ésta favorece los choques
entre las moléculas de enzima y de sustrato, y la inestabilidad de
los enlaces. De este modo, se ve favorecida la actividad
enzimática y aumenta la velocidad hasta alcanzar el valor
máximo. Al alcanzar temperaturas elevadas, los enzimas se
desnaturalizan, perdiendo su conformación y función, y la
velocidad disminuye bruscamente.

PCR (REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA – POLYMERASE CHAIN REACTION)
En el proceso de la PCR se alcanzan temperaturas
de 95 °C en las fases de desnaturalización del ADN
de cada ciclo. Se emplean ADN polimerasas
termoestables, extraídas de microorganismos
(arqueobacterias) adaptados a vivir a esas
temperaturas extremas. La más utilizada es la
polimerasa Taq (Thermus aquaticus) descubierta en
las lagunas termales del parque nacional de
Yellowstone en USA
Hoy, todo el proceso de la PCR está automatizado
mediante un aparato llamado termociclador, que
permite calentar y enfriar los tubos de reacción para
controlar la temperatura necesaria para cada etapa
de la reacción.
Polimerasa Taq
Termociclador

PCR (REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA)

PCR (REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA)
La PCR es una técnica común y normalmente indispensable en laboratorios de investigación médica y biológica para una
gran variedad de aplicaciones. Entre ellas se incluyen la clonación de ADN para la secuenciación, la filogenia (evolución)
basada en ADN, el análisis funcional de genes, el diagnóstico de trastornos hereditarios, la identificación de huellas
genéticas (usada en técnicas forenses y test de paternidad) y la detección y diagnóstico de enfermedades infecciosas.

EL PH:
• La actividad de los enzimas se ve modificada por los
valores de pH.
• Para la mayoría de los enzimas, la representación de la
variación de la velocidad respecto a la variación del pH da
una curva como la que aparece en el primer gráfico en
posición central. En ella podemos observar que el pH
óptimo se encuentra en torno a 7. En el caso de pH
extremos, por debajo de 4 y por encima de 10, estos
enzimas se desnaturalizan.
• Existen enzimas que desarrollan su actividad máxima en
valores extremos de pH porque es el valor del medio donde
se localizan: la pepsina a pH ácido ( 1,5 - 2,5 ) y la tripsina a
pH básico ( 8 - 11 ).
• Los cambios de pH modifican el estado de ionización de los
grupos funcionales, sobre todo los del enzima. Por ello,
pequeñas variaciones de pH producen cambios de
velocidad notables.

DESNATURALIZACIÓN POR TEMPERATURA Y pH:
La función biológica de las enzimas, que son proteínas,
depende de su estructura tridimensional, también
denominada conformación cuando está intacta.
Cualquier cambio que suponga una alteración de esta
conformación, como sucede, por ejemplo, cuando se
rompen los enlaces de la estructura cuaternaria,
terciaria y secundaria, afecta a la funcionalidad biológica
de la enzima. Este proceso recibe el nombre de
desnaturalización y puede ser reversible (si los
factores responsables han actuado con escasa
intensidad y durante poco tiempo) o irreversible. En el
primer caso es posible la renaturalización.
Entre los factores que pueden provocar la
desnaturalización de las enzimas se encuentran las
variaciones de presión y el aumento de temperatura
(agentes físicos) y las variaciones de pH, así como los
cambios en la concentración salina (agentes
químicos).

ACTIVADORES:
La presencia de activadores permite que ciertas enzimas que se
mantenían inactivas lleven a cabo su acción, es decir, se
activen. Normalmente, la unión del activador hace que el centro
activo adquiera la estructura adecuada para el acoplamiento del
sustrato. Algunos cationes, como Mg2+ o Ca2+, desempeñan
un papel importante como activadores enzimáticos.
También pueden actuar como activadores diversas moléculas
orgánicas. Un caso aparte serán las enzimas alostéricas.
Enzimas modulados covalentemente
Activación del
pepsinógeno
inactivo en
pepsina
pepsinógeno pepsina

INHIBIDORES:
• Los inhibidores enzimáticos son
sustancias que disminuyen o
anulan la actividad de una enzima.
• Puede ser algún ion o también
alguna molécula orgánica y, muy
frecuentemente, el producto final
de la ruta metabólica de
reacciones en cadena (feed-back
o retroinhibición)
• Pueden ser:
• Irreversibles (venenos)
• ReversiblesFeedback o
retroinhibición

INHIBIDORES IRREVERSIBLES:
El inhibidor, que se denomina veneno metabólico, se une covalentemente
a la enzima alterando su estructura e inutilizándola de forma permanente.
• El ion cianuro es un potente veneno que actúa sobre la
citocromooxidasa que interviene en el proceso de respiración aerobia.
• La unión de insecticidas organofosforados a la enzima
acetilcolinesterasa provoca contracciones musculares indefinidas.
Mecanismo de acción
del cianuro
Acción de insecticidas organofosforados

INHIBIDORES REVERSIBLES:
La inhibición reversible es más común y tiene lugar
cuando la enzima vuelve a tener actividad una vez
eliminada la sustancia inhibidora. Según el lugar de
unión a la enzima se diferencian dos tipos de inhibición
reversible: competitiva y no competitiva:
• Inhibición competitiva: El inhibidor, muy
parecido al sustrato, se une al centro activo
impidiendo, por tanto, la unión del sustrato.
Existe una competencia entre ambos por ocupar
el centro activo. Si éste es ocupado por el
sustrato, la reacción se lleva a cabo, pero si es
ocupado por el inhibidor no se produce, ya que
el sustrato no puede entrar. El grado de
inhibición dependerá de la proporción relativa
entre sustrato e inhibidor.
• Inhibición no competitiva: El inhibidor no
compite con el sustrato, sino que se une en otra
zona de la enzima distinta del centro activo. Esta
unión modifica la estructura de la enzima al
tiempo que dificulta el acoplamiento del sustrato.

FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA: INHIBIDORES
Inhibidor competitivo
Inhibidor no competitivo

FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA: ENZIMAS ALOSTÉRICAS
ENZIMAS ALOSTÉRICAS: Se caracterizan porque:
• Tienen centros, además del centro activo, otro(s) centro(s) regulador(es) o alostérico(s). El centro regulador modula
la actividad de la enzima alostérica. Puede estar ocupado por un activador o un inhibidor.
• Estas enzimas suelen estar constituidas por varias subunidades y presentan estructura cuaternaria.
• Su cinética no se ajusta a la función hiperbólica de Michaelis-Menten sino que tienen una función sigmoidea.
• Su comportamiento se explica desde el modelo cooperativo. Cuando un sustrato se une a uno de los centros activos
aumenta la afinidad de los otros centros activos por otros sustratos lo que da lugar a esa típica función sigmoidea.

MECANISMOS DE ACTIVACIÓN E INHIBICIÓN ALOSTÉRICOS

Regulación de las rutas metabólicas mediante
Feedback sobre enzimas alostéricas

GLIFOSATO

TEMA 5. ENZIMAS
La célula no es una simple bolsa con miles de diferentes
sustratos y enzimas revueltos al azar. Sino que se
encuentra compartimentada en diferentes orgánulos,
estructuras y espacios que ordenan y facilitan las
diferentes rutas metabólicas. Existen complejos
enzimáticos que catalizan las diferentes rutas y estas se
producen en los espacios de los orgánulos que les
corresponden o en sus membranas.
El metabolismo
celular es el
conjunto de
reacciones que
tienen lugar en la
célula. Todas
estás reacciones
siguen rutas
metabólicas,
lineales o cíclicas
interconectadas,
que están
catalizadas y
controladas por
las enzimas.

Antonio Campo Buetas
Biología 2º Bachillerato

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