definición
Las enzimas son proteínas producidas en células vegetales y animales, que actúan como catalizadores, acelerando las reacciones biológicas sin ser modificadas.
Las enzimas funcionan combinándose con una sustancia específica para transformarla en una sustancia diferente; Las enzimas digestivas presentes en la saliva, en el estómago, en el páncreas y en el intestino delgado dan ejemplos clásicos que tienen una función esencial en la digestión y ayudan a separar los alimentos en los constituyentes básicos, que luego pueden ser absorbidos y utilizados por el cuerpo., procesados por otras enzimas o expulsados como residuos.
Cada enzima tiene una función específica: la que descompone las grasas, por ejemplo, no actúa sobre las proteínas o los carbohidratos. Las enzimas son esenciales para el bienestar del cuerpo. La deficiencia, incluso de una sola enzima, puede causar trastornos graves. Un ejemplo bastante conocido es la fenilcetonuria (PKU), una enfermedad caracterizada por la incapacidad de metabolizar un aminoácido esencial, la fenilalanina, cuya acumulación puede causar deformidades físicas y enfermedades mentales.
Analisis bioquimico
Las enzimas son proteínas particulares que tienen la característica de ser catalizadores biológicos, es decir, tienen la capacidad de descomponer la energía de activación (Eatt) de una reacción, modificando su camino para hacer que un proceso cinéticamente lento se vuelva más rápido.
Las enzimas aumentan la cinética de las reacciones termodinámicamente posibles y, a diferencia de los catalizadores, son, más o menos, específicas: por lo tanto, poseen especificidad de sustrato.
La enzima no está involucrada en la estequiometría de la reacción: para que esto ocurra, es esencial que el sitio catalítico final sea idéntico al original.
En la acción catalítica casi siempre hay una fase lenta que determina la velocidad del proceso.
Cuando se trata de enzimas, no es correcto hablar de reacciones de equilibrio, en lugar de eso, hablamos de estado estable (un estado en el que un determinado metabolito se forma y consume continuamente, manteniendo su concentración casi constante a lo largo del tiempo). El producto de una reacción catalizada por una enzima es, a su vez, generalmente reactivo para una reacción posterior, catalizado por otra enzima, y así sucesivamente.
Los procesos catalizados por enzimas suelen estar constituidos por secuencias de reacciones.
Una reacción genérica catalizada por una enzima (E) se puede resumir de la siguiente manera:
Una enzima genérica (E) se combina con el sustrato (S) para formar el aducto (ES) con una constante de velocidad K1; puede nuevamente disociarse en E + S, con una constante de velocidad K2, o, (si "vive" el tiempo suficiente) puede proceder a formar P con una constante de velocidad K3.
El producto (P) puede, a su vez, recombinarse con la enzima y reformar el aducto con la constante de velocidad K4.
Cuando la enzima y el sustrato se mezclan, hay una fracción de tiempo en que la reunión entre las dos especies aún no se ha producido: en otras palabras, hay un intervalo de tiempo extremadamente corto (que depende de la reacción) en el que La enzima y el sustrato aún no se han encontrado; después de este período, la enzima y el sustrato entran en contacto en una cantidad gradualmente mayor y se forma el aducto ES. Posteriormente, la enzima actúa sobre el sustrato y el producto se libera. Entonces podemos decir que hay un intervalo de tiempo inicial en el que la concentración del aducto ES no se puede definir; después de este período, se asume que se establece un estado estable, es decir, la velocidad de los procesos que conducen a la obtención del aducto es igual a la velocidad de los procesos que conducen a la destrucción del aducto.
La constante de Michaelis-Menten (KM) es una constante de equilibrio (referida al primer equilibrio descrito anteriormente); se puede decir, con una buena aproximación (porque también se debe considerar K3) que KM está representado por la relación entre las constantes cinéticas K2 y K1 (en referencia a la destrucción y formación del aducto ES en el primer equilibrio descrito anteriormente).
A través de la constante de Michaelis-Menten, tenemos una indicación de la afinidad entre la enzima y el sustrato: si el KM es pequeño, existe una alta afinidad entre la enzima y el sustrato, por lo que el ES del aducto es estable.
Las enzimas están sujetas a regulación (o modulación).
En el pasado se trataba principalmente de modulación negativa, es decir, inhibición de la capacidad catalítica de una enzima, pero también puede haber una modulación positiva, es decir, hay especies capaces de mejorar las capacidades catalíticas de una enzima.
Hay 4 tipos de inhibiciones (obtenidas de aproximaciones hechas en un modelo para hacer coincidir los datos experimentales con ecuaciones matemáticas):
- inhibición competitiva
- inhibición no competitiva
- inhibición incompetitiva
- inhibición competitiva
Se habla de inhibición competitiva cuando una molécula (inhibidor) es capaz de competir con el sustrato. Por similitud estructural, el inhibidor puede reaccionar en lugar del sustrato; aquí es de donde viene la terminología de "inhibición competitiva". La probabilidad de que la enzima se una al inhibidor o al sustrato depende de la concentración de ambos y de su afinidad con la enzima; por lo tanto, la velocidad de reacción depende de estos factores.
Para obtener la misma velocidad de reacción que sería sin la presencia del inhibidor, es necesario tener una mayor concentración de sustrato.
Se muestra experimentalmente que, en presencia de un inhibidor, la constante de Michaelis-Menten aumenta.
En cuanto a la inhibición no competitiva, la interacción entre la molécula que debería funcionar como un modulador (inhibidor positivo o negativo) y la enzima, tiene lugar en un sitio que es diferente de aquel en el que la inhibición no es competitiva. interacción entre enzima y sustrato; por lo tanto, se habla de modulación alostérica (del griego alosteros → otro sitio).
Si el inhibidor está obligado a unirse a la enzima, puede inducir una modificación de la estructura de la enzima y, en consecuencia, puede disminuir la eficiencia con la que el sustrato se une a la enzima.
En este tipo de proceso, la constante de Michaelis-Menten permanece constante, ya que este valor depende del equilibrio entre la enzima y el sustrato y, estos equilibrios, incluso en presencia de un inhibidor, no cambian.
El fenómeno de la inhibición incompetitiva es raro; un inhibidor incompetitivo típico es una sustancia que se une de manera reversible al aducto ES que da lugar a ESI:
La inhibición del exceso de sustrato a veces puede ser de un tipo incompetitivo, ya que esto se manifiesta cuando una segunda molécula de sustrato se une al complejo ES, dando lugar al complejo ESS.
Un inhibidor competitivo, por otro lado, solo puede unirse al aducto enzimático del sustrato como en el caso anterior: la unión del sustrato a la enzima libre induce una modificación conformacional que hace que el sitio sea accesible para el inhibidor.
La constante de Michaelis Menten disminuye al aumentar la concentración del inhibidor: aparentemente, por lo tanto, aumenta la afinidad de la enzima por el sustrato.
Serinas proteasas
Son una familia de enzimas a las que pertenecen la quimotripsina y la tripsina.
La quimotripsina es una enzima proteolítica e hidrolítica que corta a la derecha de los aminoácidos hidrófobos y aromáticos.
El producto genético que codifica para la quimotripsina no está activo (activado por un comando); La forma no activa de quimotripsina está representada por una cadena polipeptídica de 245 aminoácidos. La quimotripsina tiene una forma globular debido a cinco puentes disulfuro y otras interacciones menores (electrostática, fuerzas de Van der Waals, enlaces de hidrógeno, etc.).
La quimotripsina es producida por las células del páncreas, donde se encuentra en membranas especiales y se expulsa a través del conducto pancreático en el intestino, en el momento de la digestión de los alimentos: la quimotripsina es de hecho una enzima digestiva. Las proteínas y nutrientes que ingerimos a través de la dieta, se digieren para ser reducidos a cadenas más pequeñas y para ser absorbidos y transformados en energía (por ejemplo, la amilasa y la proteasa dividen los nutrientes en glucosa y aminoácidos que llegan a las células, a través de los vasos sanguíneos alcanzan la vena porta y desde allí se transportan al hígado donde se someten a tratamientos adicionales).
Las enzimas se producen de forma no activa y se activan solo cuando llegan al "sitio donde deben operar"; Una vez que su acción está completa, se desactivan. Una enzima, una vez desactivada, no puede reactivarse: para tener una acción catalítica adicional, debe ser reemplazada por otra molécula de enzima. Si la quimitripsina se hubiera producido en una forma activa ya en el páncreas, atacaría a esta última: la pancreatitis es una patología debida a enzimas digestivas que ya están activadas en el páncreas (y no en los sitios requeridos); Algunos de ellos si no se tratan a tiempo, conducen a la muerte.
En la quimotripsina y en todas las serin proteasas, la acción catalítica se debe a la existencia del anión alcoholato (-CH2O-) en la cadena lateral de una serina.
Las serin proteasas toman este nombre precisamente porque su acción catalítica se debe a una serina.
Una vez que toda la enzima ha realizado su acción, antes de poder volver a utilizarse en el sustrato, debe restaurarse con agua; La "liberación" de la serina por el agua es la etapa más lenta del proceso, y es esta fase la que determina la velocidad de la catálisis.
La acción catalítica se desarrolla en dos fases:
- formación de aniones con propiedades catalíticas (un anión alcoholato) y posterior ataque de carbonil carbonilo (C = O) nucleófilo con escisión del enlace peptídico y formación de éster;
- Ataque de agua con restauración del catalizador (capaz de re-ejercer su acción catalítica).
Las diversas enzimas que pertenecen a la familia de la serina proteasa pueden estar compuestas por diferentes aminoácidos, pero para todos, el sitio catalítico está representado por el anión alcohólico de la cadena lateral de una serina.
Una subfamilia de las serin proteasas es la de las enzimas involucradas en la coagulación (que consiste en la transformación de la proteína, de su forma inactiva a otra forma que es activa). Estas enzimas hacen que la coagulación sea lo más efectiva posible y está limitada en espacio y tiempo (la coagulación debe ocurrir rápidamente y solo debe ocurrir cerca del área lesionada). Las enzimas involucradas en la coagulación se activan en cascada (a partir de la activación de una sola enzima, se obtienen miles de millones de enzimas: cada enzima activada, a su vez activa muchas otras enzimas).
La trombosis es una condición debida al mal funcionamiento de las enzimas de coagulación: es causada por la activación, sin necesidad (porque no hay lesión), de las enzimas utilizadas en la coagulación.
Existen enzimas moduladoras (reguladoras) y enzimas inhibitorias para otras enzimas: interactuando con esta enzima, regulan o inhiben su actividad; también el producto de una enzima puede ser inhibidor de la enzima. También hay enzimas que funcionan más cuanto mayor es el sustrato presente.
lisozima
Luigi Pasteur descubrió, por casualidad, estornudando en una placa de Petri, que en el moco hay una enzima que puede matar las bacterias: la lisozima ; Del griego: liso = que corta; zimo = enzima.
La lisozima es capaz de romper la pared celular de las bacterias. Las bacterias y, en general, los organismos unicelulares, necesitan estructuras mecánicamente resistentes que limiten su forma; Dentro de las bacterias hay una presión osmótica muy alta por lo que llaman agua. La membrana plasmática explotaría si no hubiera una pared celular que se oponga a la entrada de agua y limite el volumen de la bacteria.
La pared celular consiste en una cadena de polisacárido en la que se alternan las moléculas de N-acetil-glucosamina (NAG) y ácido N-acetil-murámico (NAM); El vínculo entre NAG y NAM se rompe con la hidrólisis. El grupo carboxilo de NAM, en la pared celular, está involucrado en un enlace peptídico con un aminoácido.
Entre las diversas cadenas, se forman puentes que consisten en enlaces pseudopéptidos: la ramificación se debe a la molécula de lisina; La estructura en su conjunto está muy ramificada y esto le confiere un alto grado de estabilidad.
La lisozima es un antibiótico (mata las bacterias): actúa haciendo una grieta en la pared bacteriana; Cuando esta estructura se rompe (que es mecánicamente resistente), la bacteria extrae agua hasta que explota. La lisozima logra romper el enlace glucosídico b-1, 4 entre NAM y NAG.
El sitio catalítico de la lisozima está representado por un surco que corre a lo largo de la enzima en la que se inserta la cadena de polisacárido: seis anillos glucosídicos de la cadena, encuentran su lugar en el surco.
En la posición tres del surco hay un cuello de botella: en esta posición solo se puede colocar un NAG, porque el NAM, que es más grande, no puede entrar. El sitio catalítico real se encuentra entre las posiciones cuatro y cinco: al existir un NAG en la posición tres, el corte tendrá lugar entre un NAM y un NAG (y no al revés); Por lo tanto, el corte es específico.
El pH óptimo para el funcionamiento de la lisozima es cinco. En el sitio catalítico de la enzima, es decir, entre las posiciones cuatro y cinco, están las cadenas laterales de un ácido aspártico y un ácido glutámico.
Grado de homología : mide el parentesco (es decir, la similitud) entre las estructuras de proteínas.
Existe una relación rigurosa entre la lisozima y la lactosa-sintasa.
La lactosa sintetasa sintetiza la lactosa (que es el principal azúcar de la leche): la lactosa es un galactosil glucósido en el que existe un enlace glucosídico β-1, 4 entre la galactosa y la glucosa.
Por lo tanto, la lactosa sintasa cataliza la reacción opuesta a la catalizada por la lisozima (que, en cambio, rompe el enlace glucosídico β-1, 4)
La lactosa sintasa es un dímero, es decir, consiste en dos cadenas de proteínas, una de las cuales tiene propiedades catalíticas y es comparable a la lisozima y la otra es una subunidad reguladora.
Durante el embarazo, las glucoproteínas se sintetizan a partir de las células de la glándula mamaria por la acción de la galatosiltransferasa (tiene una homología de secuencia del 40% con lisozima): esta enzima es capaz de transferir un grupo galactosilo desde una estructura de alta energía A una estructura de glicoproteínas. Durante el embarazo, se induce la expresión del gen que codifica galactosisil transferasa (también existe la expresión de otros genes que también proporcionan otros productos): se produce un aumento en el tamaño de la mama porque la glándula mamaria está activada (anteriormente no activa) que debe producir leche. Durante el parto, se produce α-lactalalbúmina, que es una proteína reguladora: es capaz de regular la capacidad catalítica de la galactosiltransferasa (para la discriminación del sustrato). La galactosil-transferasa modificada por la α-lactalalbúmina, es capaz de transferir un galactosil a una molécula de glucosa: forma un enlace glicosídico β-1, 4 y da lactosa (lactosa sintasa).
Así, la galactosa transferasa prepara la glándula mamaria antes del parto y produce leche después del parto.
Para producir glicoproteínas, la galactosiltransferasa se une a un galactosilo y NAG; durante el parto, la albúmina láctica se une a la galactosiltransferasa, lo que hace que esta última reconozca la glucosa y que la NAG no dé lactosa.
