Coenzimas y vitaminas

Coenzimas y vitaminas

Las coenzimas funcionan como reactivos de transferencia de grupos. Son específicas para los grupos químicos que aceptan y donan. Para algunas coenzimas, el grupo es hidrógeno o un electrón; otras coenzimas transportan grupos químicos mayores, unidos en forma covalente.

Muchas enzimas requieren cationes inorgánicos

Las metaloenzimas contienen iones metálicos firmemente unidos en sus sitios activos. Los iones que más se suelen encontrar en las metaloenzimas son de metales de transición como hierro y zinc, y con menos frecuencia cobre y cobalto.

Los iones metálicos que se unen fuertemente a las enzimas con frecuencia tienen funciones predominantes en la catálisis. Los iones de algunas metaloenzimas pueden funcionar como catalizadores electrofílicos.

Clasificación de las coenzimas

Se puede clasificar a las coenzimas en dos tipos, según la forma en que interactúan con la apoenzima. Las coenzimas de un tipo, llamadas cosustratos, con frecuencia en realidad son sustratos en reacciones catalizadas por enzimas.

El segundo tipo de coenzima se llama grupo prostético. Un grupo prostético permanece unido a la enzima durante la reacción. En algunos casos, el grupo prostético se une en forma covalente a su apoenzima, en tanto que en otros casos está firmemente unido al sitio activo por muchas interacciones débiles.

Las fuentes originales de vitaminas suelen ser plantas y microorganismos, aunque los animales carnívoros pueden obtener vitaminas de la carne. La mayor parte de las vitaminas deben transferirse, en forma enzimática, a sus coenzimas correspondientes.

ATP y otros cosustratos nucleótidos

Hay varios trifosfatos nucleósidos que son coenzimas. Con mucho, el más abundante es el trifosfato de adenosina (ATP, adenosine triphosphate). Entre otros ejemplos frecuentes están el GTP, la S-adenosilmetionina y azúcares nucleótido, como la difosfato de uridina glucosa (UDP-glucosa). El ATP (figura 7.4) es un reactivo versátil que puede donar sus grupos fosforilo, pirofosforilo, adenililo (AMP) o adenosilo en reacciones de transferencia de grupo.

La reacción más común donde interviene el ATP es la transferencia del grupo fosforilo.

 

Las coenzimas de nicotinamida son nicotinamida adenina dinucleótido 1NAD2 y el fosfato de nicotinamida adenina dinucleótido   , muy relacionado. Fueron las primeras coenzimas que se conocieron. Ambas contienen nicotinamida, la amida del ácido nicotínico.El ácido nicotínico (llamado también niacina) es el factor que falta en la pelagra. Las coenzimas de nicotinamida participan en muchas reacciones de oxidación-reducción. Ayudan en la transferencia de electrones hacia metabolitos y desde éstos.

FAD y FMN

Las coenzimas flavina adenina dinucleótido (FAD) y flavina mononucleótido (FMN) se derivan de la riboflavina o vitamina B2. La riboflavina es sintetizada por bacterias, protistas, hongos, plantas y algunos animales. Los mamíferos obtienen riboflavina de su alimento. La riboflavina está formada por ribitol, un alcohol con cinco carbonos unido al átomo N-10 de un sistema de anillo heterocíclico llamado isoaloxazina.

Muchas oxidorreductasas requieren FAD o FMN como grupo prostético. A esas enzimas se les llama flavoenzimas o flavoproteínas. El grupo prostético está unido muy firmemente, casi siempre en forma no covalente. Las coenzimas de flavina reducida se pueden oxidar rápidamente en presencia de oxígeno. Como están firmemente unidas al grupo prostético, las apoenzimas protegen a las formas reducidas contra la reoxidación, que sería un desperdicio.

Coenzima A

Muchos procesos metabólicos dependen de la coenzima A (CoA o HS-CoA), como la oxidación de moléculas de combustible y la biosíntesis de algunos carbohidratos y lípidos.

Esta coenzima interviene en reacciones de transferencia de grupo acilo, donde los grupos metabólicos móviles son ácidos carboxílicos y ácidos grasos simples. La coenzima

A tiene dos componentes principales: una unidad de 2-mercaptoetilamina, que tiene un grupo —SH libre, la vitamina pantotenato— (vitamina B5, una amida de β-alanina y pantotenato), y una mitad de ADP, cuyo grupo hidroxilo 3´ está esterificado con un tercer grupo fosfato.

Pirofosfato de tiamina

La tiamina (o vitamina B1) contiene un anillo de pirimidina y un anillo de tiazolio con carga positiva (figura 7.14a). En los mamíferos, la tiamina es una vitamina esencial .Abunda en las cáscaras de arroz y en otros cereales. Las deficiencias de vitamina B1 causan beriberi.

Fosfato de piridoxal

La familia de vitaminas B6 hidrosolubles consiste en tres moléculas estrechamente relacionadas que sólo difieren en el estado de oxidación o aminación en el carbono unido a la posición 4 del anillo de piridina (figura 7.16a). La vitamina B6, con mayor frecuencia piridoxal o piridoxamina, se encuentra con facilidad en muchas fuentes vegetales y animales.

Las deficiencias de B6 inducidas en ratas causan dermatitis y diversas alteraciones relacionadas con el metabolismo de las proteínas, pero en realidad son raras las deficiencias de B6 en humanos.

Biotina

La biotina es un grupo prostético para enzimas que catalizan reacciones de transferencia del grupo carboxilo y reacciones de carboxilación dependientes de ATP. La biotina está unida en forma covalente al sitio activo de su enzima anfitriona por un enlace de amida al grupo -amino de un residuo de lisina.

Cobalamina

La cobalamina (vitamina B2) es la mayor de las vitaminas B, y fue la última que se aisló. La estructura de la cobalamina tiene un sistema corrin anular que se asemeja al sistema anular de porfirina en el hemo.

Algunas especies de bacterias sintetizan la cobalamina. Todos los animales la requieren como micronutriente, y también algunas bacterias y algas. Las plantas no requieren cobalamina, por lo que no la sintetizan. En consecuencia, y en el caso normal, los humanos obtienen la vitamina B12 a partir de alimentos de origen animal. La deficiencia de cobalamina puede causar anemia perniciosa, enfermedad potencialmente fatal debida a una disminución en la producción de glóbulos rojos por la médula ósea. La anemia perniciosa también puede causar afecciones neurológicas. La mayoría de las víctimas de anemia perniciosa no secretan una glucoproteína necesaria (llamada factor intrínseco) en la mucosa estomacal.

Vitaminas lipidicas

Las estructuras de las cuatro vitaminas lipídicas (A, D, E y K) contienen anillos y largas cadenas laterales alifáticas. Las vitaminas lipídicas son muy hidrofóbicas, aunque cada una posee cuando menos un grupo polar. Al ingerirse son absorbidas en el intestino por un proceso parecido a la absorción de otros nutrientes lípidos. Después de digerir toda la proteína que pueda estar unida a ellas, son arrastradas a la interfase celular del intestino en forma de micelas formadas con sales biliares.

A. Vitamina A

La vitamina A, o retinol, es una molécula lipídica con 20 carbonos, que se obtiene en la dieta, ya sea en forma directa o indirecta, como b-caroteno. Las zanahorias y otras verduras amarillas son ricas en b-caroteno, un lípido vegetal con 40 carbonos cuya ruptura oxidante enzimática produce la vitamina A.La vitamina A existe en tres formas que difieren en estado de oxidación del grupo funcional terminal: el retinol, un alcohol estable, el retinal, un aldehído, y el ácido retinoico.

B. Vitamina B

Cuando los humanos se exponen a suficiente luz solar, se forma vitamina D3 (colecalciferol) en forma no enzimática, en la piel, a partir del esteroide 7-dehidrocolesterol. La vitamina  D2, compuesto relacionado con la vitamina D3 (la D2 tiene un grupo metilo adicional)

es el aditivo en leches fortificadas. La forma activa de la vitamina D3, el 1,25-dihidroxicolecalciferol, se forma a partir de la vitamina D3 mediante dos reacciones de hidroxilación. En enfermedades por deficiencia de vitamina D, como raquitismo en niños y osteomalacia en adultos, los huesos son débiles, porque el fosfato de calcio no cristaliza bien sobre la matriz de colágeno en los huesos.

C.  Vitamina E

La vitamina E, o -tocoferol es uno de varios tocoferoles estrechamente relacionados; son compuestos que tienen un sistema anular bicíclico oxigenado, con una cadena lateral hidrofóbica. Son raras las deficiencias de vitamina E, pero pueden causar glóbulos rojos frágiles y daño neurológico.

D. Vitamina K

La vitamina K (filoquinona) es una vitamina lipídica procedente de plantas, necesaria en la síntesis de algunas de las proteínas que intervienen en la coagulación sanguínea.

Citocromos

Los citocromos son proteínas coenzimas pequeñas, con contenido de hemo, que participan en el transporte de electrones. Se diferencian por las bandas de absorción en sus espectros. Los citocromos pueden ser de clase a, b y c, de acuerdo con sus espectros de absorción visible. Las clases tienen grupos hemo prostéticos un poco diferentes. El grupo hemo de los citocromos tipo b es igual al de hemoglobina y mioglobina.

En los citocromos tipo c, el hemo está unido en forma covalente a la apoproteína por grupos vinilo del hemo mediante dos enlaces tioéter que se forman por adición de los grupos tiol de dos residuos de cisteína.

Carbohidratos

Carbohidratos

Los hidratos de carbono, las biomoléculas más abundantes de la naturaleza, conectan directamente la energía solar y la energía del enlace químico de los seres vivos Se forman durante la fotosíntesis un proceso bioquímico en el que se captura la energía luminosa y se utiliza para impulsar la biosíntesis de moléculas orgánicas con energía abundante a partir de las moléculas con poca energía CO₂ y H₂O. La mayoría de los hidratos de carbono contienen carbono, hidrógeno y oxígeno con una proporción (CH₂O), de aquí el nombre de hidrato de carbono.

Los hidratos de carbono se clasifican en monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos, de acuerdo con el número de unidades de azúcar sencillo que contienen.

Los carbohidratos se clasifican como sigue:

1.    Los monosacáridos: son los azúcares que no se pueden hidrolizar hacia carbohidratos más simples. Pueden clasificarse como triosas, tetrosas, pentosas, hexosas o heptosas, dependiendo del número de átomos de carbono, y como aldosas o cetosas, dependiendo de si tienen un grupo aldehído o cetona. Además de aldehídos y cetonas, los alcoholes polihídricos (alcoholes azúcar o polioles), en los cuales el grupo aldehído o cetona se ha reducido a un grupo alcohol, también se encuentran de modo natural en los alimentos. Son sintetizados por medio de reducción de monosacáridos para uso en la manufactura de alimentos para reducción de peso, y para diabéticos. Se absorben poco y tienen alrededor de la mitad del rendimiento de energía delos azúcares.

2. Los disacáridos: son productos de condensación de dos unidades de monosacárido; los ejemplos son maltosa y sacarosa.

3. Los polisacáridos: son productos de condensación de más de 10 unidades de monosacáridos; los ejemplos son los almidones y las dextrinas, que pueden ser polímeros lineales o ramificados. Los polisacáridos a veces se clasifican como hexosanos o pentosanos, dependiendo de la identidad de los monosacáridos que los constituyen (hexosas y pentosas, respectivamente). Además de almidones y dextrinas, los alimentos contienen una amplia variedad de otros polisacáridos que se conocen en conjunto como polisacáridos no almidón; las enzimas del ser humano no los digieren, y son el principal componente de la fibra en la dieta.

Ciclación de aldosas y hexosas

El comportamiento óptico de algunos monosacáridos parece indicar que tienen un

átomo de carbono más que lo que se ve en las estructuras de las figuras

Conformaciones de los monosacáridos

Debido a su simplicidad, las proyecciones de Haworth se usan con frecuencia en bioquímica. Esas fórmulas muestran la configuración de los átomos y los grupos en cada átomo de carbono de la columna vertebral del azúcar. Sin embargo, la geometría de los átomos de carbono de un anillo de monosacárido es tetraédrica (ángulos de enlace cercanos a 110°), por lo que en realidad los anillos de monosacárido no son planos. Los monosacáridos cíclicos pueden tener diversas conformaciones, o formas tridimensionales que tienen la misma configuración.

Las furanosas también pueden formar conformaciones torcidas, donde dos de los cinco átomos del anillo están fuera del plano, uno a cada lado del plano formado por los otros tres átomos. Los anillos de piranosa tienden a asumir una de dos conformaciones, la de silla o la de bote.

Derivados de los monosacáridos

A. Fosfatos de azúcar

Los monosacáridos, en las vías metabólicas, con frecuencia se convierten en ésteres de fosfato.

Los fosfatos de triosa, el 5-fosfato de ribosa y el 6-fosfato de glucosa son ésteres alcohol-fosfato simples.

B. Desoxiazúcares

Un átomo de hidrógeno sustituye a uno de los grupos hidroxilo del monosacárido precursor. La 2-desoxi-D-ribosa es un bloque constructivo importante en el ADN. La L-fucosa (6-desoxi-L-galactosa) está muy distribuida en plantas, animales y microorganismos.

C. Aminoazúcares

En varios azúcares, un grupo amino sustituye uno de los grupos hidroxilo del monosacárido precursor. A veces el grupo amino está acetilado. Los aminoazúcares de la glucosa y la galactosa se suelen presentar en glucoconjugados.

D. Azúcares alcoholes

En un azúcar alcohol el oxígeno carbonílico del monosacárido precursor se ha reducido y se produce un polihidroxialcohol.

E. Azúcares ácidos

Los azúcares ácidos son ácidos carboxílicos derivados de las aldosas, sea por oxidación de C-1 (el carbono aldehídico) para formar un ácido aldónico, o por oxidación del carbono con número mayor (el que tiene el alcohol primario) para formar un ácido aldurónico. Los ácidos aldónicos pueden estar como piranosas, por lo que poseen un carbono anomérico.

F. Ácido ascórbico

El ácido L-ascórbico (figura 8.18), o vitamina C, es un enodiol de una lactona derivada del D-glucoronato. Los primates no pueden convertir glucoronato en ácido ascórbico, y en consecuencia deben obtenerlo en su dieta. El ácido ascórbico es un cofactor esencial para las enzimas que catalizan la hidroxilación de los residuos de prolina y lisina durante la síntesis de colágena.

Disacáridos y otros glicósidos

El enlace glicosídico es el principal enlace estructural en todos los polímeros de los monosacáridos. Es un enlace acetal, donde el carbono anomérico de un azúcar se condensa con un alcohol, una amina o un tiol. Los glucósidos son una clase especial de glicósidos, donde la glucosa aporta el carbono anomérico. Entre los glicósidos hay disacáridos, polisacáridos y algunos derivados de carbohidrato.

A. Estructuras de los disacáridos

Los disacáridos se forman cuando el carbono anomérico de una molécula de azúcar interactúa con uno de varios grupos hidroxilo de la otra molécula de azúcar. Así, para los disacáridos y otros carbohidratos polímeros, se deben considerar los tipos de residuos de monosacárido que están presentes, y también los átomos que forman los enlaces glicosídicos.

B. Azúcares reductores y no reductores

Los azúcares reductores se detectaban por su capacidad de reducir iones metálicos. y formar productos insolubles. Los carbohidratos que son acetales, como la sacarosa, no se oxidan con facilidad, porque ambos átomos de carbono anoméricos están fijos en un enlace glicosídico. Se clasifican como azúcares no reductores.

C. Nucleótidos y otros glicósidos

Los carbonos anoméricos de los azúcares forman enlaces glicosídicos no sólo con otros azúcares, sino también con diversos alcoholes, aminas y tioles. Los glicósidos que se encuentran con más frecuencia, además de los oligosacáridos y polisacáridos, son los nucleósidos, donde hay purina o pirimidina unida por su grupo amino secundario.

Los nucleósidos se llaman N-glicósidos debido que en el enlace glicosídico particima un átomo de nitrógeno. La guanosina ( -D-ribofuranosilguanina) es un nucleósido típico.

Polisacáridos

Con frecuencia se divide a los polisacáridos en dos clases extensas. Los homoglicanos (u homopolisacáridos) son polímeros que sólo contienen residuos de un tipo de monosacárido. Los heteroglicanos (o heteropolisacáridos) son polímeros que contienen residuos de más de un tipo de monosacárido.

A. Almidón y glucógeno

Todas las especies sintetizan D-glucosa. El exceso de glucosa se puede descomponer y producir energía metabólica. Los residuos de glucosa se almacenan como polisacáridos, hasta que se necesitan para producir energía. El homoglicano de almacenamiento más común de la glucosa en las plantas y los hongos es el almidón; y en los animales es el glucógeno. Ambos tipos de polisacárido existen en las bacterias. En las células vegetales, el almidón existe como mezcla de amilosa y amilopectina.

B. Celulosa y quitina

La celulosa es un polisacárido estructural. Es uno de los principales componentes de las paredes celulares rígidas que rodean muchas células vegetales. Los tallos y las ramas de muchas plantas están formados principalmente por celulosa. Este solo polisacárido forma un porcentaje apreciable de toda la materia orgánica en la Tierra.

Glicoconjugados

Los glicoconjugados consisten en polisacáridos unidos a proteínas o péptidos. En muchos casos, los polisacáridos consisten en varias unidades distintas de monosacárido. Por consiguiente, son heteroglicanos. (Almidón, glucógeno, celulosa y quitina son homoglicanos). Los heteroglicanos aparecen en tres tipos de glicoconjugados: proteoglicanos, peptidoglicanos y glicoproteínas

A. Proteoglicanos

Los proteoglicanos son complejos de proteínas y una clase de polisacáridos llamados glicosaminoglicanos. Esos glicoconjugados se presentan principalmente en la matriz extracelular (tejido conectivo) de animales multicelulares.

B. Peptidoglicanos

Los peptidoglicanos son polisacáridos unidos a péptidos pequeños. Las paredes celulares de muchas bacterias contienen una clase especial de peptidoglicano con un componente de heteroglicano unido a un péptido de cuatro o cinco residuos.

El componente peptídico de los peptidoglicanos varía entre las bacterias.

En las bacterias Gram-negativas hay una capa delgada de peptidoglicano entre la

membrana plasmática interna y la membrana externa. En las bacterias Gram-positivas no hay membrana externa, y la pared celular de peptidoglicano es mucho más gruesa.

En el procedimiento de tinción de Gram (por Hans Christian Gram), la gruesa pared de peptidoglicano de las bacterias Gram-positivas retiene un complejo colorante púrpura, pero no lo retiene la pared de peptidoglicano, más delgada, de las bacterias Gram-negativas.

C. Glicoproteínas

Las glicoproteínas, como los proteoglicanos, son proteínas que contienen oligosacáridosunidos en forma covalente (es decir, proteínas que están glicosiladas; los proteoglicanos son un tipo de glicoproteína). Las cadenas de carbohidrato de una glicoproteína varían de longitud, de 1 hasta más de 30 residuos, y pueden formar hasta 80% de la masa total de la molécula. Las glicoproteínas son un grupo extraordinariamente diverso de proteínas que abarca enzimas, hormonas, proteínas estructurales y proteínas de transporte.

Mecanismo de las enzimas

Mecanismo enzimático

Las enzimas son polímeros biológicos que catalizan las reacciones químicas que hacen posible la vida tal como la conocemos. La presencia y el mantenimiento de un conjunto completo y equilibrado de enzimas son esenciales para la desintegración de nutrientes a fin de que proporcionen energía y bloques de construcción químicos; el montaje de esos bloques de construcción hacia proteínas, DNA, membranas, células y tejidos, y la utilización de energía para impulsar la motilidad celular, la función neural y la contracción muscular.

Además de servir como los catalizadores para todos los procesos metabólicos, su impresionante actividad catalítica, especificidad para sustrato y estereoespecificidad permiten a las enzimas desempeñar funciones clave en otros procesos relacionados con la salud y el bienestar de seres humanos.

El movimiento de los electrones es la clave para comprender las reacciones químicas (y enzimáticas). Deben identificarse los reactivos, los productos y todos los compuestos intermedios.

A.   Sustituciones nucleofilicas: Muchas reacciones químicas tienen compuestos intermedios iónicos. Hay dos tipos de intermedios iónicos: unas especies son ricas en electrones o nucleofílicas, y otras especies son pobres en electrones, o electrofílicas. Un nucleófilo tiene una carga negativa o un par de electrones no compartido. Suele imaginarse que el nucleófilo ataca al electrófilo, y al mecanismo se le llama ataque nucleofílico, o sustitución nucleofílica.

B.   Reacciones de ruptura: También se encuentran reacciones de escisión o ruptura. Los enlaces covalentes se pueden romper de dos maneras: dos electrones permanecen con un átomo, o un electrón puede permanecer con cada átomo enlazado.

C.   Reacciones de óxido-reducción: Las reacciones de oxido-reducción son fundamentales en el suministro de energía biológica. En una reacción de oxido-reducción (o reacción redox), los electrones de una especie se transfieren a otra. Oxidación es la pérdida de electrones: una sustancia que es oxidada tendrá menos electrones cuando se termine la reacción. La reducción es la ganancia de electrones: una sustancia que gana electrones en una reacción es reducida. Las reacciones de oxidación y reducción siempre suceden en forma simultánea. Un sustrato es oxidado y el otro es reducido. Un agente oxidante es una sustancia que produce una oxidación: toma electrones del sustrato que es oxidado.

Así, los agentes oxidantes ganan electrones (es decir, se reducen). Un agente reductor es una sustancia que dona o cede electrones (y en el proceso se oxida).

Modos químicos de la catálisis enzimática

Las cadenas laterales ionizables participan en dos clases de catálisis química: catálisis ácido-base y catálisis covalente. Son los dos modos químicos principales de catálisis.

A.   Residuos polares de aminoácidos en sitios activos: Los residuos polares de aminoácidos (o a veces coenzimas) tienen cambios químicos durante la catálisis enzimática. Esos residuos forman gran parte del centro catalítico de la enzima.

B.   Catálisis ácido-base: En la catálisis ácido-base, la aceleración de una reacción se debe a la transferencia catalítica de un protón. Esta catálisis ácido-base es la forma más común de catálisis en química orgánica, y también es común en las reacciones enzimáticas. Las enzimas que la hacen se basan en cadenas laterales de aminoácido que pueden donar y aceptar protones en las condiciones de pH neutro de las células. Este tipo de catálisis ácido-base, donde intervienen agentes de transferencia de protones, se llama catálisis ácido-base general.

C.   Catálisis covalente: En la catálisis covalente se une un sustrato en forma covalente a la enzima y se forma un compuesto intermedio reactivo. La cadena lateral que reacciona de la enzima puede ser un nucleófilo o un electrófilo. La catálisis nucleofílica es más común.

D.   Influencia del pH sobre las velocidades de reacción enzimática: El efecto del pH sobre la velocidad de reacción de una enzima puede indicar cuáles residuos ionizables de aminoácido están en su sitio activo. La sensibilidad al pH suele reflejar una alteración en el estado de ionización de uno o más residuos que participan en la catálisis, aunque a veces se afecta la unión con el sustrato.

Modos de enlazamiento en la catálisis enzimática

A.  El efecto de proximidad: Para que las moléculas reaccionen, deben acercarse hasta ubicarse dentro de la distancia formadora de enlace de otra. Mientras más alta sea su concentración, con mayor frecuencia se encontrarán una con otra y mayor será el índice de su reacción. Cuando una enzima se une a moléculas de sustrato en su sitio activo, crea una región de concentración local alta de sustrato. Este ambiente también orienta las moléculas de sustrato de manera espacial en una posición ideal para que interactúen.

B. Enlazamiento débil de sustratos con enzimas: La posición correcta de los sustratos en un sitio activo produce un gran aumento de la velocidad.

En complejos ES, los reactivos son aproximados, pero no en forma extrema, al estado de transición. El enlazamiento de sustratos con enzimas no puede ser muy fuerte; esto es, los valores de Km no pueden ser extremadamente bajos

C.   Ajuste inducido: La mayor parte de las enzimas parecen catalizadores sólidos porque tienen una flexibilidad limitada, pero las enzimas no son moléculas totalmente rígidas. Los átomos de las proteínas hacen movimientos pequeños y rápidos en forma constante, y hay pequeños ajustes de conformación cuando se unen a ligandos. La activación de una enzima por un cambio de conformación iniciado por el sustrato se llama ajuste inducido. El ajuste inducido no es un modo catalítico, sino principalmente un efecto de especificidad del sustrato

.

D.    Estabilización del estado de transición: La estabilización del estado de transición, la interacción aumentada de la enzima con el sustrato en el estado de transición, sólo es una forma más sutil de explicar la tensión. Algunos enzimólogos han estimado que la estabilización del estado de transición explica casi todos los aumentos de velocidad de reacción causados por las enzimas. la estabilización del estado de transición es el factor principal a la catálisis enzimática. Los mismos estados de transición no son compuestos estables, sino estados transitorios en los que se forman y rompen enlaces.

Lisozima

La lisozima cataliza la hidrólisis de algunos polisacáridos, en especial los que forman las paredes celulares de las bacterias. Es la primera enzima cuya estructura fue resuelta, y por esta razón ha habido un interés duradero en desarrollar su mecanismo preciso de acción.Muchas secreciones como lágrimas, saliva y moco nasal, contienen actividad de lisozima para ayudar a evitar infecciones bacterianas. (La lisozima causa la lisis o ruptura de las células bacterianas). La lisozima mejor estudiada es la de la clara de huevo de gallina.

Propiedades de las serina proteasas

Las serina proteasas son una clase de enzimas que separan el enlace peptídico de las proteínas. Como lo señala su nombre, se caracterizan por la presencia de un residuo de serina catalítico en sus sitios activos. Las serina proteasas mejor estudiadas son las enzimas relacionadas tripsina, quimotripsina y elastasa.

Muchas serina proteasas son sintetizadas en forma de zimógenos inactivos que se activan fuera de la célula, bajo condiciones adecuadas, por proteólisis selectiva. El examen de serina proteasas con cristalografía de rayos X muestra cómo las estructuras tridimensionales de las proteínas pueden revelar información acerca de los sitios activos, incluyendo la unión con sustratos específicos. Los sitios activos de las serina proteasas contienen una tríada catalítica Ser-His-Asp. El residuo de serina sirve como catalizador covalente, y el residuo de histidina sirve como catalizador ácido-base. Los compuestos intermedios tetraédricos aniónicos se estabilizan por puentes de hidrógeno con la enzima.

Las enzimas constituyen una de las clases primarias de biomoléculas dirigidas para la creación de fármacos y otros agentes terapéuticos; por ejemplo, muchos antibióticos inhiben enzimas que son singulares para microbios patógenos. El descubrimiento de nuevos fármacos se facilita mucho cuando es posible valorar un gran número de farmacóforos potenciales de una manera rápida y automatizada, proceso denominado investigación de alta capacidad de procesamiento.

En esta última se aprovechan avances recientes en robótica, óptica, procesamiento de datos y microfluídica para efectuar y analizar muchos miles de valoraciones simultáneas de la actividad de una enzima dada.

Las valoraciones enzimáticas que producen un producto cromogénico o fluorescente son ideales, puesto que los detectores ópticos se elaboran con facilidad mediante procedimientos de ingeniería para permitir el análisis rápido de múltiples muestras. En la actualidad, el equipo complejo requerido para números en verdad grandes de valoraciones sólo está disponible en casas farmacéuticas, laboratorios patrocinados por gobiernos, y universidades de investigación. Su principal uso es el análisis de compuestos inhibitorios con potencial final para uso como fármacos

Propiedades de las enzimas

Enzimas

Las enzimas son catalizadores biológicos selectivos de una eficiencia extraordinaria. Toda célula viva dispone de cientos de enzimas distintas que catalizan las reacciones esenciales para la vida.

El papel principal de las enzimas es aumentar las velocidades de tales reacciones. Las enzimas pueden hacer más que sólo aumentar la velocidad de una sola reacción muy específica. Algunas también pueden combinar, o acoplar, dos reacciones que normalmente serían separadas. Esta propiedad permite que la energía ganada en una reacción se use en una segunda reacción. Un catalizador es una sustancia que acelera 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 participar en varias reacciones.

El nombre enzima deriva de una palabra griega que significa “en la levadura”. Indica que dichos catalizadores están presentes en el interior de las células. A finales del siglo XIX se estudió la fermentación de los azúcares por acción de células de levadura.

Clases de enzima:

ª      Oxidorreductasas: Estas catalizan las reacciones de oxidación-reducción. La mayor parte de esas enzimas se llaman, en general, deshidrogenasas. También hay otras llamadas oxidasas, peroxidasas, oxigenasas o reductasas.

ª   Transferasas: encargadas de catalizar las reacciones de transferencia de un grupo y pueden necesitar la presencia de coenzimas.

ª   Hidrolasas: clase especial de transferasas donde el agua sirve como aceptor del grupo transferido. La pirofosfatasa es un ejemplo sencillo de una hidrolasa.

ª      Liasas: catalizan la división de C—C, C—O, C—N y otros enlaces mediante eliminación de átomo, dejando dobles enlaces.

ª      Isomerasas: catalizan cambios geométricos o estructurales dentro de una molécula.

ª      Ligasas: catalizan la unión de dos moléculas acopladas a la hidrólisis de ATP.

Experimentos cinéticos que revelan las propiedades de las enzimas

    1.          Cinética Química: se examina la relación entre la cantidad de producto (P) que se forma en una unidad de tiempo  y las condiciones experimentales bajo las que se efectúa la reacción. La base de la mayor parte de las mediciones cinéticas es la observación de la rapidez, o velocidad ( ), de una reacción, la cual varía en forma directa con la concentración de cada reactante. Esta observación se expresa en una ecuación de velocidad.

    2.    Cinética enzimática: Los primeros estudios de cinética enzimática confirmaron que una enzima (E) se une a un sustrato para formar un complejo enzima-sustrato (ES). Los complejos ES se forman cuando los ligandos se unen de manera no covalente a sus lugares adecuados en el sitio activo. El sustrato reacciona en forma transitoria con la proteína catalizadora (y con otros sustratos, en una reacción multisustratos) para formar el producto de la reacción. Esta reacción se efectúa en dos pasos distintos: la formación del complejo enzima sustrato y la reacción química actual, acompañada por la disociación del producto.

Ecuación de Michaelis- Menten

Las reacciones pueden ser descritas matemáticamente mediante ecuaciones de velocidad. Las primeras ecuaciones de velocidad fueron deducidas a principios de 1900.

La ecuación de Michaelis-Menten  ilustra en términos matemáticos la relación entre la velocidad de reacción inicial V₁ y la concentración de sustrato [S].

La constante K_m de Michaelis es la concentración de sustrato a la cual V₁ es la mitad de la velocidad máxima (V_max/2) alcanzable a una concentración particular de enzima.

1.    Cuando [S] es mucho menor que el término K_m + [S] es en esencia igual a la K_m. En otras palabras, cuando [S] está muy por debajo de K_m, V₁ es proporcional a k [S]. Por ende, la velocidad de reacción inicial es directamente proporcional a [S].

2.     Cuando [S] es mucho mayor que Km el término Km + [S] es en esencia igual a [S]. 

3.    Cuando [S] = K_m

Deducción de la ecuación de Michaelis-Menten

Una deducción común de la ecuación de Michaelis-Menten, debida a George E. Briggs y J. B. S. Haldane, es llamada la derivación del estado estable. Esta deducción postula que hay un intervalo de tiempo (llamado estado estable, o estado estacionario) durante el cual se forma el complejo ES a la misma velocidad con la que se descompone, de modo que la concentración de ES es constante. La velocidad inicial se usa en la derivación del estado estable porque se asume que la concentración de producto ([P]) es insignificante.

Al suponer que la concentración de ES en estado estable es constante, entonces la velocidad de formación de producto depende de la velocidad de la reacción química y de la velocidad de disociación de P para abandonar la enzima. El paso limitante de la velocidad es hacia el lado derecho de la reacción  y la velocidad depende de la constante de velocidad k₂ y de la concentración de ES.

B. Constante catalítica k_cat

Cuando la concentración de sustrato es alta, la velocidad total de la reacción es V_máx y está determinada por la concentración de la enzima. La constante de velocidad observada bajo estas condiciones se llama constante catalítica, K_cat, y se define como sigue:

Donde k_cat representa la cantidad de moles de sustrato convertidos en producto, por segundo y por mol de enzima (o por mol de sitio activo, para una enzima con multisubunidades) bajo condiciones de saturación. En otras palabras, k_cat indica la cantidad máxima de moléculas de sustrato convertidas en producto cada segundo por cada sitio activo. A eso se le llama con frecuencia número de recambio. La constante catalítica mide la rapidez con que determinada enzima puede catalizar una reacción específica; es una forma muy útil para describir la eficacia de una enzima. La unidad de k_cat es s^-1. El recíproco de k_cat es el tiempo necesario para que haya un evento catalítico.

Significados de Km

La constante de Michaelis tiene varios significados. La ecuación siguiente define a K_m como la relación de las constantes de velocidad combinadas para la descomposición de ES dividida entre la constante para su formación.

Medición de Km y Vmáx

Los parámetros cinéticos de una reacción enzimática pueden producir información valiosa acerca de la especificidad y el mecanismo de la reacción. Los parámetros clave son K_m y V_máx  ya que k_cat se puede calcular si se conoce V_máx.

Los datos de K_m y V_máx para una reacción catalizada por enzima se pueden determinar de diversas maneras. Es posible obtener ambos valores por análisis de las velocidades iniciales en una serie de concentraciones de sustrato y una concentración fija de enzima. Para obtener valores fiables de las constantes cinéticas, los puntos de [S] se deben extender por abajo y por arriba de Km para producir una hipérbola. Es difícil determinar K_m o V_máx en forma directa con una gráfica de velocidad inicial en función de la concentración porque la curva tiende a la V_máx en forma asintótica. Sin embargo, se pueden determinar valores exactos usando un programa de cómputo adecuado para ajustar los resultados experimentales a la ecuación de la hipérbola.

La ecuación de Michaelis-Menten se puede reacomodar para obtener valores de V_máx y K_m a partir de líneas rectas en gráficas.

Cinética de las reacciones con sustratos múltiples

Las mediciones cinéticas de reacciones con sustratos múltiples son algo más complicadas que para cinéticas enzimáticas sencillas con un solo sustrato.

Las reacciones de multisustrato pueden efectuarse de acuerdo con varios y distintos esquemas cinéticos llamados mecanismos cinéticos porque se deducen en su totalidad mediante experimentos cinéticos. Los mecanismos cinéticos son comúnmente representados con la notación introducida por W. W. Cleland.

Las reacciones consecutivas (o secuenciales) requieren que todos los sustratos estén presentes para que se libere algún producto. Estas reacciones secuenciales pueden ser ordenadas, con un orden obligatorio de enlazamiento de sustratos y de liberación de productos. También pueden ser aleatorias, sin orden obligatorio de enlazamiento o liberación. En las reacciones ping-pong se libera un producto  antes de que se enlacen todos los sustratos.

Inhibición enzimática

Los inhibidores de las actividades catalíticas de enzimas proporcionan tanto agentes farmacológicos como recursos de investigación para estudiar el mecanismo de acción de las enzimas. La fuerza de la interacción entre un inhibidor y una enzima depende de las fuerzas importantes en la estructura de proteína y la unión de ligando (enlaces de hidrógeno, interacciones electrostáticas, interacciones hidrofóbicas y fuerzas de van der Waals). Los inhibidores pueden clasificarse con base en su sitio de acción en la enzima, en si producen modificación química de la enzima, o en los parámetros de cinética sobre los cuales influyen. Desde el punto de vista cinético, se distinguen dos clases de inhibidores con base en si el aumento de la concentración de sustrato supera o no la inhibición.

Muchos fármacos actúan como inhibidores de enzimas:

El objetivo de la farmacología es identificar agentes que pueden:

1. Destruir o alterar el crecimiento, la invasividad o el desarrollo de agentes patógenos invasores

2. Estimular mecanismos de defensa endógenos

3. Suspender u obstaculizar procesos moleculares aberrantes desencadenados por estímulos genéticos, ambientales o biológicos, con trastorno mínimo de las funciones celulares normales del huésped.

En virtud de sus diversas funciones fisiológicas y alto grado de selectividad de sustrato, las enzimas constituyen blancos naturales para la creación de fármacos que son tanto potentes como específicos.

Inhibición competitiva

Los efectos de los inhibidores competitivos pueden superarse al aumentar la concentración de sustrato. Con mayor frecuencia, la inhibición competitiva del inhibidor (I) se une a la porción de unión a sustrato del sitio activo, lo que bloquea el acceso por el sustrato. Por ende, las estructuras de casi todos los inhibidores competitivos clásicos tienden a asemejarse a las estructuras de un sustrato y, así, se  llaman análogos de sustrato.

Un inhibidor competitivo actúa al disminuir el número de moléculas de enzima libres disponibles para unión a sustrato, esto es, para formar ES y, así, finalmente para formar producto, un inhibidor competitivo y sustrato ejercen efectos recíprocos sobre la concentración de los complejos EI y ES.

Inhibidores Acompetitivos

En la inhibición acompetitiva, el inhibidor sólo se une al complejo enzima-sustrato, y no a la enzima libre.La Inhibición acompetitiva suele observarse en las reacciones en las que las enzimas unen más de un sustrato.

Inhibidores no competitivos

En algunas reacciones catalizadas por enzimas el inhibidor puede unirse tanto a la enzima como al complejo enzima-sustrato:

En estas circunstancias, que se denominan inhibición no competitiva, el inhibidor se une a un lugar diferente del lugar activo. La unión del inhibidor ocasiona la modificación de la conformación de la enzima que impide la formación del producto.

Normalmente, los inhibidores no competitivos no afectan a la unión del sustrato y se parecen poco o nada a éste. Como con los inhibidores acompetitivos, la inhibición no competitiva sólo se invierte parcialmente aumentando la concentración de sustrato.

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Inhibición irreversible

La inhibición puede ser reversible o irreversible. En la inhibición reversible (es decir, inhibición competitiva, acompetitiva y no competitiva), el inhibidor puede disociarse de la enzima debido a que se une  mediante enlaces no covalentes. Los inhibidores irreversibles normalmente se unen covalentemente a la enzima, con frecuencia a una cadena lateral del lugar activo.

Enzimas alostéricas

Las enzimas alostéricas son enzimas cuyas propiedades son afectadas por cambios en la estructura. Los cambios estructurales son ocasionados por interacción con moléculas pequeñas. Con frecuencia, las enzimas alostéricas no presentan cinética clásica de Michaelis-Menten debido a su unión cooperativa del sustrato, como el caso de la hemoglobina, que no es enzima.

Propiedades generales de las enzimas alostéricas

1.    Las actividades de las enzimas alostéricas cambian debido a inhibidores y activadores metabólicos.

2.    Los moduladores alostéricos se enlazan en forma no covalente a las enzimas que regulan.

3.    Con pocas excepciones, las enzimas reguladoras son proteínas de subunidades múltiples.

4.    Toda enzima sujeta a regulación alostérica posee cuando menos un sustrato para el cual la curva de V_O en función del [S] es sigmoidea en lugar de hiperbólica.