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1.- CONCEPTO
2.- ENZIMAS
2.1.- INTRODUCCIÓN
2.2.- PROPIEDADES O CARACTERÍSTICAS
2.3.- NATURALEZA QUÍMICA
2.4.- MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA
2.5.- ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA
2.6.- CINÉTICA ENZIMÁTICA
2.7.- FACTORES QUE AFECTAN A LA ACTIVIDAD
ENZIMÁTICA
2.7.1.- Temperatura
2.7.2.- pH
2.7.3.- Activadores
2.7.4.- Inhibidores
2.8.- CLASIFICACIÓN
3.- VITAMINAS
3.1.- CONCEPTO
3.2.- CLASIFICACIÓN
1.- CONCEPTO DE BIOCATALIZADOR
En los seres vivos, se producen continuamente infinidad de reacciones químicas,
de forma ordenada y rápida gracias a enzimas, vitaminas y hormonas, que junto con los
oligoelementos constituyen los biocatalizadores de todas esas reacciones químicas.
¿Qué son los catalizadores? Son sustancias que aumentan la velocidad de
reacción y que actúan a concentraciones muy bajas pues no se consumen durante el
proceso.
-Las enzimas: son proteínas especializadas.
- Las vitaminas: son moléculas orgánicas de diferente naturaleza, imprescindibles para
los animales superiores y que estos no pueden sintetizar.
- Las hormonas: al igual que las vitaminas pueden ser de naturaleza lipídica ó proteica
diferenciándose de ellas, en que son sintetizadas por el propio organismo.
- Los oligoelementos: indispensables para la vida, debido a sus propiedades catalíticas.
2.- ENZIMAS
2.1.- INTRODUCCIÓN:
Un poco de historia (ver fotocopia)
Las enzimas son útiles para los seres humanos
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2.2.- PROPIEDADES O CARACTERÍSTICAS
Las enzimas cumplen las características propias de cualquier catalizador:
-
Gran poder catalítico: las enzimas son capaces de acelerar las reacciones por
valor de 107 (superior a los catalizadores biológicos).
CO2 + H2 O
enzima
CO2 + H2 O
-
H2 CO3
1hora
1 molécula
H2 CO3
1 segundo
105 moléculas
No altera el equilibrio de la reacción
Reduce la energía de activación: Una reacción química cualquiera tiene lugar
cuando las moléculas de los productos que van a reaccionar alcanzan su
estado más rico en energía (están activados), es el llamado “estado activo”,
una vez alcanzado se produce la reacción.
La cantidad de energía necesaria para llevar a todas las moléculas de un mol
de sustancia al estado activo, se llama energía de activación.
Energía
Libre
Energía de activación sin catalizador
Energía de activación con catalizador
Ei
Ef
Curso de la reacción
Como se observa en la gráfica la enzima reduce la energía de activación.
- No se gastan ni se alteran durante la reacción, por eso son necesarias en muy
bajas concentraciones y esto es un síntoma de su eficacia.
- No cambian el signo ni la cuantía de la variación de la energía libre. No
pueden hacer que los procesos sean termodinámicamente más favorables.
Pero además, a diferencia de los catalizadores no biológicos presentan otras
características propias:
- Son altamente específicos: existe una especificidad de sustrato (depende del
centro activo del enzima), llamada absoluta ya que actúan sobre un sustrato
determinado; una especificidad de grupo cuando actúan sobre un grupo de
compuestos que tienen una característica común y una especificidad de
acción (depende de los cofactores) llamada de clase ya que la enzima actúa
sobre un tipo de enlace, independiente del tipo de molécula.
- Actúan siempre a temperatura corporal.
- Son muy activas. Algunas consiguen aumentar la velocidad de la reacción
más de un millón de veces.
- Presentan un peso molecular muy elevado.
- Su actividad catalítica puede ser regulada, lo que permite adecuar la
velocidad de las reacciones del metabolismo a las necesidades de cada
momento
2.3.- NATURALEZA QUÍMICA
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Las enzimas son biocatalizadores de naturaleza proteica (proteínas globulares),
solubles en agua y que difunden con facilidad en los líquidos orgánicos. Su misión es
catalizar las reacciones químicas de las células (tanto intra- como extracelulares), es
decir aumentar la velocidad de reacción, permitiendo que se lleven a cabo en las
condiciones de temperatura, presión y pH propios del medio tanto intracelular como
extracelular, reduciendo la energía de activación. Actúan a concentraciones muy bajas
No experimentan cambios estructurales al final de la reacción química.
Existen algunos tipos de ácido ribonucleico (ARN) con capacidad catalítica,
denominados ribozimas.
Algunas son estrictamente proteicas, es decir, están constituidas solamente por
una o más cadenas polipeptídicas (holoproteínas), pero otras, además, poseen un
componente de naturaleza no proteica (heteroproteínas) del cual depende su actividad.
A estas últimas se las denomina holoenzimas, estas necesitan para llevar a cabo su
acción catalítica, la ayuda de determinadas sustancias no proteicas, denominadas
cofactores que, fijadas en su superficie mediante enlaces covalentes o débiles, aportan
los grupos y funciones químicas de los que carece la enzima. En estos casos la fracción
proteica de la holoenzima se denomina apoenzima y la fracción no proteica es el
cofactor.
Enzima = holoproteína
Holoenzima = cofactor + apoenzima
(Heteroproteína)
El cofactor puede ser:
a) De naturaleza orgánica o metaloorgánica, unido a la apoenzima por
enlaces débiles o covalentes:
I.
Si el cofactor está unido mediante enlaces débiles a la
apoenzima, se denomina coenzima, por ejemplo:
- Coenzimas de óxido-reducción: transportan protones (H+ ) y electrones (e- ):
Ø NAD Y NADP : se forman a partir de la vitamina B3 (Niacina)
NAD+ + 2H (2H+ + 2e-) ß-----------à NADH + H o NADH2
NADP+ + 2H (2H+ + 2e-) ß-------à
NADPH + H o NADPH2
Ø FMN Y FAD: se forman a partir de la vitamina B2 (Riboflavina)
FAD+ + 2H (2H+ + 2e-)ß-------à FADH + H o FADH2
-
Coenzimas que transfieren grupos
Ø Coenzima A (Co-SH): transfiere grupos acilo (-CH2 –COOH)
Ø ATP: transfiere grupos fosfato. ATPß------à ADP+ Pi
Vitaminas: una gran parte de ellas actúan como coenzimas, o bien son
sustancias precursoras de coenzimas. Su acción es fundamental en el metabolismo
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celular, ya que constituyen eslabones que hacen posible el intercambio de materia. Un
mismo coenzima puede actuar como cofactor de varias reacciones enzimáticas
diferentes.
II.
Si se encuentra unido covalentemente a la apoenzima, se llama
grupo prostético, como los grupo hemo de la hemoglobina,
citocromos y mioglobina (heteroproteína)
b) De naturaleza iónica: determinados iones minerales (Mg, Zn, Cu,…)
también actúan como cofactores de la catálisis enzimática.
Las enzimas pueden encontrarse en forma de:
• Proenzimas: no son activas, hasta que sobre ellas actúan otras sustancias o
enzimas.Ejemplo:
HCl
Pepsinógeno -------à Pepsina
(inactiva)
(activa)
*Isoenzimas: son formas moleculares diferentes de una misma enzima, catalizan
la misma reacción pero en diferentes tejidos y a distintas velocidades. Ejemplo la
lactato deshidrogenas presenta cinco formas diferentes.
2.4.- MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA
Para que una enzima pueda actuar es necesario un centro activo
responsable de la especificidad de sustrato y un cofactor responsable de la especificidad
de acción (no todas las enzimas lo requieren).
El centro activo es una zona de la proteína constituida por una serie de
aminoácidos. Estos pueden estar muy alejados entre sí en la estructura primaria, y
cercanos en la estructura terciaria. Estos aminoácidos constituyen una entidad
tridimensional.
Estructura primaria
Estructura terciaria
El centro activo es la zona específica donde se une el sustrato (enlaces: puentes
de hidrógeno, iónicos, hidrofóbicos,…) formándose el complejo enzima-sustrato (E4
S). Se generan así tensiones que debilitan los enlaces del sustrato, por lo que para llegar
al estado de transición del complejo enzima-sustrato, el llamado complejo activado, se
requiere mucha menos energía. Finalizada la transformación, queda el complejo enzima
producto (E-P) que se escinde liberando la enzima intacta (E) y el producto (P).
E+S ---------à
ES --------à EP ----------à E+P
¿Qué hace falta para que una enzima lleva a cabo su actividad?
- Un centro activo: Región de la enzima que se une al sustrato(especificidad
de sustrato)
Los centros activos tienen las siguientes características:
Ø Constituyen una parte muy pequeña del volumen total de la enzima.
Ø Tienen una estructura tridimensional en forma de hueco que facilita
encajar al sustrato.
Ø Están formados por aminoácidos que, aunque distantes en la secuencia
polipeptídica, debido a los repliegues de ésta, quedan próximos.
Ø Los radicales de algunos de estos aminoácidos presentan afinidad química
por el sustrato, por lo que lo atraen y establecen enlaces débiles con él.
Esto facilita que, una vez transformado en producto se pueda separar con
facilidad del centro activo.
- Un Cofactor (especificidad de acción)
2.5.- ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA
Una de las características más importantes de la actividad de las enzimas es la
especificidad de las mismas. Esta propiedad se debe a que la conformación
tridimensionasl del centro activo, es tal que , que resulta complementaria a la molécula
del sustrato a la que se une.
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Existe una especificidad absoluta: la enzima actúa solo sobre un sustrato ( la
ureasa actúa sobre la urea). Una especificidad de acción (de clase) una enzima cataliza
sólo una de las posibles reacciones que puede sufrir un mismo sustrato y que conducen
a vías metabólicas diferentes. Por ejemplo un mismo aminoácido A puede sufrir una
descarboxilación, una desaminación o una oxidación; cada una de esas modificaciones,
que dan productos distintos (B, C y D), la realiza un enzima específico, aunque sobre el
mismo aminoácido. Una especificidad de grupo: la enzima reconoce un determinado
grupo de moléculas (la enzima β-glucosidasa, actúa sobre el grupo de los β- glucósidos)
Dos modelos intentan explicar la complementariedad entre la enzima (centro activo) y
el sustrato.
- Modelo de Fischer: Fischer comparó la especificidad entre la enzima y
el sustrato con la que existe entre una llave y la cerradura. Sugería que el centro
activo y el sustrato eran exactamente complementarios.
- Modelo de Koshland
Koshland:
apuntó
posteriormente que no es
exactamente como una llave y la
cerradura, sino que la enzima
debido a su naturaleza proteica
posee libertad para cambiar de
forma, de modo que puede
acoplarse, es la Teoría del
Ajuste Inducido (mano-guante).
Afirma que no existe una
adaptación predeterminada, sino
una adaptación inducida por los
aminoácidos que forman el
centro activo del enzima (la
enzima se adapta al sustrato).
2.6.- CINÉTICA ENZIMÁTICA
Las enzimas no se consume durante las reacciones, esto hace que sean
muy eficaces y su velocidad de reacción alta aunque la concentración de la
enzima sea menor que la del sustrato.
La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas
por las enzimas y, a partir de parámetros cinéticos, deduce la actividad de la
enzima, su afinidad por el sustrato y los mecanismos de catálisis.
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La cantidad de moléculas de sustrato que cada molécula de enzima es
capaz de transformar por unidad de tiempo (Número de recambio o constante
catalítica)
En general una molécula de enzima es capaz de transformar entre 100 y
1000 mol de sustrato en producto cada segundo. Para muchos enzimas la
velocidad de reacción enzimática varía con la concentración de sustrato, de
manera que al aumentar la concentración de sustrato aumenta la velocidad de
reacción. Esto se mantiene hasta cierto límite, ya que se llega a producir una
saturación del enzima por el sustrato, se dice entonces que se ha alcanzado la
velocidad máxima.
La determinación de la actividad de ciertas enzimas, sirve como prueba
diagnóstica en patologías. Por ejemplo una elevada actividad de las transaminasas, indican
una enfermedad hepática.
El estudio de la cinética enzimática llevó a Michaelis-Menten a formular
la “Teoría General de la Acción Enzimática”, según la cual: la velocidad de
acción de la enzima depende de la concentración del sustrato y de una constante
la Km.
V = Vmax
[S]
Km + [ S]
Vmax : velocidad máxima
S: sustrato
Km: constante de MichaelisMenten (moles/l)
V: velocidad de reacción
La constante de Michaelis-Menten es la concentración de sustrato en la
cual una enzima alcanza la mitad de la velocidad máxima.
Km =
[E]*[S]
[ES]
La Km nos proporciona una idea de la afinidad del enzima por el
sustrato. Si Km es alta significa que para conseguir la mitad de la velocidad
máxima se requiere mucha concentración de sustrato y por lo tanto que la
enzima tiene poca afinidad por el sustrato y viceversa.
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2.7.- FACTORES QUE AFECTAN A LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Principalmente son: la temperatura, el pH, la concentración de sustrato y
sustancias que actúan como activadores e inhibidores
2.7.1.-La temperatura:
El aumento de la temperatura incrementa la energía cinética ( los
movimientos de las moléculas son más rápidos y la frecuencia de las colisiones
aumenta)y aumenta por lo tanto la velocidad de la reacción, hasta una
determinada Tº, llamada temperatura óptima, en la que la velocidad de
reacción es máxima. A partir de esta temperatura disminuye la velocidad pues
las enzimas son proteínas y a temperaturas altas se desnaturalizan y pierden su
funcionalidad.
La temperatura óptima de la mayoría de las enzimas corresponde a la
temperatura corporal (35º-40º) de los animales endotermos. Sin embargo, existen
algunas enzimas en los peces de aguas frías que tienen una temperatura óptima
más baja, y las enzimas de las bacterias termófilas son capaces de resistir Tº
próximas a 100ºC.
El descenso de la Tº aunque disminuye la actividad enzimática, no llega a
desnaturalizar las enzimas; por ello los animales ectotérmicos, que carecen de
mecanismos homeostáticos, para regular la Tº, se ven obligados a hibernar en la
estación fría, pues la actividad de sus enzimas queda muy reducida en esa época.
2.7.2.- El pH:
Las variaciones de pH pueden ocasionar un cambio en la estructura
tridimensional de las enzimas y afectar a su actividad catalítica. Tienen un pH
óptimo, en el cual la enzima desarrolla su actividad máxima, para la mayoría de
las enzimas coincide con el pH fisiológico, o sea neutro o débilmente ácido. No
obstante existen enzimas (digestivas) cuyo pH óptimo es ácido, ejemplo la
pepsina (pH= 1,5 - 2,5) o básico, como la tripsina (pH= 8 – 11)
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2.7.3.- Activadores:
Ciertas sustancias activan enzimas, haciendo 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, o diversas
moléculas orgánicas e incluso el propio sustrato puede activar su propia
metabolización. Ejemplo los iones cloro de la saliva activan la amilasa salivar.
2.7.4.- Inhibidores
Son sustancias que disminuyen o anulan la actividad enzimática. El
inhibidor puede ser un ión, una molécula orgánica o incluso el producto final de la
reacción. En este último caso, en el que la enzima se inhibe cuando ya no es necesario
obtener más cantidad de producto y la señal para ello es el propio producto, se habla de
inhición feed-back o retroinhibición.
La inhibición puede se irreversible o reversible.
a) Irreversible: tiene lugar cuando el inhibidor se une covalentemente al centro
activo del enzima, alterando su estructura y por lo tanto su actividad biológica. Muchos
son venenos como el DFP o “gas nervioso” es un compuesto organofosforado que
inhibe la acetil colinesterasa , fundamental en el proceso de transmisión del impulso
nervioso a los músculos... El cianuro, que inhibe la enzima citocromo-oxidasa (crestas
mitocondriales), por lo que se paraliza el catabolismo aerobio. Insecticidas
organofosforados, inactivan enzimas que intervienen en la transmisión del impulso
nervioso. Metales pesados como el Pb, Hg,… Otros antibióticos como la penicilina: (-)
enzimas de la síntesis de la pared bacteriana
b) Reversible: El inhibidor se une mediante enlaces no covalentes de
manera que una vez que el inhibidor deja de actuar la enzima recupera su
actividad. Hay dos clases:
b.1.-Inhibición competitiva: el inhibidor (análogo metabólico) es
semejante al sustrato, por lo que ambos compiten por unirse al centro activo del
enzima. Se forman complejos EI (inactivos) y ES (activos). El grado de
inhibición depende de la concentración de sustrato. En consecuencia, los
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inhibidores competitivos aumentan la Km del enzima por su sustrato, sin
modificar la V máx. de la reacción.
b.2.- Inhibición no competitiva: el inhibidor se une al enzima en un lugar
diferente al centro activo, modificando la estructura de la enzima lo que dificulta
la unión del sustrato a la misma. En ocasiones, el inhibidor se une al complejo
enzima-sustrato, una vez creado éste, e impide la posterior formación del
producto. Se forman complejos ES (activos), EI y ESI (inactivos). El grado de
inhibición depende de la concentración del inhibidor, sin importar la
concentración de sustrato, pues no se llega a alcanzar la velocidad máxima. Los
inhibidores no competitivos no afectan al valor de la Km del enzima aunque
disminuye el valor de la V máx.
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2.9.- CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS
Se conocen alrededor de unas 2000 enzimas. Para nombrarlas se emplea un
término que alude al sustrato y al tipo de reacción que cataliza, al que se añade la
terminación –asa.
La Comisión Internacional de Enzimas (IEC), a agrupado las enzimas en seis
clases.
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3.-VITAMINAS
3.1.- INTRODUCCIÓN
El término vitamina fue acuñado por el bioquímico polaco Casimires Funk en
1912, cuando obtuvo una sustancia, a partir de la cascarilla de arroz, cuya deficiencia
provocaba una enfermedad conocida como beriberi. Llamó a esta sustancia vitamina
que significa “amina indispensable para la vida”, ya que al aislarla e identificarla
observó que tenía grupos amina (hoy denominada B1 ). Este término se aplicó después a
otros compuestos esenciales para el ser humano, aunque la mayoría de las vitaminas no
contienen grupos amina.
Las vitaminas son moléculas de diferente naturaleza, imprescindibles para el
correcto funcionamiento orgánico. Son biocatalizadores y muchas de ellas actúan como
coenzimas. No se sintetizan en el cuerpo humano y deben ser incorporadas en la dieta
como tales (vegetales), o como sustancias transformables en vitaminas (provitaminas).
Se alteran fácilmente bien, por el calor, el pH e incluso el oxígeno y la luz pueden
provocar su destrucción.
Se necesitan en pequeñas cantidades ya que se regeneran después de la reacción.
Su carencia extrema origina avitaminosis. El exceso de vitaminas causa
hipervitaminosis y la deficiencia, hipovitaminosis.
Las vitaminas se nombran utilizando letras mayúsculas, en ocasiones con un
subíndice (A, B 2 ,…), o bien con un término que alude a la enfermedad que provoca su
hipovitaminosis (antirraquítica,…), o por su nombre químico (ácido ascórbico,…)
Las vitaminas se clasifican en:
v Liposolubles: insolubles en agua y solubles en lípidos. Participan en procesos
como la visión, absorción de calcio y fósfor,… Una ingestión excesiva de este
tipo de vitaminas puede provocar su acumulación en los órganos grasos del
cuerpo y causar trastornos por hipervitaminosis.
v Hidrosolubles: son solubles en agua, no se acumulan ya que el exceso se
elimina rápidamente por la orina. Sin embargo, al no almacenarse, es más fácil
que se produzca un déficit de este tipo de vitaminas. Son coenzimas o forman
parte de coenzimas que participan en reacciones del metabolismo.
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