ENZIMAS BIO-INFORMÁTICA Rafael Márquez Caballero Índice Introducción Historia Enzimas Clasificación Dogma central de la biología molecular Enzimas de restricción Aplicaciones biotecnológicas Introducción Las interrelaciones moleculares originan los procesos vitales. La complejidad de estas interrelaciones moleculares es enorme, y precisa de unos sistemas de control y regulación que permitan el correcto funcionamiento del organismo. El control de estas reacciones químicas, también denominadas metabólicas, que tienen lugar entre los componentes moleculares de un ser vivo requiere la presencia de unos catalizadores, sin los cuáles no serían posibles. Estos catalizadores son las enzimas. Historia En el siglo XIX, Louis Pasteur descubrió una fuerza vital a la que llamó fermentos. En 1878, Wilhelm Kühne acuño el término enzima. En 1897, Eduard Buchner concluyó que la enzimas actuaban inclusive aunque no hubiera elementos vivos en las células. J. H. Northrop y W. M. Stanley, demostraron que las proteínas puras podían ser enzimas. Enzimas Las enzimas son sustancias de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sea termodinámicamente posible. Todas las enzimas son proteínas, sin embargo, pueden estar formadas únicamente por cadenas polipeptídicas o contener, además, otro grupo no proteico. En este último caso, la parte proteica recibe el nombre de apoenzima, mientras que la parte no proteica se denomina grupo prostético o cofactor. La estructura de una enzima es similar a la de una proteína y se describe en cuatro niveles diferentes: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria. Enzimas REACCIONES ENZIMÁTICAS: Las moléculas sobre las que actúa la enzima en el comienzo del proceso son llamadas sustratos, y las convierte en moléculas diferentes, los productos. Se realizan en tres etapas: 1) Se forma el complejo enzima-sustrato: E+S<->ES 2) Se lleva a cabo la reacción: ES<->EP 3) Se libera el producto y la enzima: EP<->E+P Las enzimas catalizan alrededor de 4000 reacciones bioquímicas distintas. Enzimas CARACTERÍSTICAS: Las enzimas poseen las mismas propiedades que las proteínas: se desnaturalizan al ser sometidas a cambios de pH, a variaciones de temperatura y a elevadas concentraciones salinas y presentan un alto grado de especificidad, tanto en la selección de los sustratos como en la reacción que catalizan sobre ellos. Enzimas CINÉTICA ENZIMÁTICA: Al aumentar la concentración de sustrato, aumenta también la velocidad de la reacción. Los mecanismos de regulación empleados en el organismo son la activación y la inhibición. En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten dedujeron una ecuación que también lleva su nombre que permite calcular la velocidad de una reacción enzimática para cualquier concentración de sustrato, utilizando el valor de KM y de la velocidad máxima: v vmáx S K M S Clasificación Se conocen alrededor de 2000 enzimas. Existen varias formas de nombrar a una enzima: nombres sistemáticos o el código de la Comisión Internacional de Enzimas (IEC). Según el tipo de reacción que catalizan, las enzimas se clasifican en seis clases: 1) 2) 3) 4) 5) 6) Oxidorreductasas Transferasas Hidrolasas Liasas Isómerasas Ligasas Dogma central de la biología molecular Fue enunciado por Francis Crick en 1970 Fue modificado posteriormente por el descubrimiento de la transcripción inversa por parte de H. Temin en 1975 Dogma central de la biología molecular MECANISMOS DE REPLICACIÓN Y FORMACIÓN DEL ADN: Helicasa y topoisomerasas, separan y desespiralizan dos hebras de ADN Polimerasa III, realiza la síntesis de las complementarias sobre cada una de las originales Primasa, sintetiza ARN complementario del ADN las hebras MECANISMOS DE CORRECCIÓN DE ERRORES: Endonucleasas, que detectan errores y cortan la cadena anómala Exonucleasas, que eliminan el fragmento incorrecto ADN Polimerasas, que sintetizan la parte correspondiente al segmento eliminado. ADN Ligasas, que unen el nuevo segmento al resto de la cadena. Dogma central de la biología molecular TRANSCRIPCIÓN: ARN polimerasa ADN dependiente, produce la síntesis de ADN TRADUCCIÓN: Aminoacil-ARNt sintetasas, activa los aminoácidos uniéndolos a una molécula específica de ARNt Peptidil transferasa, une los aminoácidos para formar el enlace peptídico TRANSCRIPCIÓN INVERSA: Transcriptasa inversa, obtiene complementario a partir de ARN mensajero ADN Enzimas de restricción El Premio Nobel de Medicina de 1978 fue concedido a los Microbiólogos Werner Arber, Daniel Nathans y Hamilton Smith por el descubrimiento de las endonucleasas de restricción, conduciendo al desarrollo de la tecnología de ADN recombinante. El primer uso práctico fue la manipulación de la bacteria E. coli para producir insulina humana para los diabéticos. Las enzimas de restricción son unas enzimas bacterianas cuya finalidad es destruir el ADN procedente de bacteriófagos, y que tienen la propiedad de cortar el ADN sólo en ciertas secuencias de nucleótidos (palindrómicas). Existen 3 tipos de enzimas de restricción y se asigna un nombre a cada una de ellas según el origen bacteriano del que provengan. Enzimas de restricción Las enzimas de restricción cortan las dos cadenas del ADN en lugares específicos, llamados sitios o diana de restricción. Algunas endonucleasas cortan las cadenas en el mismo lugar, originando extremos romos. Otras cortan las dos cadenas en lugares diferentes, originando extremos cohesivos o “pegajosos”. Las enzimas de restricción que tienen la misma secuencia de reconocimiento y dejan el mismo extremo cohesivo, pero no cortan en el mismo sitio, son llamadas Isoesquizómeros. Los fragmentos originados al cortar una molécula de ADN se separan mediante electroforesis en gel, y se unen mediante la enzima ADN ligasa a otra molécula de ADN transportadora, llamada vector. Se llama ADN recombinante, a las moléculas de ADN que resultan de la unión del gen escogido y el vector. Aplicaciones Biotecnológicas INFORMÁTICA->BIOLOGÍA: Recopilación, archivo, organización e interpretación de datos biológicos Campos: Identificación de genes, modelos de evolución molecular, estudio de interacciones proteína-proteína, etc. Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la síntesis de antibióticos. Además, algunos productos para hogares usan enzimas para acelerar las reacciones bioquímicas. Por otra parte, uno de los campos en los que el uso de Enzimas de Restricción ha tenido mayor implicancia ha sido el diagnóstico de enfermedades genéticas relacionadas a cambios en la secuencia del ADN, ya sean mutaciones puntuales, inserciones o delecciones de trozos. Aplicaciones Biotecnológicas BIOLOGÍA->INFORMÁTICA: La computación de ADN es una tecnología naciente que busca capitalizar la enorme capacidad informacional del ADN, molécula que es capaz de realizar operaciones similares a las de las computadoras utilizando enzimas, catalizadores biológicos que actúan como software para ejecutar operaciones deseadas. El uso de computadoras de ADN se apoya en el hecho de que las moléculas de ADN pueden almacenar más información que cualquier chip de computadora convencional. Se ha estimado que un gramo de ADN secado puede contener tanta información como un billón de CD’s. Preguntas y Comentarios
