LEOQ Clase III Enzimas Son catalizadores biológicos de naturaleza

LEOQ Clase III Enzimas Son catalizadores biológicos de naturaleza

Son catalizadores biológicos de naturaleza proteica,
ver figura 1, 2 y 3.
reacciones catalizadas por enzimas tienen lugar con
velocidades de 1.000 a 1´000.000 de veces más
rápidas que si no esta catalizada la reacción por la
enzima. Se calcula que la ruptura de las proteínas
en el proceso digestivo tardaría más de 50 años, en
lugar de pocas horas sin la acción enzimática.
¿Cómo se realizan todas las actividades celulares?
Pueden ser:
Mediante las enzimas, sustancias presentes en las
células en cantidades muy bajas y capaces de
efectuar cambios propios de los procesos celulares.
Responsables de todas las reacciones químicas de
la célula.
-Enzimas extracelulares o exoenzimas (funcionan
fuera de la célula)
-Enzimas intracelulares o endoenzimas (funcionan
dentro de la célula)
Clase III
Enzimas
Propiedades Físicas y Químicas de los enzimas
Son proteínas (secuencias de aminoácidos) que
pueden tener unidos otros grupos químicos, se
desnaturalizan con calor al igual que las proteínas,
se precipitan en presencia de etanol o de aumento
en la concentración de sales inorgánicas como
sulfato amónico, no se difunden a través de
membranas semipermeables o selectivas, ver figura
2 y 3.
Figura 1. Transcripción, transducción y síntesis de
proteínas (1).
El comercio de enzimas para uso industrial y
doméstico asciende a centeneres de millones de
dolares anualmente. Los enzimas industriales se
utilizan en la producción de productos químicos y
farmacéuticos. Recientemente su aplicación de
enzimas inmovilizadas esta creciendo.
Figura 2. Naturaleza de los enzimas (1).
Propiedades generales de los enzimas
a)
Tienen la especial capacidad de acelerar las
reacciones
químicas,
sin
alterarse
como
consecuencia de la reacción, son específicos y solo
actúan en un determinado tipo de reacción. Como
todos los catalizadores funcionan en una
concentración molar mucho menor que la del
reactivo sobre el cual funciona. Un mol de enzima
facilita la conversión de muchos moles de reactivo
en
producto.
Una
molécula
enzimática
generalmente cataliza la conversión de 10 a 1.000
moléculas de sustrato/s. Con frecuencia estas
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c)
b)
Figura 3. a) Estructura secundaria b) Estructura
terciaria c)Estructura cuaternaria o funcional.
1
Son moléculas muy grandes, su peso molecular
oscila entre 10.000 y 1´000.000. Muchas están
integradas a otra molécula orgánica de menor
tamaño llamada coenzima, algunas coenzimas
están integradas por una vitamina ejemplo las del
grupo B, la parte proteíca se denomina apoenzima ,
unidas forman una haloenzima. A veces el grupo no
proteico de un enzima es un metal, ejemplo el hierro
de la catalasa, requiere de su adición para que se
active. Estos iones constituyen coenzimas
inorgánicas o cofactores. A veces se requiere de un
cofactor y una coenzima para que actué un enzima.
Se han extraído de la célula un buen número, son
de eficiencia extrema al acelerar la transformación
del sustrato en producto final, ver figuras 2,3,4 y 5.
Figura 5. Catálisis (1)
Figura 3. Sustrato entrando en la enzima (1).
Figura 6. Formación del producto (1).
1.000 moléculas de sustrato / s pueden
transformarse por la acción de una molécula de
enzima.
Actividad molecular: número de moléculas de
sustrato transformadas por molécula de enzima por
minuto.
Unidad de enzima: Cantidad de enzima g, mg, µg,
capaz de catalizar la transformación de una
cantidad de sustrato por minuto, a unas condiciones
dadas de temperatura, pH, fuerza iónica.
Katal: cantidad de enzima capaz de convertir una
mol de sustrato en un segundo a unas condiciones
dadas.
No se gastan ni se alteran como consecuencia de la
reacción, ver figura 6. Son inestables su actividad
puede reducirse o desaparecer, dependiendo de
Figura 4. Complejo enzima-sustrato (1).
LEOQ
2
diferentes condiciones físico-químicas, algunas se
inactivan por pequeños cambios como la exposición
a temperatura ambiente por corto tiempo.
Características
1. Su alta eficiencia como catalizadores
2. Su alto grado de especificidad al sustrato,
un enzima determinado solo puede
reaccionar con determinado sustrato o si
acaso con un grupo de sustancias muy
relacionadas químicamente.
Como los enzimas aceleran las reacciones
La función principal de una enzima es rebajar el
nivel de energía de activación necesario para que
tenga lugar una reacción química. La energía de
activación es la cantidad de energía necesaria para
inducir en una sustancia un estado de reactividad.
El enzima se combina con la sustancia (S)
induciéndole una situación transitoria que requiere
una menor energía de activación, para que tenga
lugar la reacción, ver figura 7.
Figura 7.
Como puede verse una reacción
catalizada por un enzima tiene una energía de
activación más baja y por tanto se necesita menos
energía para que tenga lugar (2).
Los estudios sistemáticos del efecto de la
concentración inicial del sustrato sobre la actividad
enzimática comenzaron a realizarse a finales del
siglo XIX. Ya en 1882 se introdujo el concepto del
complejo enzima-sustrato como intermediario del
proceso de catálisis enzimática. En 1913, Leonor
Michaelis (foto de la izquierda) y Maud Menten
(foto de la derecha) desarrollaron esta teoría y
propusieron una ecuación de velocidad que explica
el comportamiento cinético de los enzimas. Para
explicar la relación observada entre la velocidad
inicial (v0) y la concentración inicial de sustrato ([S]0)
Michaelis y Menten propusieron que las reacciones
catalizadas enzimáticamente ocurren en dos
etapas: En la primera etapa se forma el complejo
enzima-sustrato y en la segunda, el complejo
enzima-sustrato da lugar a la formación del
producto, liberando el enzima libre:
Ley de rapidez para una reacción simple
catalizada por un enzima.
Considérese una reacción con un reactivo, el
sustrato S, y un producto, P.
S
P
(1)
Si es catalizada por un enzima los sustratos y
productos así como su concentración permanecen
iguales. Lo que significa que la enzima acelera la
reacción en dos sentidos
E
S
P
(2)
Es por su unión con el sustrato que la enzima
efectúa la conversión a producto, y esto puede
expresarse como dos equilibrios
K1
K3
K2
K4
→
E + S ←→
 ES ← E + P
(3)
Las mediciones cinéticas más comunes de las
reacciones catalizadas por enzimas son las de
incremento uniforme en la concentración del
producto que ocurre en una solución diluida de la
enzima, a la cual se ha añadido un exceso de
sustrato. Inmediatamente después de que E y S se
mezclan , el producto comienza a formarse a una
LEOQ
3
rapidez constante. Este incremento constante en la
concentración del producto, d[P]/dt, se designa
como v0, la “velocidad inicial en estado estacionario”
. Se considera que v0 es una velocidad inicial
porque solo se consume una proporción muy
pequeña del sustrato mientras se están haciendo
las mediciones, la [S] prácticamente es constante y
la v0 que se mide corresponde al valor inicial de la
[S].
Si se evalúa ES en términos de E0, [S] y las
constantes cinéticas, la ecuación (6)
dará el
resultado esperado por Briggs y Haldane.
La concentración de producto [P], será muy
pequeña en las condiciones antes descritas. De
esta manera puede pasarse por alto la reacción
inversa de E con P para formar ES, luego la
ecuación (3) se convierte en:
K1
K3
→
E + S ←→
E+P
 ES
(4)
K2
En ambas ecuaciones (3) y (4) esta implícita la
recirculación de E. por definición un catalizador no
es consumido por la reacción que cataliza,
explícitamente se representa en la ecuación (5)
E+S
K1
→
←

K
ES
3
K→
2
E+P
Figura 8 Modelo cinético de estado estacionario (3)
Un valor constante para [ES] requiere que las
velocidades de formación y degradación de ES
sean iguales. La velocidad de formación de ES esta
dada por k1[E][S]. Puesto que ES puede perderse
en dos reacciones, desdoblándose en E+S ó E+P,
la velocidad de degradación de ES está dada por la
expresión
k [ES ]+ k [ES ]. Al igualar las
(5)
2
3
habrá una fase de inducción con una duración de
una fracción de segundo antes de que se alcance la
v0 en estado estacionario. Por lo general se ignora
en la cinética de estado estacionario.
velocidades de formación y degradación se tiene
que:
La concentración total de E se define como E0,
antes de que se añada el S E0=[E], una vez se ha
añadido E0=[E] + [ES]. [ES] durante la breve fase
de inducción aumenta hasta alcanzar su valor de
estado estacionario y permanece constante,
durante esta etapa de la reacción, cuando v0 se
mide y es constante. Briggs y Haldane utilizaron la
condición de estado estacionario de [ES] constante
y la condición de concentración inicial de [S]
constante para formular ecuaciones que relacionan
con
las
constantes
cinéticas
y las
v0
concentraciones de enzima y de sustrato.
Despejando las variables de las constantes y
combinando estas últimas se tiene que:
Debido a que el P solo puede formarse por
desdoblamiento de ES, gobernado por la constante
de velocidad K3, puede concluirse que la velocidad
en las condiciones de velocidad inicial es:
Este modelo cinético adopta la hipótesis del
estado
estacionario,
según
la
cual
la
concentración del complejo enzima-sustrato es
pequeña y constante a lo largo de la reacción
(Figura 8)
V
LEOQ
0
= k 3 [ES ]
k [E ][S ] = (k + k )[ES ]
1
2
3
[E ][S ] = k 2 + k 3 =
km
[ES ]
k1
(7)
Donde km se designa como la constante de
Michaelis, en honor a quién desarrollo las primeras
formas de la ecuación simple de cinética
enzimática.
(6)
4
máxima se alcanzará cuando esencialmente toda la
enzima este es forma es decir, cuando
ES ≅ E0. Cuando la [S]=Km en la ecuación (10) el
denominador de la ecuación será 2[S] y el
numerador [S]Vmáx. Esto significa que la V0 será
igual a 1/2Vmáx. cuando [S]=km.
En esta situación [ES]=0.5E0, como lo índica la
ecuación (8). En la figura 5 se muestra la hipérbola
rectangular característica que se obtiene al graficar
la ecuación (10).
Figura 9 Maud Menten, Leonor Michahelis
Conforme [S] aumenta hasta varias veces el valor
de Km, se aproxima a un valor de saturación, el cual
es indicado por V0 que se aproxima a Vmáx. Dicha
concentración de sustrato 20 ó 100 veces Km, se
dice que es la concentración de saturación del
sustrato debido a que virtualmente toda la enzima
debe estar en la forma [ES]. En la velocidad de la
reacción no es posible obtener ningún incremento
adicional debido a que la concentración de E libre
en estado estacionario, [E], es bastante pequeña.
Dado que en la ecuación (6) aparece [ES] y no [E],
se sustituye E0 - [ES] por E en la ecuación (7) para
obtener
(E − [ES ])[S ] =
k
0
[ES ]
m
A las concentraciones de saturación del sustrato, la
ecuación (6) se convierte en:
Resolviendo la ecuación para [ES] se tiene que:
[S ]
[ES ] = E 0
[S ]+ k m
V
(8)
k (E [S ])
[S ] + k
3
0
(9)
m
Esta ecuación es una forma del resultado de Briggs
y Haldane.
Km, definida por la ecuación (7) para una reacción
de un solo sustrato, es una relación de constantes
de velocidad. Para la gran mayoría de enzimas que
carecen de números de recambio muy grandes, K3
será más pequeño que K1 y K2. En esta condición
Km será aproximadamente igual a Ks=K2/K1. De esta
forma valores muy pequeños de Ks índican una
gran afinidad de la enzima por el sustrato, es decir
la formación del complejo [ES] se ve
termodinámicamente favorecida. Los valores típicos
-2
-7
de Km están dentro de los límites de 10 a 10 M, la
velocidad
de
la
reacción
catalizada
enzimáticamente será, en efecto, muy pequeña,
como se índica en la figura 5, y será casi
proporcional al concentración de sustrato [S]. Se
espera
que
una
reacción
catalizada
enzimáticamente sea de primer orden en cuanto a
concentración de sustrato a una baja [S], pero de
Las reacciones catalizadas enzimáticamente
presentan cinética de saturación
En algunos experimentos, puede no conocerse la
concentración de enzima E0, por lo que es
conveniente sustituir el producto k3E0 por Vmáx,
velocidad máxima.
[S ]
V =V
[S ]+ k
máx
0
(10)
m
La justificación de esta versión modificada de la
ecuación de Briggs y Haldane es que la velocidad
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= k 3 E 0 ≡ V máx (11)
De esta forma K3 es el cociente de Vmáx/E0, el cual
es el número de moles de sustrato que se
convierten en producto por unidad de tiempo
dividido entre el número de moles de enzima. Este
es el número de recambio para una reacción de un
solo sustrato y un solo producto, generalmente esta
4
dentro del intervalo de 1 x 10 por segundo.
Sustituyendo en (6)
V0=
0
5
orden cero en el caso de una gran [S], como se
indica en la figura 10.
Figura 10. Gráfica de las velocidades iniciales en
estado estacionario de una serie de reacciones
catalizadas por la misma concentración de enzimas,
variando la concentración del sustrato [S], para
cada reacción. La velocidad de reacción se
aproxima a Vmáx cuando los valores de [S] son muy
grandes (3).
Figura 11. Gráfica de Lineweaver y Burk. Todos los
puntos de los datos corresponderán por supuesto a
valores positivos de 1/v y 1/[S] pero con frecuencia,
la línea se extrapola a valores negativos de 1/[S]
para dar una estimación de Km (4).
Experimentalmente, la Km puede estimarse
utilizando una gráfica de V0 contra [S], como en la
figura 10, estimando un valor de Vmáx y encontrando
después el valor de [S] que corresponde a una v
igual a 1/2Vmáx. para una reacción simple catalizada
por enzimas, Km es este valor de [S]. Sin embargo
Vmáx es un valor asintótico y, por tanto, difícil de
estimar con exactitud. La gráfica de Lineaweaver y
Burk es uno de los varios tipos de análisis que
pueden hacerse para estimar Km y Vmáx. En estos
análisis se utilizan todos los datos de v contra [S],
en lugar de aquellos puntos que están próximos a a
Vmáx y Km. Esta gráfica se basa en la ecuación (10)
que se ha modificado utilizando el recíproco de
ambos lados de la ecuación. El resultado es:
En la mayoría de los análisis, es importante utilizar
valores de [S] que sean significativamente tanto
mayores como menores que Km. Además se debe
tener en cuenta que los valores de Km y Vmáx
derivados de las gráficas de Lineweaver y Burk y
otros análisis serán incorrectos a menos que las
condiciones y el método experimental correspondan
con la teoría que fundamenta el análisis. Por
ejemplo las velocidades iniciales deben ser
velocidades iniciales reales, no debe haber algún
inhibidor a una concentración que cause algún
efecto, etc.
Nomenclatura y Clasificación de los enzimas
 1 
1
1
= km   +
V V máx  [S ] V máx
La nomenclatura enzimática se ha establecido
mediante acuerdo internacional bajo los auspicios
de la Comisión de Enzimas de la Unión
Internacional de Bioquímica. El sufijo asa identifica
a una enzima y se debe utilizar para enzimas
únicos. Para complejos enzimáticos en base a sus
reacciones se utiliza la palabra sistema, por ejemplo
el sistema succinato oxidasa, oxida ácido succínico
por el oxígeno en varios pasos catalizados por
enzimas concretos.
que tiene la forma de una ecuación lineal simple,
y=mx + b, donde m=Km/Vmáx y b= 1/ Vmáx. En la
figura 11 se muestra una gráfica de Lineweaver y
Burk, 1/v contra 1/[S]. Un inconveniente es que los
puntos para valores pequeños de [S] tienden a
influir más marcadamente en los resultados
obtenidos.
LEOQ
6
La base de la clasificación y nomenclatura esta en
el tipo de reacción química que catalizan. De
acuerdo con la clasificación Internacional, los
enzimas se agrupan en seis clases principales, ver
tabla 1.
se incluso el monitoreo continuo de algunos
compuestos biológicamente importantes. Se ha
desarrollado el electrodo de glucosa.
Puesto que una molécula de enzima convierte
muchas moléculas de sustrato en producto, es
posible detectar cantidades muy pequeñas del
enzima utilizando una prueba sensible para el
producto. Por lo general muchos métodos para
análisis cualitativos y cuantitativos sensibles para
sustancias biológicamente importantes depende de
agentes acoplados químicamente. El acoplamiento
químico de enzimas a matrices insolubles es la
base de procedimientos preparatorios y analíticos
de laboratorio. Con dichas enzimas inmovilizadas
puede lograrse producción a escala industrial. Ver
figura 12.
Tabla 1. Clasificación de enzimas (4)
Naturaleza
enzimática
y
mecanismos
de
la
acción
La mayor parte de las reacciones enzimáticas
pueden representarse por la siguiente ecuación
general:
E+S
Complejo ES
Figura 12. Técnicas
biocatalizadores (5)
producto P + enzima E
El enzima no se utiliza en la reacción, sino que se
libera de nuevo para reaccionar con otra molécula
de sustrato, este proceso se repite hasta que se
agotan las moléculas del sustrato. La activación de
una molécula de sustrato tiene lugar por su elevada
afinidad química para determinadas áreas de la
enzima llamados centros activos .Casi todas las
enzimas intracelulares tienen un centro activo por
molécula. La lactato deshidrogenasa tiene 4, la
quimiotripsina, enzima extracelular tiene un centro
activo.
inmovilización
de
Factores que afectan la actividad enzimática
Entre los factores que afectan la actividad de
enzimas están los siguientes:
1.
2.
3.
4.
Concentración de enzima
Concentración de sustrato
pH
Temperatura
Generalmente se puede decir que existe un óptimo
para la relación de concentraciones enzima, figura
13, y de sustrato en el cual la actividad es máxima,
figura 14. Igualmente cada enzima tiene un óptimo
de pH, figura 15 y de temperatura para su
funcionamiento, figura 16.
Usos analíticos y preparatorios de los enzimas
La especificidad de los enzimas y su capacidad
para catalizar reacciones que de otra manera serían
inmensamente
lentas,
permite
analizar
cuantitativamente sangre u otras mezclas compleja
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de
7
.
Figura 13. a) Efecto sobre la concentración de
enzima sobre la velocidad de la reacción enzimática
(4)
Figura 16. Efecto de la temperatura sobre la
actividad enzimática. A bajas temperaturas la
actividad crece al incrementarse la temperatura
hasta que se alcanza un óptimo. El posterior
incremento de la temperatura provoca un descenso
de actividad y la eventual destrucción de la enzima
(4).
La desviación de estas condiciones óptimas
conduce a una reducción significativa de la actividad
enzimática.
Cinética de reacciones que utilizan sustratos
múltiples
Figura 14. Efecto de la concentración del sustrato
sobre la actividad enzimática. Incrementos muy
grandes de sustrato no afectan a la velocidad; esta
se hace independiente de la concentración de
sustrato.
Entre todas las enzimas, las de un solo sustrato
constituyen un caso raro. Se reconocen tres
mecanismos
generales
para los sistemas
enzimáticos que emplean sustratos múltiples:
1)Mecanismo ordenado
Existe un orden preciso en el cual los sustratos se
asocian con los sitios activos de la enzima. Todos
los productos son liberados siguiendo un orden
preciso y después de reaccionar los sustratos, en la
reacción:
Se dice que este tipo de reacción tiene un
mecanismo ordenado Bi, Bi, que indica dos
sustratos,
dos
productos,
ejemplo,
la
deshidrogenasa alcohólica, los dos sustratos son
+
etanol y NAD y los dos productos son acetaldehído
y NADH.
Figura 15. Efecto del pH sobre la actividad
enzimática, la actividad máxima se da a un pH
determinado y las desviaciones de este determinan
menor actividad (4)
Deshidrogenasa alcohólica
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8
+
CH3CH2OH + NAD
Pueden ser fármacos, antibióticos, tóxinas y
antimetabolitos. Se reconocen dos grupos de
inhibidores, de acuerdo a su acción inhibitoria son
reversible e irreversible.
+
CH3CHO + NADH + H
Los sustratos siempre se desinan: A, B, C y D, los
productos como P, Q y R y las enzimas como E, F y
G.
Inhibidores Irreversibles
La inhibición irreversible implica la modificación de
uno o más grupos funcionales del enzima. Se une
en otro punto del sitio activo y evitan el
funcionamiento de la enzima. Su efecto no se
revierte al aumentar la concentración del S, [S],
comparable con los inhibidores reversibles o
competitivos, ejemplo la tosil-fenilalanil-clorometilcetona TPCK de la quimiotripsina, a muy bajas
concentraciones la inactiva, la amida o ester usual
del ácido carboxílico es sustituido por el grupo
clorometil.
2) Mecanismo aleatorio
Cuando dos sustratos A y B se añaden a una
enzima en forma aleatoria y los dos productos P y Q
se liberan de la misma forma, dicha secuencia se
libera como un mecanismo aleatorio Bi, Bi, la
reacción general sería:
Inhibidores Reversibles
Estos inhibidores solo se asocian transitoriamente a
la enzima, implica un equilibrio entre la enzima y el
inhibidor, K1, es una medida de afinidad del inhibidor
por la enzima. Se conocen tres tipos de inhibición
reversibles.
Ejemplo, la enzima glucogeno oxidasa.
3) Mecanismo ping pong
1) Inhibición competitiva
2) Inhibición no competitiva
3) Inhibición incompetitiva
Para dos sustratos y dos productos el mecanismo
se presenta como:
1)
Compuestos que pueden estar relacionados
estructuralmente con el sustrato se combinan
reversiblemente con la enzima o cerca del sitio
activo. Se forman los complejos ES y EI pero nunca
se forma el complejo EIS, altas concentraciones de
los sustratos, superarán la inhibición al hacer que la
secuencia de reacción se desplace hacia la
derecha, de acuerdo con la ecuación
En esta secuencia F representa una enzima
modificada, (es decir, una enzima X, donde X
podría ser un grupo fosforilado o carboxilado o
cualquier otro grupo funcional transitoriamente
unido a la enzima) F se combina con B y,
subsecuentemente, X es transferido a B para
formar el segundo producto Q y regenerar la forma
original de la enzima E. Un ejemplo de esta
reacción es la catalizada por la enzima acetil CoA
carboxilasa
Acetil CoA + ATP +HCO3
Malonil CoA + ADP + Pi
La Acetil CoA cataliza una reacción acoplada, es
decir, actua como mediador en la formación
energéticamente desfavorable de un enlace C-C al
acoplar la reacción a la reacción de hidrólisis,
estructuralmente
no
relacionada,
pero
energéticamente favorable del ATP y el ADP.
En la inhibición por retroalimentación, el producto de
una reacción que esta 1 o más pasos actúa como
inhibidor de la enzima, importante metabólicamente
y suele ser de tipo competitivo. En la figura 7, se
muestran las curvas cinéticas típicas observadas en
Inhibición de la actividad enzimática
LEOQ
9
este tipo de inhibición. En la tabla 2 se resumen los
parámetros de inhibición.
Un ejemplo clásico de Inhibición competitiva es el
efecto del ácido malónico sobre la succínico
deshidrogenasa, la cual oxida rápidamente el ácido
succínico en ácido fumárico. Si se agregan
cantidades crecientes de ácido malónico, que se
asemeja al succínico en estructura, la actividad de
la
succínico
deshidrogenasa
disminuye
considerablemente. A su vez esta inhibición puede
rervertirse aumentando la concentración del
sustrato ácido succínico.
2) Inhibición no competitiva: los compuestos se
unen reversiblemente con la enzima o con el
complejo enzima sustrato. las reacciones son:
Tabla 2. Parámetros cinéticos de los inhibidores (4).
Figura 17. Efectos de un inhibidor competitivo
sobre la velocidad de reacción como función de la
concentración de sustrato. Nótese el valor sin
cambios de Vmáx y el valor incrementado de Km que
son característicos de la inhibición competitiva y que
se observan tanto en la gráfica directa (a) como en
la gráfica de Lineweaver y Burk (b) (4).
LEOQ
Figura 18. Efectos de un inhibidor no competitivo
sobre la velocidad de la reacción como una función
de la concentración de sustrato. Nótese el valor
10
disminuido de Vmáx y el valor sin cambios de Km, los
cuales son característicos de la inhibición no
competitiva y que se observan tanto en la gráfica
directa (a) como en la gráfica de Lineweaver y Burk
(b) (4).
Por tanto difiere de la competitiva en que el inhibidor
puede combinarse con ES y S con EI, en ambos
casos para formar el complejo EIS. Dado que el
sitio de unión del inhibidor no es idéntico al sitio
activo, ni modifica a este directamente, la Km no se
altera, en la tabla 2 se observa la ecuación que
define la inhibición no competitiva, y la figura 18,
muestra los gráficas directa y reciproca para este
tipo de inhibición enzimática. Las ecuaciones que
predicen estos resultados aparecen en la tabla 2.
Enzimas constitutivos: producidos por las células en
todo momento.
3) Inhibición Incompetitiva: Los compuestos que se
combinan reversiblemente solo con el complejo ES,
pero no con la enzima libre.
Figura 19. Efectos de un inhibidor incompetitivo
sobre la velocidad de la reacción como una función
de la concentración de sustrato. Notese la
disminución del Km aparente que da Km’ (llamada
también S0.5. La Vmáx también ha disminuido. Estoa
resultados pueden observarse tanto en la gráfica
directa (a) como en la gráfica de Lineweaver y Burk
(b) (4).
No es superado por altas concentraciones de
sustrato, la Km’, en presencia del inhibidor es
consistentemente más pequeña que el valor de Km
de la reacción no inhibida. Esto implica que S se
une más firmemente a la enzima en presencia del
inhibidor. La figura 19, muestra los gráficas directa
y reciproca para este tipo de inhibición enzimática.
Las ecuaciones que predicen estos resultados
aparecen en la tabla 2.
Enzimas Inducibles: Se producen en la célula
únicamente como respuesta a la presencia de un
determinado sustrato, es decir, cuando se
necesitan, este proceso se llama inducción
enzimática y el sustrato recibe el nombre de
inductor. La β-galactosidasa es un ejemplo de
enzima inducible; su inductor es el azúcar lactosa.
Factores que afectan la formación de enzimas
El contenido enzimático de las células de los tejidos
es relativamente constante. Sin embargo, la célula
bacteriana está expuesta a un ambiente en continuo
cambio. Por ejemplo E. coli puede crecer a un pH
ácido o alcalino (4.5-9.5), a temperatura ambiente o
por encima de la temperatura corporal, aeróbica o
anaerobicamente. Las células de E coli que han
crecido en condiciones que corresponden a uno u
otro extremo, no contienen las mismas cantidades
de enzimas. Por lo que respecta a la influencia del
sustrato específico en la formación de enzimas, se
pueden establecer dos grupos:
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Determinación de la actividad enzimática
Puede medirse por diversas técnicas. Algunos
procedimientos requieren instrumentos especiales,
mientras que otros un tubo de ensayo y reactivos.
Se debe conocer lo siguiente:
1. Naturaleza de la reacción que cataliza
2. Cofactores y coenzimas requeridos
11
3. Concentraciones necesarias de sustrato y
de cofactor o coenzima
4. pH óptimo
5. Temperatura óptima
6. Un procedimiento analítico sencillo para
medir desaparición de sustrato o aparición
de productos de la reacción.
Propiedades de fijación de enzimas
regulatorios: los enzimas regulatorios estan
sujetos a la acción del metabolito regulador
que puede ser activador o inhibidor.
Disminuye
la
actividad
enzimática,
disminuye la afinidad de la enzima por el
sustrato que se fija a un sitio diferente del
sitio catalítico, estos enzimas tienen dos o
más sitios de reconocimiento, se les llama
enzimas alostéricos ya que donde actúa el
efector es diferente del sitio catalítico por
tanto el sitio alostérico regula la actividad
enzimática.
La concentración del sustrato ha de estar por
encima del nivel de saturación al objeto de que la
velocidad inicial de la reacción sea proporcional
únicamente a la concentración de enzima. Los
cofactores y coenzimas deben añadirse en exceso.
Todo esto asegura que el verdadero factor limitante
sea la concentración de enzima (a su pH
temperatura óptimos). Generalmente es más exacto
medir formación de producto de reacción que
desaparición de sustrato.
Cuando la célula se adapta a un ambiente diferente
los mecanismos de inducción y represión entran en
juego.
2) Control genético de inducción y represión
enzimática: Se lleva a cabo por la inducción y la
represión de la síntesis de enzimas. Cuando se
requiere una sustancia inductora el proceso recibe
el nombre de inducción. Cuando otras sustancias
actúan como correpresores el fenómeno recibe el
nombre de represión. Los correpresores se unen a
el represor, formamdo un complejo activo capaz de
actuar sobre el gen operador y bloquear la síntesis
del RNAm o unirse al inductor y formar un complejo
inactivo incapaz de unirse al gen operador y se lleva
a cabo la síntesis de RNAm. La secuencia de
aminoácidos la determinan los genes estructurales
y la velocidad de síntesis de los genes reguladores.
Jacob-Monod, denominaron operon a un grupo de
genes consecutivos, que forman una unidad
operacional. Cuando se añaden inductores como la
lactosa, se produce un incremento en la velocidad
de síntesis de la β-galactosidasa (hidroliza la
lactosa a glucosa y galactosa), la β-galactósido
permeasa (transporta la lactosa al interior de la
célula) y la tiogalactósido transacetilasa (de función
fisiológica desconocida), los genes se designan
como z, y y a respectivamente. La velocidad de
síntesis esta regulada por los genes reguladores,
que se denominan i, p y o, tal como muestra la
figura 20, i es el gen represor, p el gen promotor y o
el gen operador. En el gen promotor p, donde se fija
la RNA polimerasa, que cataliza la síntesis de
RNAm.
Naturaleza y mecanismos de la regulación
enzimática
La actividad enzimática se puede regular de dos
maneras: 1) control directo de la acción catalítica,
puede realizarse sobre el mecanismo catalítico
como tal, o bien a través de su acoplamiento con
otros procesos y 2) control genético, incluye los
procesos de inducción y represión enzimática.
1) Control directo de la acción catalítica: Se ejerce
por alteración de las concentraciones de sustrato o
de sustancias que reaccionan, por ejemplo al
aumentar un sustrato aumenta la velocidad hasta
alcanzar un valor límite.
Control directo por acoplamiento con otros
procesos: Implica la regulación por ligandos
(moléculas capaces de fijarse a la enzima)
Retroinhibición: El ligando que ejerce la
regulación es el producto final de una ruta
metabólica, puede bloquear su propia
síntesis inhibiendo la actividad de los
primeros o de enzimas que actúan en dicha
ruta.
Activación por precursores: El ligando
regulatorio es el precursor del primer
metabolito de una ruta, activa o estimula la
actividad del último enzima de la secuencia
de reacción.
El control negativo lo ejerce el represor lac, en union
del correpresor, forma un complejo represorcorrepresor (puede ser glucosa o galactosa), el cual
se fija al gen o y bloquea la transcripción. Los
inductores estimulan la síntesis de RNAm lac,
fijándose al represor y disminuyendo la afinidad
para el operador. Tanto la represión como la
Control dependiente de energía: Los
adenilatos son los ligandos de reacción
dependientes de energía, ATP, ADP y AMP.
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inducción representan sistemas de control negativo,
ya que la síntesis de enzima solo puede tener lugar
cuando el represor se separa del operador. Se dice
que tiene lugar un control positivo de la síntesis de
enzima cuando se requiere una asociación entre
una proteína y una parte de la región regulatoria de
un operón, para la expresión de genes estructurales
asociados.
Figura 20. Operon lac (1)
Bibliografía
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