Generalidades de las enzimas

Oscar Gabriel Niño Amézquita zauberer_co@yahoo.com.ar

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Características de las enzimas

Dentro de las propiedades de las enzimas podemos mencionar varias, que dependen de su estructura básicamente. Con esto podemos enumerar:

Especificidad: Las enzimas son sistemas altamente específicos. Dentro de estas propiedades de especificidad cabe mencionar[1]:

1. Estereoisómeros: Los compuestos enzimáticos pueden reconocer estereoisómeros. Es así como, por ejemplo, sus aptitudes para degradar carbohidratos se dan en los de tipo D, mientras que los de tipo L no son modificados. Esto se debe a que las enzimas requieren generalmente de tres o mas sitios de unión entre el sustrato y la enzima misma, por lo que la orientación espacial se requiere en este sistema.

2. Isómeros Cis y trans: Dadas las mismas características mencionadas anteriormente, los isómeros de alguno de estos tipos son atacadas por una enzima, mas el otro queda inmodificado.

Esta especificidad puede darse en mayor o menor medida, dependiendo del numero de puntos de sustrato que se unan a la enzima. Existen enzimas con menor especificidad, que pueden simplemente romper enlaces tipo alcohólico, estérico, etc.

Peso Molecular [2]: Las moléculas cargadas presentes en una solución acuosa sometida a un campo eléctrico son atraídas hacia el polo opuesto a su carga neta, un proceso conocido como electroforesis. Dos fuerzas de acción opuesta determinan la velocidad de la partícula en cuestión.

Por un lado, la fuerza eléctrica, que la atrae al electrodo, cuya intensidad es directamente proporcional a la carga, y, de acuerdo a la segunda ley de Newton (F=m x a, entonces a=F/m), le impone una aceleración directamente proporcional al cociente carga/masa (q/m).

Por otro lado, la fuerza de rozamiento, que se opone a la migración con una intensidad que depende del tamaño y la forma de la partícula y de las características del medio. La electroforesis se utiliza en el laboratorio para separar macromoléculas en solución.

Para lograr una separación eficiente, se utiliza un medio soporte que aumente considerablemente la fricción recibida por las macromoléculas y reduzca la difusión a un mínimo.

Este medio suele ser una red molecular de algún polímero orgánico. Los más utilizados en el laboratorio de biología molecular son de poliacrilamida y agarosa. El tamaño de una muestra incógnita puede estimarse corriendo en paralelo muestras de longitud conocida.

 En el caso de las proteínas el problema es complejo porque no sólo distintas moléculas de igual peso molecular tienen formas distintas sino que además la carga varía mucho de una a otra.

Para igualar el q/m y la forma de todas ellas se utiliza un detergente cargado negativamente, el dodecil sulfato de sodio (SDS), que las desnaturaliza y las recubre en cantidad proporcional al tamaño, proveyéndoles un gran número de cargas que hacen que las propias sean despreciables y que el q/m de todas las moléculas se equipare.

Sólo en estas condiciones es posible determinar el tamaño de un polipéptido en un gel, en el que tendrá una migración inversamente proporcional al logaritmo de su peso molecular.

Punto Isoeléctrico[2]: Las proteínas generalmente tiene muchos grupos ionizables, los que tienen una variedad de pK.

Cada proteína tiene un pH característico al cual las cargas positivas se encuentran en igual cantidad a las cargas negativas, a este pH se conoce como punto isoeléctrico, pI, el cual puede ser conocido a través del isoelectroenfoque.

La solubilidad se incrementa cuando el pH se aleja del pI. Uno de los métodos para determinar esta propiedad es una modificación de la electroforesis en gel, en la cual una serie de elementos policatiónicos y polianiónicos se hacen correr a lo largo del gel, generando un gradiente de pH.

Parámetros cinéticos: La velocidad de una reacción catalizada por un enzima puede medirse con relativa facilidad, ya que en muchos casos no es necesario purificar o aislar el enzima.

La medida se realiza siempre en las condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia de cofactores, etc, y se utilizan concentraciones saturantes de sustrato. En estas condiciones, la velocidad de reacción observada es la velocidad máxima (Vmax). La velocidad puede determinarse bien midiendo la aparición de los productos o la desaparición de los reactivos[2].

Al seguir la velocidad de aparición de producto (o de desaparición del sustrato) en función del tiempo se obtiene la llamada curva de avance de la reacción, o simplemente, la cinética de la reacción.

A medida que la reacción transcurre, la velocidad de acumulación del producto va disminuyendo porque se va consumiendo el sustrato de la reacción. Para evitar esta complicación se procede a medir la velocidad inicial de la reacción (v0).

La velocidad inicial de la reacción es igual a la pendiente de la curva de avance a tiempo cero. De esta forma, la medida de v0 se realiza antes de que se consuma el 10% del total del sustrato, de forma que pueda considerarse la [S] como esencialmente constante a lo largo del experimento.

Además, en estas condiciones no es necesario considerar la reacción inversa, ya que la cantidad de producto formada es tan pequeña que la reacción inversa apenas ocurre.

De esta forma se simplifican enormemente las ecuaciones de velocidad[4].Para estudiar la cinética enzimática se mide el efecto de la concentración inicial de sustrato sobre la velocidad inicial de la reacción, manteniendo la cantidad de enzima constante.

Si representamos v0 frente a [S]0 obtenemos una gráfica. Cuando [S]0 es pequeña, la velocidad inicial es directamente proporcional a la concentración de sustrato, y por tanto, la reacción es de primer orden. A altas [S]0, el enzima se encuentra saturada por el sustrato, y la velocidad ya no depende de [S]0. En este punto, la reacción es de orden cero y la velocidad es máxima (Vmax).

El modelo general de cinética fue planteado por Michaelis-Menten, y se da suponiendo que el sistema sustrato-enzima reacciona de la forma:

 

En el cual R es la enzima, S el sustrato, RS el complejo Enzima-sustrato y P el producto final. Para este sistema, la ecuación se define como[2]:

En donde

Los sistemas que no siguen este modelo se denominan enzimas alostéricas, y su comportamiento se debe básicamente a distintos mecanismos de regulación.

La constante de Michaelis-Menten (Km) es un parámetro cinético importante por múltiples razones[4]:

• · Km es la concentración de sustrato para la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima. En efecto, si Km = [S], la ecuación de Michaelis-Menten se reduce a: v = Vmáx/2.

• · El valor de Km da idea de la afinidad del enzima por el sustrato: A menor Km, mayor afinidad del enzima por el sustrato, y a mayor Km, menor afinidad. Este hecho tiene fácil explicación si tenemos en cuenta que Km se define como (k2+k3/k1), donde las reacciones 2 y 3 destruyen el complejo ES, mientras que la reacción 1 lo forma. Así, si Km es grande, el complejo ES es inestable pues predomina la tendencia a destruirlo (poca afinidad hacia el sustrato), y si Km es pequeña, el complejo ES es estable, ya que predomina la tendencia a formarlo (gran afinidad hacia el sustrato).

• · La Km del sustrato natural es menor que la de los sustratos análogos. Si dos sustratos de la misma enzima tienen distinta Km, el que presente mayor Km tiene menor afinidad por el enzima, y la reacción transcurre siempre a menor velocidad que con el sustrato de menor Km, salvo a concentraciones saturantes de sustrato, donde la v = Vmax.

• · Los valores de Km de muchas enzimas son próximos a los de la concentración fisiológica de sus sustratos, de forma que pequeñas variaciones en la [S] pueden suponer grandes cambios en la velocidad de toda una ruta metabólica.

Particularidades de enzimas Mecanismos de regulación alostérica: Generalmente, el control de actividad de las enzimas es por encendido o apagado de las enzimas[3] y está asociado con enzimas alostéricas durante la inhibición de feedback (retroalimentación)

Cuando los productos en una vía aumentan, ellos mismos producen feedback a la primera enzima de la vía y cierran la síntesis de los productos finales e intermedios.

• Feedback acumulativo: ni F ni H pueden reducir separadamente por completo la actividad de e1, posiblemente cada uno puede lograr una reducción parcial pero juntos pueden pararla totalmente.

• · Feedback secuencial: F y H provocan feedback en e4 y e6 respectivamente provocando la acumulación de D. D entonces produce feedback sobre e1.

• · Feedback multivalente: ni F ni H por separado producen efecto alguno en e1 pero juntos tienen actividad inhibitoria.

Efecto del pH y de la temperatura sobre la actividad enzimática:

• · Efecto del pH[2]: afecta al estado de disociación de los grupos, aunque todas las proteínas no se ven afectadas de igual forma porque algunas no tienen grupos disociables. La mayor parte de los enzimas tienen un pH óptimo. Si hay pequeños cambios de pH no se desnaturaliza el enzima. El pH puede afectar de dos maneras, ya sea que la unión del sustrato sea mejor o peor que antes o que se afecte a la velocidad catalítica de la reacción

• · Efecto de la temperatura[2]: cuando la temperatura sube la velocidad de reacción aumenta. Existe una temperatura máxima a la cual la proteína se desnaturaliza dejando de ser funcional. La mayor parte de los enzimas se desnaturalizan a unos 50ºC. Activación y desactivación de enzimas: Las enzimas pueden encontrarse activadas y desactivadas, dependiendo de la necesidad de su uso. La activación puede ser de tipo reversible o irreversible. Una inactivación de tipo irreversible es el mecanismo de regulación alostérico, observado anteriormente.

Sin embargo, existen otras enzimas que se encuentran en un estado inactivo, llamado zimogeno, y que, una vez se requieran de ellas, se activan por medio de algún método químico, sin poderse volver a desactivar sin implicar una destrucción de la enzima. Las enzimas gástricas (tripsina, quimiotripsina) son un ejemplo de este tipo de enzimas.

Bibliografía

1. Ludeña, Marco: "La enzimología" 1999. En http://www.monografias.com/

2. Baltimore, David et al: Molecular Cell Biology, 4th edition, 2000, p 51-60, 71-78, 85-88

3. Lastra, Jorge : " Regulación y control metabólicos", 1999. En http://monografias.com

4. http://www.ehu.es/biomoleculas/ENZ/ENZ3.htm

5. http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/

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Oscar Gabriel Niño Amézquita zauberer_co@yahoo.com.ar