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16 de diciembre de 2014

Regulación de la actividad enzimática

La totalidad de reacciones bioquímicas de un organismo constituye su metabolismo, el cual consiste en secuencias de reacciones químicas catalizadas por enzimas llamadas vías metabólicas. En estas secuencias, el producto de una reacción química es el sustrato de la siguiente reacción y así sucesivamente, tal como lo muestra el siguiente esquema.


Las vías metabólicas son de dos tipos

a) anabólicas: en ellas se sintetizan moléculas básicas que hacen posible construir macromoléculas, son reacciones endergónicas (consumen energía).

b) catabólicas: en ellas se rompen moléculas que permiten obtener energía libre utilizable, son reacciones exergónicas (liberan energía).

Las células y el organismo, deben regular todas sus vías metabólicas constantemente, esto por la gran necesidad de mantener estables sus condiciones internas, es decir, su homeostasis.

En la regulación enzimática participan sustancias que actúan como inhibidores, los cuales reducen la velocidad de las reacciones catalizadas. Hay inhibidores naturales que regulan el metabolismo y otros artificiales que permiten tratar enfermedades o eliminar bacterias patógenas. Los inhibidores se clasifican como irreversibles y reversibles.
 

Inhibidores irreversibles

Son, generalmente, obtenidos por síntesis orgánica y se unen covalentemente al sitio activo de la enzima y con ello la inactivan.

Un buen ejemplo lo constituye el inhibidor artificial DIPF (dilsopropil fósforofluoridano), que inhibe a la tripsina, enzima pancreática que hidroliza proteínas y a la colinesterasa, enzima que degrada al neurotransmisor acetilcolina en el lecho sináptico, una vez que ésta ha cumplido su función.

Por esta razón es parte de los gases neurotóxicos, como la sarina, gas utilizado en el metro de Tokio en 1995, que mató a decenas de personas.

Inhibidores reversibles

Se reconocen dos tipos:

1. Inhibición competitiva
2. Inhibición no competitiva

En la inhibición competitiva un sustrato muy parecido al sustrato natural compite con éste por el mismo sitio activo de la enzima. La unión del “impostor” con la enzima no implica formación de nuevos productos, pero impide que esta actúe sobre su sustrato natural. El sustrato “impostor” es desplazado al aumentar la concentración del sustrato natural. En la figura 13 se presenta la inhibición competitiva y como ejemplo la que presenta la enzima succinato deshidrogenasa sometida a una inhibición competitiva por el oxalacetato.

Figura 13. En la inhibición competitiva, un inhibidor se une temporalmente al sitio activo. La succinato deshidrogenasa, por ejemplo, está sujeta a inhibición competitiva por el oxalacetato.


En cambio en la inhibición no competitiva el inhibidor no se une al sitio activo de la enzima, sino que se une a un sitio alejado de este, provocándole un cambio conformacional de manera que el sustrato ya no se adapta. Al igual que en la inhibición competitiva, la enzima se libera del inhibidor y, por ello, es reversible. En la figura 14 se presenta la inhibición no competitiva y como ejemplo la de la enzima treonina deshidratasa por la isoleucina.
Figura 14. Un inhibidor no competitivo se une temporalmente a la enzima en un sitio lejos del sitio activo, pero aún así impide el funcionamiento de la enzima.

Inhibidores alostéricos

Las enzimas alostéricas, por lo general, poseen una estructura de dos o más unidades polipeptídicas y su actividad está controlada por efectores que se unen un sitio alostérico que está separado del sitio activo.

Los efectores pueden ser activadores o inhibidores. A continuación se revisará el tipo de regulación alostérica denominada: inhibición por el producto final.

En una vía metabólica, como en el ejemplo de la figura 15, se observa una secuencia de reacciones, cada una de ellas catalizada por una enzima particular.

La primera reacción se denomina “paso obligado”, porque una vez que ocurre, necesariamente seguirán el resto de reacciones de la vía hasta culminar con el producto final. Este “paso obligado” está catalizado por una enzima alostérica. Si la célula tiene suficiente de este producto, ¿cómo frena esta vía? Cuando el producto final está en altas concentraciones actúa como un efector, se une a la enzima alostérica del “paso obligado”, inactivándola.

Figura 15. Inhibición de las vías metabólicas. El paso obligado es catalizado por una enzima alostérica que puede ser inhibida por el producto final de la vía.
La vía específica que se muestra aquí es la síntesis de isoleucina, un aminoácido, a partir de la treonina. Esta particular serie de reacciones es realizada por bacterias, pero es típica de muchas reacciones catalizadas enzimáticamente.
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Actualizado en:

11:45 a. m.

15 de diciembre de 2014

Factores que afectan la actividad enzimática

Efecto del pH

Las enzimas actúan dentro de límites estrechos de pH (pH óptimo de la reacción). Por ejemplo, la pepsina (enzima estomacal) tiene un pH óptimo de 2, al graficar su actividad enzimática para valores crecientes de pH, comenzando desde la zona ácida, se obtiene una curva en forma de campana. El máximo de la curva corresponde al pH óptimo en el cual la enzima tiene su máxima actividad. En medios muy ácidos o muy alcalinos, la enzima se desnaturaliza y se inactiva. Otras enzimas en cambio tienen una actividad óptima a pH alcalino como la tripsina (enzima intestinal) (Figura 9).

Figura 9. Efecto del pH sobre la actividad enzimática de la pepsina y tripsina.

Temperatura

La velocidad de las reacciones enzimáticas aumenta, por lo general, con la temperatura, dentro del intervalo en que la enzima es estable y activa. La velocidad por lo general se duplica por cada 10°C de aumento térmico. La actividad enzimática máxima se alcanza a una temperatura óptima, luego la actividad decrece y finalmente cesa por completo a causa de la desnaturalización progresiva de la enzima por acción de la temperatura.

A bajas temperaturas, las reacciones disminuyen mucho o se detienen porque decrece la cinética molecular, pero la acción catalítica reaparece cuando la temperatura se eleva a valores normales para la enzima. No olvidar que una enzima humana típica posee su óptimo a 37 º C, en cambio otros organismos como, por ejemplo, las bacterias termófilas resistentes a altas temperaturas tienen su óptimo de actividad cercano a los 80º C (Figura 10).

Figura 10. Efecto de la temperatura sobre la actividad enzimática en una enzima típica humana y una bacteria termófila.


Figura 11. Desnaturalización de una proteína

Concentración de sustrato

Principalmente, la velocidad de la reacción o catálisis varía de acuerdo a la concentración del sustrato.
Al aumentar la concentración de sustrato, la actividad enzimática aumenta, hasta alcanzar la velocidad máxima, punto donde la enzima se satura, debido a que las enzimas tienen todos sus sitios activos ocupados (Figura 12).

Figura 12. Efecto de la concentración del sustrato sobre la velocidad de una reacción enzimática.
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4:09 p. m.

Modelos de acción enzimática

El primer modelo sugerido para explicar la interacción enzima-sustrato fue propuesto por el químico Emil Fisher, denominado modelo llave-cerradura, que supone que la estructura del sustrato y la del sitio activo son exactamente complementarias, de la misma forma que una llave encaja en una cerradura. (Figura 8 a).

Estudios posteriores sugirieron que el sitio activo es mucho más flexible que una cerradura. La interacción física entre las moléculas de enzima y sustrato produce un cambio en la geometría del centro activo, mediante la distorsión de las superficies moleculares. Este modelo llamado encaje inducido impondría cierta tensión a las moléculas reaccionantes, facilitando aún más la reacción (Figura 8 b).

Figura 8. (a) En el modelo llave-cerradura los sustratos interactúan en forma precisa con el sitio activo. (b) En el modelo encaje inducido, la forma del sitio activo es complementaria del sustrato sólo después que éste se une a la enzima.
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3:40 p. m.

Enzimas

Las enzimas son proteínas que actúan como biocatalizadores que aceleran las reacciones químicas dentro de la célula sin transformarse ellas mismas en una molécula diferente. Las células transforman la energía que toman del entorno en energía química la que les permite realizar trabajos químicos, mecánicos u otros.

Las reacciones químicas para su inicio requieren siempre de un aporte de energía llamada energía de activación. Las enzimas son un tipo especial de proteínas que aceleran las reacciones químicas tanto en el medio intra como en el medio extra celular. Esta aceleración se debe a la capacidad que tienen las enzimas en disminuir la energía de activación (Ea) de la reacción química, es decir, permiten que una reacción ocurra en un breve lapso de tiempo. La energía de activación (Ea) representa la energía mínima necesaria que deben alcanzar los reactantes (sustratos) para su transformación en productos (Figura 7).

Figura 7. Las enzimas aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación.

Propiedades de las enzimas:

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3:37 p. m.

Funciones de las proteínas

Las proteínas dirigen prácticamente la totalidad de los procesos vitales, incluso aquellos destinados a la producción de ellas mismas. Determinan la forma y la estructura de las células. Sus funciones se relacionan con sus múltiples propiedades, que son el resultado de la composición de aminoácidos, de la secuencia y del modo en que la cadena se pliega en el espacio (Tabla 4).

FUNCIÓN EJEMPLOS
Estructural Ciertas glucoproteínas forman parte de las membranas y participan como receptores o facilitan el transporte de sustancias.

Las proteínas del citoesqueleto, de las fibras del huso, de los cilios y flagelos.

Nucleoproteínas (ácidos nucleicos + proteínas), es el caso de los cromosomas, ribosomas y nucléolos.

Proteínas que confieren resistencia y elasticidad a los tejidos, como el colágeno del tejido conjuntivo fibroso, la elastina el tejido conjuntivo elástico y la queratina de la epidermis.
Hormonal La insulina y el glucagón (que regulan la glicemia), la hormona del crecimiento y la calcitonina (que regula la calcemia).
Defensiva Las inmunoglobulinas que actúan como anticuerpos. La trombina y el fibrinógeno que participan en la formación de coágulos, y por ende, evitan las hemorragias.
Transporte La hemoglobina que transporta oxígeno y dióxido de carbono en vertebrados y la mioglobina, que lo hace en el tejido muscular. Las lipoproteínas transportan lípidos en la sangre y las proteínas transportadoras de la membrana plasmática que regulan el paso de solutos y agua a través de ella.
Contráctil Actina y miosina son parte de las miofibrillas, responsables de la contracción muscular.
Reserva La ovoalbúmina del huevo y la gliadina del grano de trigo, entre otras, son las reservas de aminoácidos utilizadas en el desarrollo del embrión.
Enzimática Las enzimas son catalizadoras de las reacciones químicas dentro de las células, es decir, aceleran la velocidad de las mismas. Son numerosas y altamente especificas. Sin estos catalizadores, dichas reacciones se desarrollarían a velocidades tan bajas que apenas rendirían cantidades apreciables del producto. Muchas enzimas necesitan en su funcionamiento la presencia de algunas sales.
Actúa a valores de pH y de temperatura específicas y cualquier cambio brusco de estos factores podría dejarlas inutilizables (desnaturalización).
Por ejemplo, la amilasa cataliza la digestión del almidón y la lipasa cataliza la digestión de los lípidos.
Tabla 4. Funciones proteicas.
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2:39 p. m.

Propiedades de las proteínas

Sus propiedades físico-químicas dependen de su composición aminoacídica y de su conformación. Las propiedades comunes a todas las proteínas son dos: especificidad y desnaturalización.

Especificidad

Cada proteína tiene una función exclusiva, por ejemplo, las enzimas. Cada individuo posee ciertas proteínas con una secuencia aminoacídica determinada. Es por ello que cuando existe rechazo de los órganos transplantados significa, que no hubo un reconocimiento como propias de las proteínas presentes en la superficie del tejido transplantado.

Desnaturalización

Este fenómeno ocurre cuando la proteína es sometida a condiciones diferentes a las que naturalmente tiene. La desnaturalización se puede hacer mediante diversos medios físicos y químicos, por ejemplo, cambios de temperatura o cambios en el pH, lo que determina cambios en la estructura de la proteína, afectando con ello su función.

Las proteínas conjugadas o heteroproteínas son moléculas que presentan una parte proteica y una no proteica llamada grupo prostético, si este último es un metal se tiene una cromoproteína (hemoglobina),si es un ácido nucleico será una nucleoproteína (ribosoma y cromosoma),si es un lípido será una lipoproteína (LDL,HDL) y si es un carbohidrato, será una glicoproteína (tirotrofina).A las proteínas simples (solo proteína) se le denomina holoproteína.
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2:01 p. m.
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