Enzimas y Bioenergética

Enzimas

Definición

Enzimas: macromoléculas de proteínas más factores no proteicos que realizan funciones diversas. Son unidades de proteínas que realizan la catálisis de reacciones químicas.

Características

  • Disminución de la energía de activación.
  • Aceleran la velocidad de reacción.
  • No intervienen en la reacción como constituyentes.
  • No se modifican en el transcurso de la reacción.
  • No alteran el equilibrio de la reacción.
  • Se ocupan en pequeñas cantidades.
  • Algunas enzimas consisten enteramente de proteínas, mientras que otras tienen porciones no proteícas, llamadas cofactores.

Cofactores

Los cofactores pueden ser iones metálicos (grupo prostético) o sustancias orgánicas (coenzimas).

Una enzima desprovista de los cofactores o los grupos prostéticos que puedan ser necesarios para su actividad se denomina apoenzima (referida solo a la parte proteica de la enzima), el cual es catalíticamente inactivo. La enzima activa (holoenzima) resulta de la combinación de una apoenzima y sus cofactores (iones metálicos). Las enzimas que catalizan la misma reacción que difieren en su nivel estructural primario se denominan isoenzimas. Los zimógenos o proenzimas, son enzimas que deben sufrir cambios para alcanzar su conformación activa, ya sea por la pérdida de algunos residuos o la ganancia de algún grupo funcional.

Tipos de Enzimas

  • Deshidrogenasas: catalizan la pérdida de hidrógeno (H+ y e-) de un sustrato teniendo como aceptor una molécula diferente al oxígeno.
  • Oxidasas: catalizan la pérdida de hidrógeno de un sustrato teniendo como aceptor al oxígeno.
  • Cinasas (quinasas): Catalizan la transferencia de grupos fosfato del ATP a otra molécula.
  • Transaminasas: transfieren grupos amino a grupos carbonilo.
  • Fosfatasas: Rompen enlaces fosfoéster en presencia de agua.
  • Tiocinasas (tioquinasas): Forman enlaces tioéster dependientes de ATP a partir de la coenzima A y ácidos carboxílicos.
  • Mutasas: Catalizan rearreglos intramoleculares de grupos funcionales.
  • Transaldolasas y transcetolasas: Transfieren grupos de tres y dos carbonos respectivamente.

Mecanismos de Acción

Función Principal

La función de las enzimas es bajar la energía de activación.

Mecanismo de Acción Molecular

Se basa en la afinidad molecular de la enzima por lo(s) reactante(s). El centro activo de la enzima se elonga o existe un modelamiento molecular para comenzar a bajar la energía de activación y así los residuos de la cadena lateral de los aminoácidos de la enzima modulan. Los productos generados se separan de la enzima, por pérdida de afinidad entre enzima-productos.

Cinética Enzimática

Concepto

Cinética enzimática: Estudio de las reacciones bioquímicas desde la perspectiva de las velocidades de reacción involucradas y los parámetros y medios respectivos.

1° Ley de la termodinámica

La energía total del universo y su entorno es constante (la energía se conserva). Esta ley no permite determinar si una reacción ocurre espontáneamente. También existe un grado de desorden en el sistema, o un grado de azar denominado S o entropía y por lo tanto es necesario una segunda ley.

2° Ley de la termodinámica

Un proceso ocurre espontáneamente si aumenta la suma de las entropías del sistema y de su entorno. Esta ley otorga un criterio de espontaneidad de la ecuación, pero se requiere conocer además el cambio de las entropías del entorno y del sistema.

Entonces, sabemos que:

  • Ocurre una reacción.
  • El proceso es espontáneo o no.
  • Y en función de eso saber cuánto varía su S (si aumenta o disminuye).

Puesto que los cambios de entropía son difíciles de medir. Se utiliza una función termodinámicamente distinta llamada “energía libre” o G (F en la antigüedad). G combina la primera y segunda ley de la termodinámica en la ecuación: ∆G = ∆H – T∆S.

Por lo tanto, ∆G dependerá tanto del cambio de energía interna, como del cambio de entropía del sistema. El cambio de ∆G de una reacción, en contraste con ∆E de una reacción es importante para saber si ocurre espontáneamente.

Por eso:

  1. Una reacción puede ocurrir espontáneamente si ∆G es negativo.
  2. Un sistema está en equilibrio y no tiene lugar un cambio si ∆G es cero.
  3. Una reacción no puede ocurrir espontáneamente si ∆G es positivo. Se requiere un aporte de energía libre para permitir tal reacción.

Cinética Michaeliana

Aunque todos estos mecanismos suelen seguir una serie de pasos complejos, existe una etapa limitante que puede determinar la velocidad de la reacción bioquímica.

En esta etapa limitante se debe presentar:

  • Un cambio químico.
  • O un cambio conformacional de lo(s) sustrato(s) y/o de la enzima.

Los mecanismos enzimáticos pueden ser divididos en un único mecanismo o en mecanismos de múltiples sustratos. La cinética enzimática puede mostrar el orden de reacción para una determinada reacción y/o determinada manera de cambio bioquímico.

  • Fenómeno de saturación.
  • Sitios catalíticos, sitios activos, sitios alostéricos, etc.
  • Tiempo real de reacción.
  • Máxima velocidad de cambio.
  • Ensayo Enzimático.

Parámetros Básicos

  • Especificidad:
    • De sustrato: sustancia única de unión a la enzima y de función de sitio catalítico.
    • De acción: cada reacción es catalizada por una enzima específica.
  • Estructuras no proteicas:
    • Cofactores: Iones o moléculas inorgánicas que ayudan a la enzima no solo en estructura sino también en función.
    • Coenzimas: Moléculas orgánicas que ayudan a mejorar la velocidad de la reacción.

Factores que Afectan la Velocidad Enzimática

  • pH.
  • Temperatura.
  • Estado del sustrato.
  • Cantidad de enzima disponible.
  • Concentración salina.

Número de Recambio

Número de recambio (velocidad de proceso catalítico): constituye una medida directa de la producción catalítica de producto en condiciones óptimas (enzimas saturadas). También se puede interpretar como el número de moléculas de sustrato recambiadas por moléculas de enzima por segundo.

Inhibidores de la Cinética Enzimática

  • Reversibles: forman enlaces no-covalentes débiles que se disocian fácilmente de la enzima. La enzima es inactiva solamente cuando el inhibidor está presente.
  • Irreversibles: Forman enlaces covalentes o enlaces no-covalentes fuertes. El sitio de unión es un grupo aminoácido que participa en la reacción enzimática normal.

Principios de Bioenergética

Bioenergética: Es el estudio cuantitativo de las transducciones de energía que ocurren en las células vivas y de la naturaleza y función de los procesos químicos que fundamentan dichas transducciones.

Conceptos

Transducción: Conversión de energía a otra. La célula debe generar un trabajo para poder realizar funciones celulares básicas. Todo tipo de trabajo biológico debe tener una causa y medio de reacción.

Usos

Los organismos vivos usan la energía química como combustible para sintetizar moléculas complejas, para construir gradientes de concentración, gradientes eléctricos, en movimiento, calor y hasta en luz. Los organismos fotosintéticos transducen la energía lumínica en todas las formas de energía mencionadas anteriormente. Las transducciones biológicas de energía obedecen las mismas leyes físicas que gobiernan todos los demás procesos en la naturaleza.

Leyes Fundamentales de la Termodinámica

  1. En un cambio físico o químico, la cantidad de energía en el universo permanece constante, la energía del cambio presenta una transformación de una forma a otra, sin crear o destruir la energía.
  2. El universo tiende al desorden, en los procesos naturales la entropía del universo se incrementa.

Postulado

El orden producido dentro de las células conforme crecen y dividen está más que compensado por el desorden que crean en sus alrededores mientras crecen y se dividen.

Sistemas

  • Abierto-cerrado-aislado.

Parámetros Termodinámicos

Parámetros termodinámicos que describen los cambios de energía que ocurren en una reacción química:

  • Energía libre de Gibbs (G): cantidad de energía disponible para realizar un trabajo durante una reacción a temperatura (T) y presión (P) constantes. Cuando una reacción sucede, y con ello se libera energía (el sistema pasa a tener menos energía libre), el cambio de energía (∆G) es negativo (-) y se dice que la reacción es exergónica. Si el sistema pasa a ganar energía libre, el cambio de ∆G es positivo (+).
  • ∆G (-): reacción exergónica.
  • ∆G (+): reacción endergónica.
  • Entalpía (H): Es el contenido de calor del sistema reactante. Refleja el número y tipo de enlaces químicos en los reactantes y en los productos. Cuando una reacción química libera calor se dice que es exotérmica (el contenido de calor de los productos es menor que el de los reactivos) y ∆H es negativa (-). Cuando el sistema reactante toma calor del medio ambiente se dice que es endotérmica y ∆H es positiva (+).
  • ∆H (-): exotérmica.
  • ∆H (+): endotérmica.
  • Entropía (S): Es una expresión cuantitativa del desorden o desorganización de un sistema. Cuando los productos de una reacción son menos complejos y más desordenados que los reactantes, se dice que la reacción gana entropía y ∆S es positiva (+). Cuando los productos son más complejos y organizados que los reactantes, se pierde entropía y ∆S es negativa (-).

En donde:

  • T: temperatura absoluta en °K

Por convención:

  • ∆S: es (+) cuando el sistema gana entropía.
  • ∆H: es (-) cuando el sistema libera calor a los alrededores.
  • ∆G: es (-) bajo condiciones favorables a la reacción, y cuando la reacción es espontánea (procede sin necesidad de tomar energía del medio, sus productos tienen menor energía libre que sus reactantes).

Las Células como Sistemas Isotérmicos

Las células son sistemas isotérmicos: funcionan a temperatura y presión constantes. Deben obtener y utilizar energía libre (descrita por Gibbs como G). G permite predecir la dirección de las reacciones químicas, su posición en el equilibrio, y la cantidad teórica de trabajo se puede realizar a T y P constantes.

Si el sistema no está en equilibrio, la tendencia a alcanzarlo es una fuerza muy fuerte, cuya magnitud puede expresarse como el cambio de energía libre para la reacción: ∆G.

El cambio real de energía libre (∆g) depende de las concentraciones de los reactantes y productos y de la temperatura del sistema al momento de que este ocurriendo la reacción.

Principio Bioenergético

Principio bioenergético: una reacción endergónica puede acoplarse a una exergónica a través de un intermediario común que permite transferencia de energía de una a otra.

Energía de Hidrólisis del ATP

La energía de hidrólisis del ATP liberada dentro de las células es diferente a los valores teóricos: el costo real del metabolismo. Las concentraciones reales de ATP, ADP y Pi son diferentes en las células vivas. El pH puede variar también. Por ello, el cambio de energía libre de hidrólisis de ATP bajo condiciones fisiológicas (∆Gp también llamado potencial de fosforilación) difiere del cambio de energía standar (∆G’°).

Metabolismo

El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas y procesos físico-químicos que ocurren en una célula y en el organismo. Éstos complejos procesos interrelacionados son la base de la vida a escala molecular, y permiten las diversas actividades de las células: crecer, reproducirse, mantener sus estructuras, responder a estímulos, etc.

Fuentes del Metabolismo

  • Glucosa.
  • Lípidos.
  • Proteínas.

Azúcares

  • Carbohidratos complejos: estos suministran vitaminas, minerales y fibras: alimentos tales como el pan, legumbres, pastas, arroz y vegetales que producen féculas.
  • Carbohidratos simples: que se encuentran en frutas, leche y hortalizas. Los pasteles, los dulces y productos de azúcar refinada son azúcares simples que también suministran energía, pero carecen de minerales, vitaminas y fibra.