BIOLOGÍA 2º BACHILLERATO

Bloque III. Metabolismo

Tema 16. Metabolismo y enzimas

ÍNDICE

1. Características de las reacciones metabólicas

2. Enzimas y vitaminas2.1 Propiedades de las enzimas2.2 Mecanismo de las reacciones enzimáticas

3. Cinética enzimática

4. Factores que influyen en la velocidad de las reacciones enzimáticas

5. Mecanismos para aumentar la eficacia enzimática

6. Regulación de la actividad enzimática6.1 Activación enzimática6.2 Inhibición enzimática

7. Nomenclatura y clasificación de las enzimas

1. Características de las reacciones enzimáticas El ser vivo, posea la complejidad estructural que posea, necesita

energía para vivir y desarrollar todas y cada una de sus funciones vitales. Esta energía, imprescindible para las múltiples actividades de los diversos organismos, procede de la energía almacenada en los enlaces químicos de las biomoléculas que los seres vivos poseen (glúcidos, lípidos, proteínas, etc.).

Si los seres vivos sólo tomaran energía de sus propias estructuras se irían poco a poco consumiendo a sí mismos lo cual no mantendría el orden biológico. Por esta razón, frente a las vías de destrucción molecular (catabolismo energético) deben existir otras vías de construcción molecular (anabolismo energético). Estas vías son construidas unas veces a partir de moléculas capturadas y consumidas de otros seres vivos y otras (en algas y vegetales) son construidas por procesos complejos como la fotosíntesis.

Para valorar tus conocimientos previos sobre este tema realiza las actividades de la siguiente página http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/Fisiologia_celular/index.htm

Metabolismo y rutas metabólicas El metabolismo comprende una serie de transformaciones químicas y

procesos energéticos que ocurren en el ser vivo. Para que sucedan cada una de esas transformaciones se necesitan enzimas que originen sustancias que sean a su vez productos de otras reacciones. El conjunto de reacciones químicas y enzimáticas se denomina ruta o vía metabólica.

En las rutas metabólicas se necesitan enzimas específicas que van conformando los pasos y productos intermedios de las rutas. Pero, además, son necesarios varios tipos de moléculas indispensables para su desarrollo final:ometabolitos (moléculas que ingresan en la ruta para su degradación o para participar en la síntesis de otras sustancias más complejas),onucleótidos (moléculas que permiten la oxidación y reducción de los metabolitos,  como el NAD y NADP)omoléculas energéticas (ATP y GTP o la Coenzima A que, al almacenar o desprender fosfato de sus moléculas, liberan o almacenan energía),omoléculas ambientales (oxígeno, agua, dióxido de carbono, etc. que se encuentran al comienzo o final de algún proceso metabólico).

Rutas metabólicas Podemos definir distintos tipos:

Convergentes. Se obtiene un producto final a partir de varias sustancias

Divergentes. Una única molécula origina diferentes productos.

Las rutas metabólicas además pueden ser: Lineales, en las que se parte de un metabolito inicial que se va

transformando y origina otro distinto, (A--->B--->C--->D) como la glucólisis, hélice de Lynen, etc

Circulares, como el Ciclo de Krebs, el de la ornitina o el de Calvin, en las que se parte de un metabolito que sufre distintas transformaciones para originar distintos productos y regenerar el metabolito inicial.

Además unas rutas están relacionadas con otras (entrecruzadas) es decir, un metabolito puede intervenir en rutas distintas según las necesidades de la célula, como el ácido alfa cetoglutárico. Las conexiones entre distintas vías metabólicas constituyen el metabolismo intermediario.

o Para evitar interferencias entre ellas cada una ocurre en un compartimento celular (en un orgánulo), es decir, las rutas están compartimentalizadas, y con ello la eficacia enzimática es más eficaz. Por ejemplo:• Citoplasma: Glucólisis, gluconeogénesis, glucogenogenesis,

síntesis de triglicéridos y de proteínas (traducción).• Mitocondria: Ciclo de krebs, b-oxidación, fosforilación oxidativa.• Retículo endoplasmático: síntesis de lípidos y de proteínas.• Núcleo: duplicación y transcripción.

o El catabolismo es el metabolismo de degradación de sustancias con liberación de energía.

o El anabolismo es el metabolismo de construcción de sustancias complejas con necesidad de energía en el proceso.

2. Enzimas La enzimas son proteínas o asociaciones de proteínas y

otras moléculas orgánicas o inorgánicas que actúan catalizando los procesos químicos que se dan en los seres vivos, esto es, actúan facilitando las transformaciones químicas; acelerando considerablemente las reacciones y disminuyendo la energía de activación que muchas reacciones requieren.

En el pasado las enzimas se conocían con el nombre de fermentos, porque los primeros enzimas estudiados fueron los fermentos de las levaduras y de las bacterias. En la actualidad el término fermento se aplica únicamente a las enzimas que las bacterias, hongos y levaduras vierten al exterior para realizar determinadas trasformaciones: las fermentaciones.

Las enzimas son, en general, prótidos. Algunas son proteínas en sentido estricto. Otras poseen una parte proteica llamada apoenzima, y una parte no proteica, denominada grupo prostético, si está ligada permanentemente a la proteína, o cofactor, si no lo está.

La conformación espacial de la parte proteica es la responsable de la función que realiza la enzima. Para ello la sustancia o sustancias que van a reaccionar y transformarse se unen a la enzima en una zona que llamaremos centro activo y son las interacciones químicas entre los restos de los aminoácidos presentes en el centro activo y el substrato o los substratos las responsables de la transformación. Estas interacciones producen reordenamientos de los electrones que debilitan ciertos enlaces y favorecen la formación de otros desencadenando la transformación química.

Las enzimas, como catalizadores que son, no modifican la constante de equilibrio y tampoco se transforman, recuperándose intactas al final del proceso. La rapidez de actuación de las enzimas y el hecho de que se recuperen intactas para poder actuar de nuevo es la razón de que se necesiten en pequeñísimas cantidades.

Es de destacar que las enzimas son específicas. Esto es, una enzima puede actuar sobre un substrato o un grupo de substratos relacionados (especificidad de substrato) pero no sobre otros; por ejemplo: la sacarasa, que hidroliza la sacarosa. Otras enzimas, sin embargo, tienen especificidad de acción al realizar una acción determinada pero sobre múltiples substratos; por ejemplo: las lipasas que hidrolizan los enlaces éster en los lípidos. Debido a esta especificidad de las enzimas existen en la célula miles de enzimas diferentes.

Las enzimas se nombran añadiendo la terminación asa, bien al nombre del substrato sobre el que actúan (sacarasa), al tipo de actuación que realizan (hidrolasas), o ambos (ADN polimerasa). Algunos ejemplos:

Oxido-reductasas: catalizan reacciones de oxido-reducción, las que implican la ganancia (o reducción) o pérdida de electrones (u oxidación). Las más importantes son las deshidrogenasas y las oxidasas

Transferasas: transfieren grupos funcionales de una molécula a otra. Ej.: quinasas; transfieren fosfatos del ATP a otra molécula.

Hidrolasas: rompen varios tipos de enlaces introduciendo radicales -H y -OH.

Liasas: adicionan grupos funcionales a los dobles enlaces. Isomerasas: convierten los sustratos isómeros unos en otros. Ligasas o Sintasas: forman diversos tipos de enlaces aprovechando la

energía de la ruptura del ATP. Ej: polimerasas

2.1 Propiedades de las enzimas

El cofactor o el grupo prostético son los componentes enzimáticos que llevan a cabo la reacción propiamente dicha, es decir la catálisis en sentido estricto. Químicamente son sustancias muy variadas.

En algunos casos se trata de simples iones, cationes en particular, como el Cu++ o el Zn++. En otros, son sustancias orgánicas mucho más complejas, en cuyo caso se llaman coenzimas.

Muchas vitaminas son coenzimas o forman parte de coenzimas. Las coenzimas son imprescindibles para que la enzima actúe. Así, muchas  reacciones de oxidación precisan del NAD+, que es el que capta los electrones y sin su presencia la enzima no puede actuar. Otro ejemplo lo tenemos en las reacciones que necesitan energía en las que actúa como coenzima el ATP.

Todo sobre las vitaminas http://www.naos.aesan.msps.es/csym/nutricion_saludable/nutrientes/grupo/vitaminas.html http://www.zonadiet.com/nutricion/vitaminas.htm

Algunas coenzimas importantes Acción

ATP (adenosina-5'-trifosfato): Adenina-Ribosa-P-P-PADP (adenosina-5'-difosfato): Adenina-Ribosa-P-P

Coenzimas que intervienen en las reacciones en las que hay transferencia de energía

NAD+ (Nicotinamín adenín dinucleótido). Se trata de un dinucleótido formado por Nicotinamida-Ribosa-P-P-Ribosa-Adenina.NADP+ (Nicotinamín adenín dinucleótido fosfato). Similar NAD+ pero con un grupo fosfato más esterificando el HO- del carbono 2 de la ribosa unida a la adenina.FAD (Flavín adenín dinucleótido). Similar al NAD pero conteniendo riboflavina (otra de las vitaminas del complejo B2) en lugar de nicotinamida.

Coenzimas que intervienen en las reacciones en las que hay transferencias de electrones (reacciones de óxidorreducción)

Coenzima A. Coenzima de estructura compleja y de la que forma parte el ácido pantoténico (otra de las vitaminas del complejo B2).

Coenzimas que intervienen como transportadores de grupos acilo. 

Vitamina B1 o tiamina Coenzima en reacciones de enzimas descarboxilasas

Vitamina B2 o riboflavina Origina coenzimas FMN y FAD

Vitamina B3 o nicotinamida Origina coenzimas NAD+ y NADP+

Vitamina B5 o ácido pantoténico Forma coenzima A, transportadora de grupos acilo

Vitamina B6 o piridoxina Un derivado actúa como coenzima con transaminasas

Vitamina B8 o biotina Coenzima con carboxilasas

Vitamina B9 o ácido fólico Un derivado actúa en reacciones de síntesis de bases nitrogenadas

Vitamina B12 o cianocobalamina Un derivado actúa en metabolismo de proteínas y ácidos nucleicos

Vitamina C o ácido ascórbico Participa en reacciones de hidroxilación

Una enzima, por sí misma, no puede llevar a cabo una reacción, su función es modificar la velocidad de la reacción, entendiéndose como tal la cantidad de producto formado por unidad de tiempo. Tal variación se debe a la disminución de la energía de activación Ea; en una reacción química, la Ea es la energía necesaria para convertir los reactivos en formas moleculares inestables denominadas especies en estado de transición, que poseen mayor energía libre que los reactivos y los productos.

La diferencia entre reacciones endotérmicas y exotérmicas reside en el balance energético global. Las primeras necesitan energía mientras las segundas la desprenden, aunque en ambos casos se necesita energía de activación para alcanzar el estado de transición.

En las reacciones espontáneas, la energía de activación es tan baja que se obtiene de la propia energía cinética de las moléculas e incluso de la luz que incide en el lugar de reacción. En otros casos, es Ea es tan alta que no se producen si no se aplica calor.

2.2 Mecanismo de acción enzimática

Animación sobre el mecanismo de acción de las enzimas http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072495855/student_view0/chapter2/animation__how_enzymes_work.html

3. Cinética enzimática Se estudia el modelo de Michaelis-Menten Si se representa gráficamente la velocidad con que aparece el producto (moles de producto

formados en la unidad de tiempo) de una reacción enzimática, en función de la concentración de sustrato inicial, para una cantidad constante de enzima se obtiene la gráfica siguiente, o sea que:

Al aumentar la concentración de sustrato aumenta la velocidad de la reacción, mientras existe enzima libre. Llega un momento en que se alcanza una velocidad máxima ya que no hay moléculas de enzima libres, dado que

todas forman complejos ES. Según se van formando moléculas de P, se van liberando las de E, estando las de S a la espera.

En la reacción enzimática la etapa limitante, la más lenta, es la unión del sustrato al centro activo para formar el complejo ES, ya que es reversible. Existe una constante de equilibrio para esta etapa:

ke = [E] [S] / [ES] Para calcular la constante debemos saber la concentración de enzima libre y la

concentración de enzima que forma el complejo ES. Cuando la velocidad de la reacción es la mitad de la máxima, el número de moléculas libres y en complejo se igualan

[E] = [ES] La expresión de la constante de equilibrio en esta situación queda

ke = [S] Esta constante se denomina de Michaelis-Menten o Km y se define como la concentración

de sustrato para la cual la reacción alcanza la velocidad semimáxima. Km es característica de cada enzima y cuanto menor sea su valor, mayor afinidad tendrá la enzima por el sustrato, ya que se alcanza antes la velocidad semimáxima.

La Km se puede calcular fácilmente con ver en la gráfica de la velocidad respecto a la concentración de sustrato cuál es el valor de este para que se alcance la velocidad semimáxima.

En 1913 Michaelis y Menten dedujeron una ecuación que permite calcular la velocidad de una reacción enzimática para cualquier concentración de sustrato utilizando Km y la velocidad máxima.

Este modelo sirve si tenemos un único sustrato, pero si intervienen dos o más moléculas de reactivos la cinética es más compleja.

Si tomamos los valores inversos de los dos miembros de la ecuación de Michaelis-Menten obtenemos una gráfica que corresponde a una línea recta con pendiente de Km/vmax, y ordenada 1/vmax. Es el diagrama de Lineweaver-Burk y se emplea como herramienta gráfica para calcular los parámetros cinéticos de una enzima.

4. Factores que influyen en la velocidad de las reacciones enzimáticas Las enzimas, como sustancias proteicas

que son, van a ver condicionada su actuación por determinados factores físicos y químicos. Algunos de estos factores son:

 Temperatura. Como toda reacción química, las reacciones catalizadas enzimáticamente siguen la regla de Van t'Hoff. Según la cual, por cada 10ºC de aumento de temperatura, la velocidad de la reacción se duplica. No obstante, las enzimas tienen una temperatura óptima. En el hombre, y en los animales homeotermos como el hombre, esta temperatura óptima coincide con la temperatura normal del organismo. Los enzimas, como proteínas que son, se desnaturalizan a elevadas temperaturas.

El pH. que al influir sobre las cargas eléctricas, podrá alterar la estructura del centro activo y, por lo tanto, también influirá sobre la actividad enzimática.

La concentración de sustrato. Ya explicada.

5. Mecanismos para aumentar la eficacia enzimática

Los procesos metabólicos como ya hemos dicho siguen rutas más o menos complejas, de modo que para que se produzcan de manera óptima se han desarrollado algunos mecanismos: Compartimentación celular. La gran ventaja de la existencia de orgánulos en las

células eucariotas consiste en que las rutas metabólicas tienen lugar en condiciones estables de pH, concentración de iones, y proximidad de enzimas implicados.

Reacciones en cascada. Si el producto de una reacción es enzima de la siguiente y así sucesivamente, la eficacia de la actividad enzimática es mayor ya que aumenta el número de moléculas obtenidas en cada paso. Un ejemplo es la coagulación sanguínea

Complejos multienzimáticos. Agrupación de enzimas que están implicadas en reacciones consecutivas de una ruta formando un complejo que permite realizar el proceso con mayor rapidez, dado que cada producto puede ser el sustrato de la siguiente reacción. Por ejemplo la piruvato-deshidrogenasa: descarboxila, oxida y activa el piruvato para formar acetil-CoA.

Existencia de isozimas. Moléculas con la misma actividad enzimática pero Km distinta lo que hace que varíe también la velocidad de la reacción. Ejemplo: lactato-deshidrogenasa del músculo esquelético es más rápida que la del corazón en condiciones anaerobias.

6. Regulación de la actividad enzimática La regulación del metabolismo se lleva a cabo sobre todo a nivel enzimático, ya

sea regulando la velocidad de actuación de la enzima, ya sea controlando la síntesis de la misma.

Las reacciones enzimáticas son pues la clave de la actividad vital de una célula, y su control responde a las necesidades que ésta tenga en cada momento, siguiendo siempre un principio de economía: sólo están activas aquellas enzimas que se precisan en cada momento de modo que no se fabrican ni acumulan productos.

Los mecanismos de regulación son la activación y la inhibición enzimáticas y el alosterismo.

6.1 Activación enzimática Los activadores son sustancias que se unen a la enzima haciendo que el centro

activo adquiera la estructura adecuada para la unión del sustrato. Algunos cationes como el Mg2+ o el Ca2+ actúan así. También algunas moléculas

orgánicas, incluso el propio sustrato, ya que en muchas ocasiones hasta que aparece el sustrato la enzima permanece inactiva ya que no se necesita.

6.2 Inhibición enzimática Determinadas sustancias van a poder actuar sobre las enzimas disminuyendo o

impidiendo su actuación. Estas sustancias son los inhibidores. Se trata de moléculas que se unen a la enzima impidiendo que ésta actúe sobre el substrato, como iones minerales, moléculas orgánicas o el propio producto final de la reacción, en cuyo caso se habla de inhibición feed-back o retroinhibición.

La inhibición puede ser irreversible o reversible, siendo ésta mucho más común, cuando la enzima vuelve a tener actividad al eliminarse la sustancia inhibidora. Mientras en el primer caso se forman enlaces covalentes entre enzima e inhibidor, en el segundo se forman enlaces iónicos o puentes de hidrógeno fáciles de romper.

Envenenadores: Son moléculas que se unen irreversiblemente al centro activo de la enzima impidiendo permanentemente que esta actúe. Muchos tóxicos y venenos tienen este modo de actuación. 

 

 

Según el lugar de unión del inhibidor a la enzima se habla de:

 Inhibición competitiva: Cuando el inhibidor se  une en el centro activo de la enzima impidiendo que el sustrato se una a él. Se trata de una inhibición que depende de la concentración de sustrato y de inhibidor. El inhibidor tiene que tener forma espacial muy semejante a la del sustrato. Por ello se les llama análogos metabólicos.

En la actualidad se usan fármacos cuya estructura espacial es similar al sustrato de alguna enzima que se desea inhibir. Por ejemplo las sulfamidas compiten con el ácido para-aminobenzoico en la biosíntesis del ácido fólico, con lo que las bacterias mueren por no poder formar sus ácidos nucleicos.

Inhibición no competitiva:  Cuando el inhibidor se une reversiblemente a un punto diferente del centro activo pero con su actuación lo modifica lo suficiente para que, aunque se puedan unir la enzima y el sustrato, la catálisis no se produzca o la velocidad de ésta disminuya. Este tipo de inhibición no depende de la concentración de sustrato.

Una forma de diferenciar si un inhibidor es competitivo o no es observar los diagramas de Lineaweaver-Burk.

 

Contienen por lo general dos o más subunidades (tienen estructura cuaternaria) y muestran cooperatividad, por lo tanto tienen más centros activos.

El efecto cooperativo produce que la activación o inhibición de una subunidad provoque el mismo efecto en las demás, lo que permite una regulación más rápida y menor cantidad de activadores e inhibidores.

Tienen puntos de unión con activadores o inhibidores y con el sustrato: Enzima con activador presenta alta afinidad por el

sustrato Enzima con inhibidor; se necesita mayor

concentración de sustrato o del activador para superar el efecto inhibidor.

Presentan dos estados o conformaciones: el estado R es el más activo en este se presenta la unión de la enzima, sustrato y activador, estado T en el cual se ve unido el inhibidor. 

Su cinética es diferente: La KM se ve disminuida por que el activador modifica todas la subunidades al estado de alta afinidad.La velocidad máxima no sufre ningún cambio. Se presenta en gráficas con curvas sigmoideas.

6.3 Alosterismo

Se conocen unas 2000 enzimas. Para nombrarlas se emplea un

término que alude al sustrato y al tipo de reacción catalizada, con la terminación -asa.

La nomenclatura está regulada por la Comisión Internacional de enzimas, que ha definido un código de cuatro números que se refieren a la clase, subclase, subdivisión y enzima concreta.

7. Nomenclatura y clasificación de las enzimas

BIBLIOGRAFÍA Y MATERIALES SANZ ESTEBAN, M. & colab. Biología 2º bachillerato. Proyecto Tesela. Oxford

Educación. 2010. Con contenidos, animaciones y actividades de autoevaluación sobre este

bloque http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/Fisiologia_celular/contenidos.htm

Con presentación de contenidos, imágenes y actividades http://web.educastur.princast.es/proyectos/biogeo_ov/2bch/B3_METABOLISMO/t31_METABOL/informacion.htm

Más sobre metabolismo http://recursos.cnice.mec.es/biologia/bachillerato/segundo/biologia/ud04/02_04_04_01_01.html