Energía y consumo

Grupo BC09A Trimestre 16I

Mecanismos generales de reacciones enzimáticas. Formación del complejo enzima-sustrato, concepto sitio activo, especificidad de acción y sustrato

Los enzimas son biomoléculas especializadas en la catálisis de las reacciones químicas que tienen lugar en la célula. Son muy eficaces como catalizadores ya que son capaces de aumentar la velocidad de las reacciones químicas mucho más que cualquier catalizador artificial conocido, y además son altamente específicos ya que cada uno de ellos induce la transformación de un sólo tipo de sustancia y no de otras que se puedan encontrar en el medio de reacción.

MECANISMOS GENERALES DE REACCIONES ENZIMATICAS.
Los enzimas, en cuanto que proteínas, presentan todos los rasgos estructurales y propiedades químicas que caracterizan a esta notable clase de biomoléculas. En efecto, se ha podido comprobar que los enzimas pierden su actividad catalítica cuando sufren desnaturalización por efecto de los mismos agentes que afectan a las demás proteínas; la conformación tridimensional nativa intacta de la proteína enzimática resulta indispensable para que ésta desempeñe su función. Además, los enzimas, al igual que otras muchas clases de proteínas, presentan un centro activo a través del cual interactúan con la(s) molécula(s) de ligando, que en este caso recibe(n) el nombre de sustrato(s), mediante un acoplamiento espacial (las superficies moleculares de ambos tienen formas complementarias) y químico (grupos funcionales complementarios del enzima y el (los) sustrato(s) establecen diferentes tipos de interacciones débiles entre sí). Tanto la actividad catalítica como el elevado grado de especificidad química que presentan los enzimas residen en esta interacción específica entre el enzima y su sustrato.
El centro activo es una cavidad existente en la superficie del enzima que está forrada interiormente por una serie de restos de aminoácidos. Por regla general los aminoácidos que forman parte del centro activo no se encuentran contiguos en la cadena polipeptídica, sino ocupando posiciones a veces muy alejadas en la misma. El hecho de que estos aminoácidos coincidan próximos entre sí sobre el centro activo no es más que una consecuencia del plegamiento característico de la cadena polipeptídica, es decir, de la conformación tridimensional nativa de la proteína enzimática.
La hipótesis del complejo enzima-sustrato explica de modo satisfactorio el efecto de saturación del enzima por el sustrato observado en los estudios de cinética enzimática: cuando la concentración de sustrato es muy superior a la concentración del enzima en el medio de reacción, todos los centros activos de las moléculas de enzima se hallan ocupados en un momento dado por moléculas de sustrato, con lo que aumentos posteriores de la concentración de éste no se traducen en aumentos en la velocidad de reacción.[1]

ESPECIFICIDAD ENZIMATICA.
Los enzimas, además de ser unos catalizadores muy eficaces, presentan un alto grado de especificidad química, es decir, son capaces de inducir la transformación de un sólo tipo de moléculas y no de otros que también se encuentran presentes en el medio de reacción. Un enzima es capaz de discriminar entre dos sustancias que potencialmente podrían actuar como sustratos.
Como ya se apuntó anteriormente, la relación que existe entre el enzima y su sustrato es un caso particular de un fenómeno más amplio: la relación entre las proteínas y sus respectivos ligandos. Aunque hemos introducido alguna salvedad sobre el particular (el enzima no es exactamente complementario con el sustrato sino más bien con el estado de transición), podemos afirmar que entre el enzima y su sustrato se da un acoplamiento espacial (el sustrato "encaja" en el centro activo del enzima) y químico (ambos poseen grupos funcionales que pueden establecer interacciones débiles entre sí). La especificidad de los enzimas reside en esta complementariedad estructural. Así, aquellos potenciales sustratos que, por falta de acoplamiento espacial y/o químico, no puedan acceder al centro activo del enzima, no podrán ser transformados por él. Por otra parte, es necesario tener en cuenta que, en muchos casos, no es la totalidad de la molécula de sustrato, sino solamente una parte de ella, denominada grupo determinante de la posición, la que se acopla espacial y químicamente con el centro activo.
La importancia de las interacciones débiles entre grupos funcionales complementarios del sustrato y del centro activo en la determinación de la especificidad de los enzimas debe hacernos reflexionar sobre un hecho crucial: la energía de fijación, que como hemos visto es la principal fuente de energía libre para la catálisis, proporciona también especificidad. Catálisis y especificidad son dos propiedades de los enzimas que, aunque conceptualmente se distinguen  con facilidad, responden en realidad a un mismo fenómeno: la interacción energéticamente favorable entre el enzima y el sustrato.
Aunque los enzimas son en general muy específicos comparados con cualquier catalizador artificial, su grado de especificidad resulta ser muy variado. Existen enzimas con una especificidad muy estricta que sólo reconocen a un sustrato determinado y no inducen la transformación de otras moléculas aunque estén estructuralmente muy relacionadas con él; algunos enzimas incluso son capaces de distinguir entre formas estereoisómeras de una misma sustancia (por ejemplo la lactato-deshidrogenasa sólo es capaz de deshidrogenar al estereoisómero L del ácido láctico). En el otro extremo del espectro de especificidades se encuentran enzimas con una especificidad relativamente amplia: pueden inducir la transformación de toda una serie de sustratos que presentan determinado rasgo estructural común (por ejemplo la fosfatasa alcalina induce la hidrólisis de diferentes ésteres del ácido fosfórico). Existen entre ambos extremos todos los grados de especificidad imaginables.[2]

Glosario

1. Catálisis: La catálisis es el proceso por el cual se aumenta la velocidad de una reacción química, debido a la participación de una sustancia llamada catalizador y las que desactivan la catálisis son denominados inhibidores.
LEXICOON. Catálisis [en línea] - Edición 3.7 (Dic 2015). Disponible en http://lexicoon.org/es/catalisis fecha de consulta 24 marzo 2016

2. Estereoisómero: Compuesto químico que contiene el mismo número de átomos, unidos de la misma forma, pero con diferente configuración espacial. Por ejemplo, uno puede ser la imagen especular del otro.
Diccionario medico Onsalus. 2009. Estereoisómero. http://www.onsalus.com/definicion-estereoisomero-10674.html#ixzz43oGqUAsb  fecha de consulta 24 de marzo 2016

3. Polipeptídica: Conjunto de péptidos unidos entre si. En general el conjunto está compuesto por mas de seis péptidos.
Miguel Calvo. (2015). BIOQUIMICA DE LOS ALIMENTOS. de Unizar Sitio web: http://www.onsalus.com/definicion-estereoisomero-10674.html#ixzz43oGqUAsb  fecha de consulta 24 marzo 2016

REFERENCIAS




[1] Bioquímica .2002 5ta edición. Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko y Lubert Stryer ; Contenidos Web de Neil D. Clarke.

[2] Bioquimica . 2002. 3era edición. Christopher K. Mathews, K. E. van Holde, Kevin G. Ahern

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