Como se nombran las enzimas
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ENZIMAS
El diagrama de cintas de la enzima
TIM, rodeado por el modelo de relleno de espacio de la proteína. La TIM es una enzima extremadamente eficiente envuelta en el proceso que convierte azúcar a energía en el cuerpo.
Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas. En estas reacciones, las moléculas en el comienzo del proceso son llamadas sustratos, y las enzimas las convierten en diferentes moléculas, llamadas productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas, para que ocurran en tasas significativas.
Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos, el set de enzimas hechas en una célula, determina el camino metabólico que ocurre en cada célula.
Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo la energía de activación (ΔG‡) para una reacción, así se acelera dramáticamente la tasa de la reacción. La gran mayoría de las reacciones de las enzimas son millones de veces más rápidas que las reacciones no catalizadas.
Al igual que ocurre con los catalizadores, las enzimas no son consumidas por las reacciones que ellas catalizan, ni alteran su equilibrio químico. Sin embargo, las enzimas difieren de otros catalizadores por ser más específicas.
Las enzimas son conocidas por catalizar alrededor de 4.000 reacciones bioquímicas. No todos los catalizadores bioquímicos son proteínas, pues algunas moléculas de ARN llamadas ribosomas, también catalizan reacciones.
La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras moléculas. Las inhibidoras son moléculas que disminuyen la actividad de las enzimas; mientras que las activadoras son moléculas que incrementan la actividad. Muchas drogas o pociones son enzimas inhibidoras. La actividad es afectada la temperatura, el pH, y la concentración del sustrato.
Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la síntesis de antibióticos. Además, algunos productos para hogares usan enzimas para acelerar las reacciones bioquímicas
HISTOLIGIA
Desde finales del Siglo XVIII y principios del Siglo XIX, la digestión de la carne por las secreciones del estómago, y la conversión del almidón a azúcar por los extractos de plantas y la saliva, ya eran conocidos. Sin embargo, el mecanismo por el cual esto ocurría no había sido identificado.
En el Siglo XIX, cuando se estaba estudiando la fermentación del azúcar en alcohol en levaduras, Louis Pasteur llegó a la conclusión que esta fermentación era catalizada por una fuerza vital contenida en las células de la levadura, llamadas fermentos, que se pensó solo funcionaban con
organismos vivos. Escribíó que "la fermentación del alcohol es un acto relacionado con la vida y la organización de las células de las levaduras, y no con la muerte y la putrefacción de las células".
En 1878 el fisiólogo Wilhelm Kühne (1837–1900) acuñó el término enzima, que viene del griego &épsilon;νζυμ&ómicron;ν "en levadura", para describir este proceso. La palabra enzima fue usada después para referirse a sustancias inertes como el pepsin. Por otro lado, la palabra "fermento" solía referirse a la actividad química producida por organismos vivientes.
En 1897 Edward Buchner comenzó a estudiar la habilidad de los extractos de levadura para fermentar azúcar debido a la ausencia de células vivientes de levadura. En una serie de experimentos en la Universidad Humboldt de Berlín, encontró que el azúcar era fermentada inclusive cuando no había elementos vivos en las células de las levaduras en la mezcla. Nombró la enzima que causó la fermentación de la sucrosa, “zimasa”. En 1907 recibíó el Premio Nobel de Química "por sus investigaciones bioquímicas y el haber descubierto la fermentación libre de células". Siguiendo el ejemplo de Buchner, las enzimas son usualmente nombradas de acuerdo a la reacción que producen. Típicamente el sufijo "-asa" es agregado al nombre del sustrato (Por ejemplo, la lactasa es la enzima que separa lactosa) o el tipo de reacción (Por ejemplo, el DNA polimerasa) forma polímeros de ADN.
Habiendo mostrado que las enzimas pueden funcionar afuera de una célula viva, el próximo paso era determinar su naturaleza bioquímica.
En muchos de los trabajos iniciales se notó que la actividad enzimática estaba asociada con proteínas, pero algunos científicos (como el Premio Nobel Richard Willstätter) argumentaban que las proteínas eran simplemente el transporte para las verdaderas enzimas y que las proteínas per se no eran capaces de realizar catálisis.
Sin embargo, en 1926, James B. Summer demostró que la enzima ureasa era una proteína pura y la cristalizó; Summer hizo lo mismo con la enzima caralase en 1937. La conclusión de que las proteínas puras podían ser enzimas fue definitivamente probada por John Howard Northrop y Wendell Meredith Stanley, quienes trabajaron en las enzimas digestivas pepsin (1930), trypsin y chymotrypsin. Estos tres científicos recibieron el Premio Nobel de Química en 1946.
El descubrimiento de que las enzimas podían ser cristalizadas eventualmente permitía que sus estructuras fuesen resueltas por una cristalografía de rayos X. Esto fue hecho primero por la lisozima, una enzima encontrada en las lágrimas, la saliva y los huevos blancos que digieren la capa de algunas bacterias; la estructura fue resuelta por un grupo liderado por David Chilton Phillips y publicada en 1965. Esta estructura de alta resolución de lisozimas marcó el comienzo del campo de la biología estructural y el esfuerzo por entender como las enzimas trabajan a un nivel anatómico de detalles.
ESTRUCTURA
Las actividades de las enzimas están determinadas por su estructura tridimensional.
Casi todas las enzimas son mucho más grandes que los sustratos donde actúan, y solo una pequeña porción de la enzima (alrededor de 3 a 4 aminoácidos) está directamente envuelta en la catalización. La regíón que contiene estos residuos catalizados, llevan consigo el sustrato, y entonces realiza una reacción conocida como el sitio activo.
APLICACIÓN INDUSTRIAL
Las enzimas son utilizadas en la industria química y en otras aplicaciones industriales en donde se requiere el uso de catalistas muy especializados. Sin embargo, las enzimas en general están limitadas en el número de reacciones que han evolucionado a catálisis y también por su falta de estabilidad en solventes orgánicos y a altas temperaturas. Consecuentemente, la ingeniería de las proteínas es un área de investigación activa que involucra intentos de crear nuevas enzimas con novedosas propiedades, ya sea por diseño racional o por evolución in vitro.
REACCIONES
Una reacción química tiene dos carácterísticas de importancia: la posición de equilibrio (estabilidad de la concentración de productos y reactivos) y la velocidad de reacción (las reacciones tienen por objeto determinar el mecanismo y la velocidad con que interaccionan las moléculas bajo determinadas condiciones).
La velocidad de una reacción química puede medirse como la velocidad de formación de uno o más de su productos o bien la velocidad de utilización de sus reactivos. Intuitivamente podemos suponer que al aumentar la concentración de los reactivos la probabilidad de interacción de los mismos aumenta conjuntamente con la velocidad que procede tal reacción. Ambas variables
(velocidad de reacción y concentración de los reactivos) son directamente proporcionales, así que matemáticamente debe existir un valor constante, de esta manera podemos escribir:
vr = k. [reactivos]n.
(velocidad de reacción) = (constante). (concentración de reactivos)n
El valor del exponente n es el orden de la reacción. Así si n = 1, estamos en presencia de una reacción de primer orden donde la velocidad es proporcional a la reacción de un solo reactivo. vr = k. [A]
Análogamente, cuando n = 2, la velocidad es proporcional al producto de las concentraciones de dos reactivos o al cuadrado de la concentración de uno solo. Este tipo de reacciones reciben el nombre de segundo orden. vr = k. [A] [B] = k [A] 2
La importancia de determinar el orden de una reacción química radica en que a partir de ese parámetro puede obtenerse información sobre el mecanismo molecular en que opera.
VELOCIDAD DE Reacción Y EQUILIBRIO
En un estado de equilibrio químico las velocidades de reacciones directa e inversa son exactamente iguales. Considerando una reacción de primer orden:
k1 [A] = k – 1 [B]
Este principio nos permite llegar fácilmente a una reacción entre las constantes de velocidad y de equilibrio:
Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción: Energía de activación
La clave llevó al descubrimiento del criterio más importante para las reacciones químicas, las velocidades de reacción son generalmente sensibles a la temperatura. En el caso de las reacciones biomoleculares, un aumento de 10º C incrementa su velocidad entre 1,5 y 5 veces. Para explicar este hecho se postuló que al acrecentar la temperatura aumenta la fracción de moléculas capaces de tener una energía suficiente para alcanzar un "estado activado" que luego se transforme en producto de la reacción por formación o ruptura de enlaces químicos.
Se admite que las únicas moléculas que reaccionan son aquellas que al chocar llevan consigo una energía mayor que un cierto valor mínimo. A este valor de energía necesaria se lo denomina energía de activación y es un factor de suma importancia para determinar la magnitud de la velocidad de reacción.
CATALIZADORES
Para que una reacción química tenga lugar se debe superar el valor de la energía de activación. Una vez vencida esa barrera el sistema evoluciona de forma tal que llegará al estado final de la reacción. La velocidad de reacción podría incrementarse de dos maneras: aumentando la concentración del "complejo activado" o eventualmente disminuyendo la energía de activación. Este último mecanismo es el que se pone de manifiesto cuando se emplea determinadas sustancias llamadas catalizadores. Estas sustancias aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía libre de activación, se combinan con los reactivos para producir un estrato de transición de menor energía que el estado de transición de la reacción no catalizada. Cuando los productos de la reacción se forman, se regenera el catalizador al estado libre.
ENZIMAS: CATALIZADORES BIOLÓGICOS
Las reacciones químicas en sistemas biológicos raramente ocurren en ausencia de un catalizador. Estos catalizadores se denominan enzimas y son en su totalidad moléculas de naturaleza proteica (aunque ha habido estudios acerca de enzimas de naturaleza glucosídica).
Es razonable pensar en la necesidad que tienen los seres vivos de poseer estos catalizadores, ya que las funciones vitales de cualquier célula serían imposibles de mantener si las reacciones que ocurren en ella fueran extremadamente lentas.
Además de incrementar la velocidad las enzimas exhiben una elevada especificidad y en algunos casos pueden ser reguladas por diferentes metabolitos, aumentando y otras veces disminuyendo, de acuerdo a las necesidades del momento, su actividad.
Todas estas propiedades pueden ser cumplidas por moléculas altamente complejas, que al ser moléculas orgánicas (macromoléculas) comparten carácterísticas con las proteínas no enzimáticas y difieren de los catalizadores inorgánicos:
A) Son termolábiles y su actividad depende en ciertos casos del pH del medio
B) El reconocimiento de la enzima con el reactivo a procesar (denominado sustrato) es altamente específico
C) Tienen gran eficiencia, es decir, transforman un gran número de moléculas de sustrato por unidad de tiempo
D) Están sujetas a una gran variedad de controles celulares, genéticos y alostéricos
Como todos los catalizadores las enzimas aceleran notablemente la velocidad de una reacción química y cumplen con las siguientes carácterísticas:
1) Son efectivas en pequeñas cantidades
2) No sufren modificaciones químicas irreversibles durante la catálisis. Es decir que luego de la reacción enzimática, las moléculas de enzimas que reaccionaron son indistinguibles de las que no lo han hecho, (la estructura de la molécula se mantiene, al principio y final de la reacción, exactamente igual).
3) No afectan la posición de equilibrio de la reacción que catalizan. El estado inicial y final de la reacción es el mismo, solo que se llega al equilibrio mucho más rápidamente.
NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN
Una forma general de denominar a las enzimas es añadir el sufijo "asa" al nombre del sustrato. Así, la ureasa es la enzima que cataliza la hidrólisis de la urea formando Amóníaco y dióxido de carbono.
Sin embargo con el descubrimiento de nuevas enzimas esta nomenclatura resulta a veces confusa. Actualmente se ha adoptado ciertas recomendaciones de la Internacional Enzime Comission, que pretende sistematizar la nomenclatura y clasificación de las diferentes enzimas conocidas. Este sistema divide a las enzimas en seis clases que a su vez pueden tener diferentes subclases.
Clasificación Internacional de las Enzimas
Óxido – Reductasas (reacciones de oxido- reducción) Actúan sobre ": CH – OH " Actúan sobre ": C = O " Actúan sobre ": C = CH – " Actúan sobre ": CH – NH2 " Actúan sobre ": CH – NH – " | Hidrolasas (reacciones de hidrólisis) Esteres Enlaces glucosídico Enlaces pepsídicos Otros enlaces C – N Anhídridos de ácido |
Transferasas (transferencia de grupos funcionales) Grupos de un átomo de C Grupos aldehídos o cetónicos Grupos acilos Grupos glucosilos Grupos fosfatos Grupos que contienen azufre | Liasas (Adición a los dobles enlaces) : C = C : : C = O : C = N – |
Isomerasas (reacción de isomerización) Racemasas | Ligasas (Formación de enlaces con escisión de ATP) : C – O : C – N |
Los nombres propuestos en este sistema son los que se emplean cuando es necesaria una identificación exacta de las enzimas, (por ejemplo en revistas científicas). Sin embargo, cotidianamente pueden emplearse los nombres triviales por ser mucho más conocidos.
COFACTORES
Algunas enzimas dependen para su actividad catalítica además de la estructura proteica, de otras moléculas de naturaleza no proteica. Estas estructuras reciben el nombre de cofactores. Esto s son resistentes al calor mientras que las proteínas generalmente no lo son. El complejo enzima – cofactor recibe el nombre de holoenzima. A la fracción proteica aislada del cofactor que es inactiva se la denomina apoenzima. Los cofactores pueden ser simplemente iones metálicos o en algunos casos moléculas orgánicas complejas. Estas últimas el nombre de coenzimas.
Holoenzima = Apoenzima + Coenzima
Activadores Metálicos Elemento | Enzima Activada |
Zn++ | Deshidrogenasas, anhidrasa carbónica, ARN y ADN polimerasas. |
Mg++ | Fosfohidrolasas, fosfotransferasas, fosfatasas. |
Mn++ | Arginasas, peptidasas, quinasas. |
Mo | Nitratoreductasa, nitrogenasa. |
Fe2+, Fe3+ | Citocromos, catalasas, ferredoxina, peroxidasas, nitritoreductasa. |
Cu2+ | Citocromo oxidasa, tirosinasa, ácido ascórbico oxidasa, plastocianina |
Ca2+ | 1,3 β glucansintetasa, calmodulina. |
K+ | Piruvato fosfoquinasa, ATPasa. |
Co | Vitamina B12hallada en microorganismos y animales, pero no en plantas. Importante en la fijación simbiótica de nitrógeno. |
Ni | Ureasa. |