Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
of 29
-
Upload
roni-monteza-fernandez -
Category
Documents
-
view
226 -
download
1
Transcript of Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
1/29
Enzimas3os
catalízadores
de
la
vida
T'r
.Ún el Capítulo5 hicimos eferencia AG', la variación
de energía
ibre,y
vimos su mportancia omo ndicador
de
la
espontaneidadermodinámica.Concretamente,l
signo e AG' nos dice
si
una reacción
s
posible
en
a
di-
rección ndicada,
la
magnitud e A,G' ndica a cantidad
de energía
uepuede
er
iberada
o
que
debe ersuminis-
trada),mientras
que
a reacción iene ugar en
esa
direc-
ción,bajo ascondiciones
ara
ascuales ecalculóAG'. Al
mismo
tiempo,
pusimos
cuidadoen señalar
ue
el
pará-
metro termodinámicoAG' no
puede proporcionarnos
ningunapista.en uanto
a si una
reacciónactible
endrá
lugar ealmente, a
qué
velocidad. n
otras
palabras,
G'
nos dice si una reacción
puede
ener ugar
pero
no dice
nadaen absolutosobresi realmenteendrálugar.Paraesta
distinción, ecesitamosonocer, o
sólo
a dirección la
energla e a reacción, ino ambiénalgoacerca e l meca-
nismo
y
la velocidad.
Esto nos leva al tema de la cat¡ílisisenzimática,
por-
queprácticamente
odas
as eaccionesprocesos
elulares
son
mediados or proteínas
o,
en ciertos asos, RN) ca-
talizadoras lamadasenzimas. as únicas reacciones ue
ocurren unavelocidad preciablen unacélula onaque-
llas
para
ascualesasenzimas propiadas
stán
resentes
activas. sí,
as
enzimas asisiempresignifican a diferen-
cia entre
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
2/29
formación
del correspondiente
ifosfato
(ADP)
y
fosfato
inorgánico
P'):
AIP
+
HrO:
ADP +
Pi
(6.1)
Esta eacción
smuy
exergónicaajo
condiciones
s-
tándare incluso
o esmás
en as condiciones
ue prevale-
cenen ascélulas.
inembargo, pesar
e
que
a variación
de energía
ibre esmuy
alta,esta eacción
iene ugarpor
sí
misma
sólo entamente,
e manera ue
el ATP
permanece
estable
durante varios
días cuando
se disuelve
en agua
pura.Estapropiedad arece er compartida or muchas
moléculas
reacciones
iológicas.
La barrera
e aetivación
nergética
ebe
ser superada
antesde
que
se
pueda
erificar
na eacción
uimica
Lasmoléculas ue
deberíaneaccionar
ntre
sí,a menudo
no
o hacen orque
arecen
eenergía
uficiente. ara
oda
reacción,
hay una
energíade
activación
específica
.Eo),
definidacomo a
cantidadmínima
de
energía
ue
os
reac-
tivos deben ener
antesde
que
a colisión
entre ellos enga
éxito,
dandoorigena os productos.
Más
específicamente,
los reactivosnecesitan ).canzarn estadocuímico inter-
medio
lamado
estadode
transiciór, .tryi
energíaibre
esmayor que a
de os reactivos
niciales.
a Figura
6.la
muestra
a energía
e activación
equeridapara que
as
moléculas
eATP HzO
alcancen
l estado e
ransición.
AG"
mide a diferencia
n a
energíaibre
entre os reac-
tivosy los productos
-7,3
kcal/molpara
esta
eacción
en
particular),
mientrasEo ndica
el mínimo
de energía
requeridapara que
los reactivos
alcancen
l estado
de
transición
y, por
tanto, sean
capaces e
dar lugar
a los
productos.
La velocidad eal
de una reacción
s siempre ropor-
cional a la fracción
de moléculasque
tienen
una
energía
igual
o mayor
que
Eo.
Cuandoen una
solución
tempera-
tura ambiente,asmoléculas e ATPy agua emueven
i-
bremente, ada
una
posee
na
ciertacantidad
de energía
en
un
momento
dado.
Comosemuestra
n a Figura
6.ib,
la
distribuciónde energía
ntre asmoléculas
iene
orma
de campana;
lgunasmoléculas
endrán
poca
energía,
l-
gunaspodrán
enermucha,
la mayoría
estará
erca
del
promedio.
El hechoa
destacar s
que
sólo as
moléculas
capaces e reaccionar
n un instante
dado,
son as
que
ie-
nensuficiente
nergía
ara
superara barrera
eenergía
e
activación
Figura
.1b, ínea
discontinua).
El
estado etaestable
seilesultado
e a
barera
deactivación
La
energíade activación
es,
para
a
mayoría de las
reaccio-
nes biológicas
a temperaturas
celularesnormales,
o sufi-
Estado
de ransición
F n o r n i a ¡ i n Á t i n a
de as
moléculas
(b)
Activación
ermal
Figura
.1 Efecto
e a catálisis
n a
ener$ade activación
en
el número
e
moléculas
apaces e reaccionar.
(a)
La
energía
de activación E,
es a
cantidad
mínima
de energía
cinética que
deben poseer
os reactivos
aquí,
ATP
y
HrO) parapermitir
ias
colisiones ue
conducen
a a formación
del
producto.
Cuando los reactivos ebasana barrera
de energia
e activación
reaccionan,
los
productos
tienen
una energía
ibre
reducida
en
una cantidadAG".
(b)
El
número de moléculas
N1,que
son o
suficientemente
energéticas ara
sobrepasara
barrerade energía
e
activación
chocarsatisfactoriamente,
se
puede
ncrementar
a N2,
elevando
a
temperatura
de T, a Tr.
(c)
La energía
de
activación
ambién puede
disminuirse
por
un
catalizador,
d)
incrementándose
así el número
de moléculas
de
\
a Nr',
sin que cambie
a temperatura.
t \
c)
_o
(Ú
o)
c)
c
LU
1T:
t
@
(Ú
f
O
'q)
o
E
o
o
o
c)
E
.l
z
A f l o '
I
V
A D P + l
(a)
Secuencia e reacción
(c)
Secuencia e reacción
on
catalizador
/v1
N2
a
5
o
.c)
E
c)
c
o
c)
E
.l
z
t \
c
c)
- c )
q)
LL
F n a r n í e n i n Á t i ¡ a A /
, ' 1
de las
moléculas
-.J
N;
(d)
Activación
atalítica
-.--\-
40
Gapítulo Enzimas:
os
atal¡zadorese a
vida
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
3/29
-'-
-{PGf'?YfFffi-
rn-etae
tabT-eler
oi'b6fi
ftluEt6
cel lare , son c u c ale ,
- . - . . . .
. - : + , ¡ : , . . . - _ " ^ , - . . : , , '
r , i - e _ - _ -
porque
a
?ida,
pdr
sb'plopia
naturaleza, s un sistema
cientemente alta
para que
la
proporción
de moléculas
que
posean
mucha energía en un
instante
dado,
sea
extrema-
damente
pequeña. Por consiguiente, la velocidad de las
reacciones no catalizadasen las células es müy baja,
y la
mayoría de las moléculas
parecen
ser estables,
pese
a ser
reactivos
potenciales
en
reacciones avorecidas ermodiná-
micamente. Son,
en otras
palabras,
termodinámicamente
inestables,
pero
no
tienen
la
energía suficiente
para
sobre-
pasar
a
barrera
de la energía de activación.
Talesmoléculas, aparentemente estables,
e dice
que
es-
tán en un estado metaestable._P*arp
as
célgljts¿los-
biológi-
cos celulares,
a enereí
íg
de acti-vggióg3lta
-y_
el..estado
Si os reactivos
uede
agruparse obrealgún
ipo
de
superficie ue aciliteque
a
porciones
potencialmente
eactivas e asmoléculas
dya
centes e
yuxtaponganapropiadamente,a interacción
s
verá avorecida normemente
la
energía e activación e
ducidade
maneraeficaz.
Latareade
proveer
de al superficie
eactiva
s a
propi
de un catalizador,
agente
ue
aumentalavelocidad
e un
reacción,
disminuyendo
a
energíade activación
(Figu
6.lc) y asegurandoueunaproporciónmayor de molécu
las seansuficientemente
nergéticas
ara
experimentar
reacción in suministro e calor
Figura
.1d).
Una
cara
terística
rimordial
de
un
catalizador
s
oue
no
semodif
capermanente_nqeIte.nisg__g9nsl¿rng.¡nienjrailalg
t
ene luga
Sim
plene¡te,plo p
o
Lsr
n
a_u¡
a
m
b_inle
-d-e
cuado
pa¡a
Q_c-i 1adq
949qió_q,
Podemos
onsiderara descomposiciónel
peróxid
de hidrógeno
n agua oxígeno, omo un ejemplo
de ca
tálisis:
2H2O2
-
2
H2O
+
02
(6.
Éstaesunareacción ermodinámicamenteavorecida, es
a
que el
peróxido
de
hidrógeno
existaen un estado
me
taestable ebido
a la alta energía e activación
de
a
rea
ción.Sin
embargo, i añadimos n
númeropequeño
e o
nes de
hierro
(Fe")
a una solución de
peróxido
d
hidrógeno,a reacción e descomposicióniene ugar
una
30.000
ecesmásúpida
que
sin os onesde hierro.
Clar
mente, l on Fe'-
esel catalizador n esta eacción,
edu
ciendo
a
energía
e activación
como
semuestra n
a F
gura 6.1c)
y, por tanto, asegurando
ue
una
proporció
significativamente
mayor
de
moléculas
e
peróxido
de h
drógeno
30.000
ecesmás)
posean
a energía
decua
para
descomponerse
a
temperatura
ada,
in necesid
de aporteenergético dicional.
En las células,
a
solución
para
a descomposición
peróxido
de
hidrógenono es a
adición
de ones
érrico
sino
a enzimacatalasa, na
proteínaque
contienehierr
En
presencia
e Ia catalasaa reacción s 100.000.000
vecesmás
ápida
que
en ausencia e catalizador. a
catal
sacontiene
tomos e hierro etenidos n estructurasu
micas lamadas
orfirinas.
sí, a ventaja
e
a
catálisisn
orgánica e
ncorporadentro del contextode una molécu
proteica.Esta
combinación
da ugar a un catalizador
mu
cho
más eficazparaladescomposición el
peróxido
de h
drógeno
que
os onesde hierro aislados. l incremento
d
la velocidadde, aproximadamente, 08 eces
panla
cat
lasa,
no es un valor atípico en absoluto; os aumentos
d
velocidad de
las reacciones
atalizadas nzimáticame
están
n el rangocomprendido ntre107 1014,n coÍlpa
ración
con las reacciones o catalizadas. stos alores
su
brayan a importanciaextraordinaria
de as
enzimas om
catalizadores
nos llevan hastael tema
principal
de
es
capítulo.
mantenidoen un
estado stacionarioejosdel equilibrio.
Si
no fuera
por
el estadometaestable,odas
as eacciones
tenderían
ápidamente
l
equilibrio
y
la vida sería mposi-
ble al como
a conocemos.a vida,
por
lo tanto,depende
de
que
as
energías
e
activación
eanaltas, vitando
que a
mayoríade as reacciones elulares curran a
velocidades
apreciables n ausencia
e un catalizador propiado.
Loscatalizadoresuperana banerade a energ¡la
de activación
La
energía e
activaciónno es sólo importante
para
el,
mantenimiento el estado
metaestable,ino
que
es aml
biénunabarrera
ue
sedebe uperar,
ara
que
as
eaccio-
nesdeseablesengan
ugara velocidadesdecuadas.ado
que
el contenidoenergético e una molécula
dada
debe
superarEoantes e
que
a molécula
ea
apaz e reaccio-
nar, a única manerade
que pueda
verificarse na
reac-
ción basadaen reactivosmetaestables, una
velocidad
adecuada, s aumentar
a
proporción
de moléculas ufi-
cientemente
nergéticas.stose
puede
onseguir,ien au-
mentando l contenidomediode energía e odas asmo-
léculas, bien reduciendo l requerimiento e energía
e
activación.
Una
manerade ncrementar l contenidode energía el
sistema s suministrando
alor.
Como
muestra a Figura
6.lb, simplernente
ncrementandoa
temperatura
el sis-
tema desde
T, a T,
se
aumentarála energia inéticade as
moléculas, segurando,
or
tanto,
que haya
un
mayor nú-
mero
de
moléculaseactivas
N,
"r
lugarde
{).
Así,lahi-
drólisis de AIP
podría
ser
facilitada calentando a
solu-
ción, esdecir,confiriendo a cadamoléculade
ATP y
agtJa
más
energía.
I
problema
de
usaruna emperaturaelevada
es que es ncornpatiblecon la vida, porque los sistemas
biológicos
equierenuna temperatura elativamente ons-
tante. Las célulasson esencialmente istemas
sotérmicos
(temperatura
onstante) requierenmétodos
sotérmicos
para resolver l
problema
de a activación.
La alternativa un
incrementode a temperaturaes e-
ducir
el requerilqlelQ_dcll-ilqlg1a_d9_aclivaqaa.Dc,ese
r-nodo, os aseguramos e
que
una
proporción
mayor de
Ener$a eactivaciónel estadometaestable
14
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
4/29
Enzimas
como
catalizadores
biológicos
Independientemente
de su naturaleza química,
todos
los
catalizadores
comparten
tres
propiedades
básicas:
1.
Un catalizador incrementa
la
velocidad
de una reac-
ción disminuyendo
el requerimiento
de la
energíade
activación
y permitiendo
que
una reacción
termodi-
námicamente
factible,
tenga lugar
a
una
velocidad
razonable,sin necesidadde activación térmica.
2.
Un catalizador funciona formando
complejos tran-
sitorios
con las moléculas
de sustrato, ligándolas
de
manera
que
se acilite
su interacción.
3 . U n c u t i l i f f i a d
a l a q u e e
consigue I equilibrio;
no tiene
efecto
sobre
a
posi-
cióndelequilibrio.
Esdecir,
n catalizador uede
n-
crementar a
velocidad
e
as
reacciones
xergóni-
cas,
ero
no
puede,
eninguna
manera,
ervir omo
motor energético
e una reacción
ndergónica.
n
otras
palabras,
os catalizadores
o
son
genios
er-
modinámicos.
Estas ropiedadesoncomunes todos oscatalizado-
res, ean rgánicos
inorgánicos.
efiriéndonos
nuestro
ejemplo, sto eaplica
gualmente
os ones
de hierro
y
a
las
moléculas e
catalasa.
in embargo,os
sistemasioló-
gicos
aramente
usancatalizadores
norgánicos.
En vezde
eso, undamentalmente
odas as
catálisis n as
células e
llevan
a cabo
por
moléculas
rgánicas
pr.otelnas
n a ma-
yorla
de os ce.s_o )-llamadgs-e¡zimas.
ebido
a que as
en-
zimas
onmoléculas
rgánicas,on
muchomás
específicas
que
os
catalizadoresnorgánicos,
susactividades
e
pue-
den egular on mucho
máscuidado.
Lamayoría e asenzimas onproteínas
La capacidad
e os
extractos elulares ara
catalizar eac-
ciones
químicas
eha
conocidodesdeos
estudios
e a fer-
mentación e Eduard
HansBuchner
n 1897.
De hecho,
uno de os
primeros
nombres
aplicados
lo
que
ahora la-
Sustrato
unido l
centro ctivo
Sustrato
unido l
centro ctivo
(a)
Lisozima
Capitulo
Enzimas:
oscatalizadores
e a vida
mamos
enzimas ue elde
ermentos.Sin
mbargo,
ubo
que
esperar asta
926
para
obtener
a
primera
enzima
cristali-
zada,la reasa
apartir
de asalubias, or
fames
B.
Sumner),
demostrándose ue
era una proteína.
ncluso,
entonces,
pasó
un tiempo hasta
que
os bioquímicosy
enzimólogos
apreciaranque
los
ue
estaban
estudiando
eran,de hecho,
roteínas
atalíticas, quepara
su
completa
comprensión e requería
entender
u estructura
función
como
proteínas,
En
os
primeros
ños
e 1980,os
biólogos
descubrieron ue,
además e asproteínas,
iertas
moléculasdeARN, lamadas
.ubp:wras,tienen
ambién
actividad
ata-
lítica.Las ibozimas
serándiscutidas
n una
sección róxi-
ma. Aquí, consideraremos
as
enzimas omo proteínas,
as
cuales
on, ealmente,a mayoría.)
El sitio activo.
Uno de los
conceptosmás
mportantes
para
entender
asenzimas
omo
proteínas,
sel de
sitio ac-
tivo.
Cadaenzima, ndepe
catalice
o de su estructuraparticular,
contiene
dentro
de
alguna
arte
desu
estructuraerciaria
n
grupo
caracterís-
tico deaminoácidos
ue
orman
el
sitioactivo, onde
ocu-
rre
el
evento
catalítico
del cual
esaenzima
es esponsablg.
Normalmente,el sitio activoesun surcoo bolsillorealcon
propiedades
uímicas
estructuralesuepermiten
a
aco-
modaciónadecua9_tyespeclfica.
el sustrato. a
Figura
6.2
muestra
os modelos
btenidos or
ordenador
e as
enzi-
mas
lisozimay carboxipeptidasa
,
que
ilustran
bien
el
ajuste
preciso
de a molécula
de sustrato
en los
bolsillos
producidos
or
el
pliegue
aracterístico
e as
cadenas
e
polipéptidos.
a lisozima
es
una enzima
que
rompe
as
qniones
glicosídicas
n os
peptidoglicanos
e as
paredes
bacterianas.
onduciendo la
lisis
(ruptura)
y
muerte
de
las bacterias. a carboxipeptidasa
es una
enzimaque
modifica ospolipéptidos
liminando
n aminoácido
ada
vezdesde l extremoC-terminaldelpolipéptido.
El
sitio activode
una enzima ípica
comprende
un
nú-
mero determinado
e aminoácidos,ue
normalmente
o
soncontiguos,
o largode a
secuencia
rimaria
de a
pro-
teína.
En todo
caso, emantienen
untos,
en una
confor-
macióncorrecta, racias
l
plegamiento
ridimensional
a-
Figura6,2
Estructurasmoleculares
de a lisozima
la caÉoxipeptidasa
.
Modelo tridimensional
compacto
generado
por
ordenador
de las enzimas
(a)
Iisozima y
(b)
carboxipeptidasa
A,
con las respectivas
moléculas
de sustrato
unidas a sus
sitios activos,
un segmento
corto de un peptidoglicano bacteriano,
en el caso
de la lisozima y
un
péptido
artificial, en el
casode a
carboxipeptidasa
A.
¡tr
142
(b)
Carboxipeptidasa
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
5/29
racterístico
e
a cadena
olipeptídica.
or
ejemplo,la
mo-
lécula
carboxipeptidasa
,
que
se
muestra
en
la Figura
6.2b,
consiste
n
un único
polipéptido
de 307
residuos
amoinoacílicos,
e
os
quesóloseis
stán
resentesn el si-
tio activo:
os residuos
e
histidina
en
as
posiciones 9
y
196,los
e
glutamato
n
as
posicionesT2y
70,el de argi-
nina en
a
posición
145, el de
irosina
en a
posición248.
Esta
elación
de aminoácidos
ituados
a
lo largo de
Ia ca-
dena,
ubraya
a
mportancia
de
a estructura
erciaria
otal
de
a molécula
enzímática.
ólocuando
a molécula
alcan-
za su conformaciónridimensional stable ereúnen os
aminoácidos
specíficos
ara
constituir
el sitio
activo.
En
realidad
ólounos
pocosde os
20 aminoácidos
ife-
rentes
que forman
las
proteínas,
stán
presentes
n el sitio
activo
de
a mayoría
de
as
proteínas
ue han
sido estudia-
das.
Casi
siempre
parecen
os aminoácidos
isteína,
istidi-
na, serina,
spartato,
lutamato
lisina.
b4gs
etlospugden
parficiparen
a únión del
sustrato
al
sitio activo
durante
el
proceso atalítico,
Ia histidina,
el
aspartato.
el
glutamato'
sirven
ambién
omo
donantes
aceptores
e
protones.
Algunas
nzimas,
demás
e
estar
ormadas
or
una
o
más
cadenas
olipeptídicas,
ueden
ortar ambién
com-
ponentes o proteicos. stoscomponente
pg _plgstéticg
normalmente
son
moléculas
orgánicas
f'equeñas
lones
metálicos'
ales
omo
el hierro
de
a enzi-
ma catalasa.
recue_nteme 8,
u
ncjqn4njolqo-gcqplqres
deélectrones,
orque
nlngu¡o
de
osaminoácido
s
de
Ia.cadena
sun
buen3qgplal-d-9-el9Ell9nes'
os
grupos
prostéticos,n
oscasos
n
que
están
resentes,e
ocalizan
en el
sitio activo
y son ndispensables
ara a actividad
ca-
talítica
de
a enzima.
La
carboxipeptidasa
es
un ejemplo
de
una enzirha
onun
grupo
prostético;
iene
un átomo
de
zinc
estrechamente
nido
a dos
residuos
de
histidina
y
a
uno
de
os
glutamatos' n
su sitio
activo.
Especificidadnzimática.Unaconsecuenciae a estructu-
ra del
sitio activo
es
que as enzimas
manifiestan
un alto
grado de especificidad
por
el sustrato,
puesto de
mani-
fiesto
por su habilidad
para
discriminar
entre
moléculas
muy similares.
a especificidad
suna
de
as
propiedades
más aracterísticas
e osseres
ivos,
precisamente
asen-
zirnas
on
unosde
os ejemplos
másespectaculares
e
es-
pecificidad iológica.
Podemos
mostrar esta
especificidad
omparando
as
enzimas
on
los catalizadores
norgánicos.
a
mayotia
de
los catalizadores
norgánicos
on
muy
pocosespecíficos
por ello
puedenactuar
obre
na
variedad
e componen-
tesque comparten lguna aracterísticauímicageneral.
Considere,
or
ejemplo,
a hidrogenación
incorpota-
ción
dehidrógeno
un enlace
nsaturado
C:C):
Esta
reacción
se
puede levar
a cabo
en el
laboratorio
usando
un catalizador
de
platino
(Pt)
o de
níquel
(Ni),
como
se ndica.
Estos catalizadores
norgánicos son
muy
poco específicos,
udiendo catalizar
a hidrogenación
de
una amplia
variedad
de
componentes
nsaturados.
De he
cho,
el
níquel
o el
platino
se
usan comercialmente
para hi-
drogenar
aceites
vegetales
poliinsaturados,
en
la fabrica
ción
de
manteca
para guisar o de
manteca
vegetal. S
pueden
hidrogenar
eficazmente
en
presenciade níquel o
platino, con
independencia
de
cuál sea
a estructura
de
componente insaturado.
Comparémoslo
con
el ejemplo
biológico
de
a hidroge
nación
que tiene
lugar en
la conversión
de fumarato en
succinato,
eacción
que
consideraremos
e
nuevo en
el
Ca
pítulo
10:
Esta
eacción
scatalizada
n
ascélulas
or Ia enzim
succinato
eshidrogenasa
llamada
sí
porquenormalme
te funciona
en el
metabolismo
nergético
n
a
direcci
opuesta).
sta
deshidrogenasa,
omo
muchas
nzimas
altamente
specífica.
o
puede
ñadir
o
quitar
hidrógen
desde
ingún
compuesto,
xcepto
os
que
semuestran
la
Reacción
.4.De
hecho, sta
nzima
s an específica
u
incluso
no
puede econocer
l
maleato,
na isoformad
fumarato
Figura
6.3).
No todasasenzimas on an específicas;lgunasec
nocen
un
número
muy concreto
e
substratos,
otras e
conocen
na
categoría
mplia
de
sustancias'
iempre
u
posean aracterísticas
structurales
omunes.
staespe
ficidad
por grupos esmás
recuente
en
enzimas mplica
das
en
a síntesis
degradación
e
polímeros. l objeti
de
a carboxipeptidasa
esdegradar
os enlaces
olipep
dicos
desde
el
grupo
carboxilo
erminal;
así,
a función d
o
-O-C
H
\ , /
C
i
+ 2 H * + 2 e - :
t l
, / \
H C-O_
l l
t l
o
Fumarato
o
-o -c
H
\^ /
n
,/
"\
r ^
N U - U
o
(a)
Fumarato
H O
l l l
H-C-C-O
^ l
U I
il |
(6.
-o-c-c-H
I
H
Succinato
o
-o -c
H
\^./
U
t l
a
,,,"\
\ J - \ ,
n
ó
(b)
Maleato
H H
t l
R-C:C-R'
H H
t l
+ Hz
---------)
R-Q-q-R
(6.3)
P t o N i
I I
H H
Figura
.3
Los
estereoisómeros
a)
umarato
(b)
maleato'
Enzimas
omo atalizadores
iológicos
t4
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
6/29
estaenzima
esaceptaruna
gran variedadde
polipéptidos
como
sustratos,
a
que
a utilización de enzimas
distintas
para
odos
os
enlaces
éptidicos
diferentes
ue
ienen
que
ser
hidrolizadosen a degradación
olipeptídica, epresen-
tarla un
gasto
nnecesario
ara
a célula.
Sin embargo,
as enzimas on
generalmente e alta es-
pecificidad
con relación al sustrato,
anto
que
una célula
puedeposeer asi antasenzimas iferentes,
omo
reaccio-
nes iene
qtoe
atalizar.
arauna célula ípica,
son necesa-
riasmiles de enzimasdiferentes
ara
cumplir con
todo su
programametabólico.En
principio, parece n
gasto
uper-
fluo tener
que
sintetizar
antas
proteínas,
lmacenar
anta
información
genética tener siemprea
mano tantasenzi-
mas en la célula.
Peroesto mplica enormes
posibilidades
de regulación,
omo veremos
más adelante.
Divetsidadnzimát¡ca
nomenclatura, o essorprendente
que
hayansido
dentificadasmiles de
enzimas, adasu es-
pecificidad
el
amplio número de
reacciones
ue
ocurren
dentro de
una célula.
Esta
enorme
diversidad e enzimas
funcionesenzimáticas
a
dado
ugar a una
gran variedad
de
combinaciones
ara nombrarlas,a
medida
que
eran
descubiertas descritas. lgunassedenominaronsegúnel
sustrato, omo
por
ejemplo ibonucleasa,
roteasay
mila-
sa.Otras,
cbmo a succinato
eshidrogenasayla
osfoglucoi-
someresa,se
ombraron egún
us unciones. inembargo,
otrasenzimas
ienennombres
que
no
están
n absoluto
e-
lacionados on sussustratos
sus unciones.
La
tripsina,
catalasa, lisozima
son enzimasde
estaúltima categoria.
La
proliferación
de
nombrescomunes
ara as enzimas
y la confusión
esultante, izo
que a
Unión
Internacional
de
Bioquímica esignara na Comisión
Enzimática
EC),
encargada e
idear un sistema
acional
para
nombiar
las
enzimas. l sistema
C está epresentadon
a Tabla6.1.
Lasenzimas
edividen dentro de
seis lases
rincipales
a-
sadas n sus unciones enerales,onsubgrupos aradefi-
nir sus unciones
más
precisas.
asseis lases
rincipales
son oxidoreduct*sts,
ransferasas,idrolasas,
iasas,some-
rasas ligasas. a
Tabla
6.1
proporciona
un ejemplo
de
cadaclase,
sandoenzimas
ue
catalizan
eacciones e ra-
tarán más arde en el
texto.
El sistema
E designaodas
as
enzimas
onocidas on
un
número separado n
cuatro
partes.
Por ejemplo,
EC
3.4.17.I, s
el códigode a carboxipeptidasa
. Los
prime-
ros resnúmeros
efinen a clase, ubclase
sub-subclase,
y
el número inal esel
número de serieasignado
ala enzi-
ma cuando ue añadidaa
a ista.Así, a carboxipeptidasa
,
es a primera entradaenla 17.u ub-subclasee a cuarta
subclase e a clase
(hidrolasas).
a istade enzimas
ue
han
sido
clasificadas e esta
orma, crececontinuamente
con as
quevan siendodescubiertas caracterizadas.
Sensibilidad
la
temperatura.
Ademásde
por
su especifici-
dad
y
diverSidad,
asenzimas e
caracterízanambién
por
su
sensibilidad
a emperatura. stadependencia
e a empe-
ratura no es
problemática
ara as
enzimas
e ascélulas
e
mamíferos
o aves,
orque estosorganismos on homeoter-
mos,
capaces e
regular a temperatura
orporal ndepen-
dientemente el
medioambiente. in
embargo,los nimales
inferiores,
as
plantas,
os
protistas lasbacterias,uncionan
a a temperatura
e su
medioambiente,
a cual
puede
ariar
mucho.Paraestos
rganismos,
a dependencia e a activi-
dadenzimática
e
a
temperatura
s
muy significativa.
La velocidad
de una
reacción cata[zada enzimática-
mente aumenta
con la temperatura,
entro de unos ími-
tes,
porque el incrementoen a energía inéticade as mo-
léculasde
la enzima
y
del
sustrato, onduce
a
una
mayor
frecuencia n ascolisiones,
acilitando a unión correctaal
sustrato.
in embargo.
e lega un
punto
en el
que
el au-
mento de la temperatura
es contraproducente,
orque
a
molécula enzimática
comienza a desnaturalizarse.
os
puentes
e hidrógeno
e ompen,
as nteraccionesidró-
fobas
cambian.
la ntegridad
estructural
del
sitio activose
interrumpe,causando
a
pérdida
de a actividad.
El rangode a temperatura
or
encima
del cual una
en-
zima
sedesnaturalizavaria
mucho de
una enzimaa otra
y
de
un organismo
otro.En
a Figura6.4a ecomparaa de-
pendenciade la temperaturade una enzima típica del
cuerpo
humano, con una
enzima ípica
de
una bacteria
termófiIa.
La velocidad
de reacciónde
una enzimahuma-
na es
m¡íximaalrededorde
os 37
oC,
que
es
a
temperatu-
ra corporal
normal.A
partir
de ahí
el descensoruscoen
su
actividad
refleja
a
progresiva
desnaturalización e las
moléculas
enzimáticas.
a mavorla de las enzimasde los
seres
omeotermos
se nactivan
por la temperatura,
por
nzimas, a inactivación
@ómeno
de aboratorio. in
embar-
go,
algunas
enzimasson
extraordinariamente ensibles l
calor
y
se desnaturalizan
inactivan
a temperaturasmás
bajas, n
algunos asos,
nclusoa temperaturasorporales
enpersonas on fiebrealta.
En el otro extremo
del espectro, lgunas
nzimas
con-
servan
a actividad
a temperaturas xcepcionalmente
ltas.
La curva
verdeen
a Figura6.4a epresenta
a
dependencia
de a temperatura
de una enzima
propia
de asarqueaser-
mófilas,
ya
mencionadas
n el Capítulo
4.
¡Estos
rganis,
mos crecen n
manantiales alientes
cidosa temperaturas
tan altas
como 80
oC
Evidentemente,adauna de
as
miles
de
enzimas
que
estosorganismos
ecesitan
ara
a activi-
dad
celularnormal, deben
sercapaces e uncionar a tem-
peraturas
a as
que
sedesnaturalizanla
mayorlade as en-
zimasen
as
células
e otros organismos,
ncluido usted.
Sensibilidad
l
pH.
Las enzimasambiénson sensibles l
pH.
Muchassólo
son activas entro
de un rango de
pH
de
3-4 unidades.
stadependenciael
pH
sedebe,
normal-
mente,
a a
presencia
e
uno o másaminoácidos argados
en el sitio activo o
en el
propio
sustrato.
La actividad
de-
pende
de cómo estén
estos
rupos,
argados sin carga.
Por
ejemplo,
en el sitio
activo de la carboxipeptidasa ,
r44
Capítulo
Enzimas:os
atalizadores
e avida
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
7/29
si
o
d
'ñ
a
J
o
i\
N
\o
U
j
6
N
6
o
E
x
'6
'o
E
I
9?
I
I
l ^
^ - ' ' . {Y
v - \ J
s
r 6
t 9
E S
r ) A
v v
t
I
I
I
o
I
-
. t
v - v : *
t . Y ; i
H X ¡
s * : t r r
E - u '
E
. r < v
+
i1
N
-
O
r A
= a E o
0 . 6 I
. :
H / r _ A ^
BE o:ü É
* \ - -
. , , /u-u
oe,
F H
lñ ,u :u . . E
^
6 A_t \ /
\ lT r
ts
H '
I
v - v
, í
* < |
-
\ J A
A l
I
r
1 l
t l
+ l r
Í
T
-r
. ' :
l r : t
I
l H
d-u
Ffi
z
I
I
I
I
^
l o
F T T H =
v v H
U
ñ
I
I
I
I
I
S H
I
l
¡Jr
z
- l
. l
I
Ff<
F t -
' l
I
F
z
I
I
t ¡ É
t . o
G H
H c -
¿ a É
(d
d
d
H
o O =
G n
( d
l ü s
b o o 5
. . o u
X ? 9
2 . ; .
t r
: J : d
6
, a
,ti
r
ñ
v - v
J
l v
I Ü
ó i u
+ f ' 1 {
+
?
\ll
r l
t l
+
/ A l
^
Z l l
z
R\. I
< \
l
* , / l
E I
R A
?\1
) l
q' l
o^)
F I
. H l
N
'fr
r ' l
d
. U
+
L
I
l ^
i ) : r I
rY
Y g
A - ¡ ¡ . 5
t -
I
F
U
T
I
-
A - ¡ \ O
V_Y ts
t >
a - r ' r E
V _ Y
F
E I
H ^ ó
. F . Y
+
.s *
: x
E -
9 r E
(É
it
.E
Y t r
I ^ . =
Éa x
5 \ o X
. ;í
H
. o E
6 \ O
o ¿ d O
" E
^ É
o k l l
€ = . :
. o . a
-
' É 6
É
H F
*\
,/ -
/ A
, U : U .
E
o:( ) /
\ t : :o
Ér l
l
A
Y l "
Ér
N
r
(,
ñ
' d E
ü =
vñ
I
r l
F r i * h
l ( ,
s
ü . 3
e
ñ é
o ; 9
.e
-j
.i
9 c . i b
l s r ñ É
S H ;
¿
e 9
d 9 -
* A € E H E
É ^ - E
. F - H
ñ ^ H
est Rs=e
€:E
íxE $r[€ F'5€
E g E H g F F
- r r ?
e s s
u = - d l
' Ñ Ú g
É
I
:€ E+
tE
_ ü
o
ó ; ' c
E
t l
c
ñÉ ;
5€ 8_?ñ
'Ée
¡
ü * l ü É s E
o - e c
E ü
F O E *
É N + : - i
. E a c E I t s
* É E . B
E + t ; ü t s á b o E *
E ú€ ET# ñ E€ E
ü a \
h H
Yñ
t z
% , 1
e
E ¡ €
: ' i
- c l d J
<
o. ,
.o
i o
@ l
9 9
. 9 n
x v
Q 5 a
(
b
o
H
.j
d
G
6
d
a
r;
(n
+
Enzimas
omo atalizadoresioló$cos
.r
o
s
c,
t
€
E .
= '
(E
It
G'
(,
o
tt
-9
CL
Eo¡t
E
t
o
I
o
ag
E
N
c
o
o
tt
o
(E
o
EO
g
.E
(,
o
€,
E
.3()=
e
o
.E
..1
(0
(E
.4
É
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
8/29
Temperatura
ptima
ara
una nzima
umana
ípica
'o
(U
c)
c)
ñ
(g
p
q)
60
Temperatura"C)
(b)
pH
Figura
6.4 Efecto
de la
temperatula
y
el
pH
en la velocidad
de las
reacciones
qtalizadas
nzimáticamente.
(a)
Efecto
de a
temperatura
eh la velocidad
de una
reacción
catalizada
por
una
enzimahumana
típica
(en
negro) y
una enzima
de
una
-bacteria
termófila
(en
verde). La
tasade reacción
esmiíxima
a a
temperatura
óptima, unos
37
oC
en el caso
humano
(la
temperatura
de cuerpo) y
unos
75
"C
en la
bacteria
(la
temperatura
de un manantial
termal).
El incremento
inicial
de
a actividad
con
la temperatura,
es debido
al aumento
de a energía
cinética
en las
moléculas
de enzima y
sustrato.
Sin embargo,
un aumento
excesivo
de la temperatura
nactiva
a
reacción,pues
a proteína
de la
enzima
se desnaturaliza.
b)
Efecto
del
pH
en la velocidad
de una reacción
catalizadapor
Ia enzima gástrica
pepsina
(en
negro) y
Ia enzima
intestinal
tripsina
(en
rojo).
La
tasade reacción
es
miíxima al pH
óptimo, aproximadamerLte
,0 para
a
pepsina
y
8,0
para
a tripsina.
EI pH óptimo para una enzimase corresponde
con
la
concentración
de
protones
a a
cual os grupos
ionizables,
anto
de
la enzima,
omo del
sustrato,
stán n a
configuración
más
favorablepara
reaccionar.Los
valores
de
pH
lejos
del
óptimo
producen,
en
general,
modificaciones
en Ios grupos
cargados
de
a
enzima,
el sustrato
o ambos.
El grado
óptimo pH
de una
enzima
suele
ser el mismo que
el del
compartimiento
celular,
o el medio
externo,
en el que
a enzima
esactiva.
aparecen
os grupos
carboxilos
de dos
residuos lutamato.
Estosgrupos
carboxilos
deben
estar
presentes
n a forma
cargada
ionizados),
e forma que
a
enzima
se nactiva
si
el
pH
disminuye
hasta
el valor
en el cual
os grupos
carbo-
xilo del glutamatoen a mayoríade asmoléculasenzimá-
ticas, stán rotonados
por
tanto,
sin
carga.
Como
se
podría
esperar,a
dependencia
e
pH
de una
enzimanormalmente
efleja
el medio
ambiente
en el cual
la enzima
stá ctiva.
a
Figura
6.4bmuestra
a
dependen-
cia
de
pH
de dosenzimas ue
degradan roteínas,
ncon-
tradas
en el
tracto digestivo
umano.
La
pepsina
línea
ne-
gra)
está
presente
en
el estómago,
onde el
pH
normal-
mente
iene valores
en
torno a 2,
mientrasque
a tripsina
(línea
oja)
essecretada
n
el ntestino
elgado,
l
cual
ie-
ne
un
pH
en torno a
8. Ambas
enzimas
on
activas
en un
rango
de
casi4 unidades
e
pH,
pero
difieren
mucho
en
su
pH
óptimo, consecuente
on las
condiciones
propias
de
sus espectivas
ocalizaciones
entro
del cuerpo.
Sensibilidad
otros actores.
Otra de as
características
e
las
enzimas
ssu sensibilidad
otros
actores,
demás
e
a
la temperatura pH, como assustanciasnhibidoraso ac-
tivadoras
de
a enzima,
un
aspecto
l cual volveremos
más
tarde en
el capítulo.En
el caso
de enzimas
on especifici-
dad
por
determinadosrupos,la
ctividad
ambién
e
pue-
de ver afectada or
la
presencia
e sustratos
lternativos.
La mayoría
de as
enzimas
on sensibles
l
medio
ambien-
te iónico,
el cual esprobablemente
l que
afecta
a
la
con-
formación
otal
de a enzima,
debido
a
que
os puentes
de
hidrógeno
dependen
e é1.El
medio
ambiente
ónico pue-
de
afectar
ambién
a
las
uniones
del
sustratoporque
las
interacciones
ónicas
estána
menudo nvolucradas
n las
uniones
entre
el sustrato
el sitio
activo.
La unión
delsustrato,
a activación
la reacción
e
producen
n
elsitio
act¡vo
Las enzimas
on
catalizadores
uy
eficaces, racias
a
que
los
sustratos
ncajan
e orma precisa
on el
sitio
activo
de
las enzimas.
Esta
eficacia
e
puede
observar
n toda
su
extensión,
i comparamos
a catálisis
nzimática
on
la
catálisisnorgánica.
omo
apuntamos
nteriormente,
as
reacciones
atalizadas
nzimáticamente
rogresan
a una
velocidad
e 107
10ra eces
más
ápidoque
as eacciones
no
catalizadas,
ientrasque
as que
utilizan
catalizadores
inorgánicos,
on
de 103 l0aveces
ás ápido.
Como
usted
puedeadivinar,a mayorpartedel nteréspor lasenzimas,
secentra
en
el sitio activo,
donde
ocurren
a
unión,
activa-
cióny
transformación
ulmica
del
sustrato.
Launión
elsustrato.
El
contacto
nicial
entre
el sitio
acti-
vo
deuna
enzimayuna
molécula
e
sustrato
otencial,
e-
pende
de colisiones
leatorias.
rnembargo.
na
vez
eú
hendidura
o bolsillo
del sitio
activo,
as moléculas
de
sus-
trato
seunen
emporalmente
a superficie
e a
enzima.
con la
orientación
apropiada
para
nteraccionar
entre
sí y
con.grupos
atalíticos
specíficos
e a
enzima,
o cual
aci-
lita
a reacción.
a
unión delffi
vés
de aminoácidos
argados, or
medio
de
puentes
de hi-drógeno enlacesónicos o ambos).
stái
üñion'es
on,
en
general,
ébiles,
ero
a
suma
de varias
de ellas
es
suficien-
te
para
mantener
a la molécula
en su lugar.
La
fuerza
de
unión
entre
una enzimay
una molécula
de sustrato,
uele
encontrarse
n el rango
de
3-I2 kcal/mol,
menos
eun
dé-
cimo
de a fuerza
eun
enlace ovalente
téaseFigra2.2).
Por
tanto, a
unión al
sustrato
es ácilmente
eversible.
C
'o
(g
a)
c)
E
c
(Ú
' o
q)
t46
Capitulo
Enzimas:
os
atalizadores
e avida
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
9/29
Durante
muchos años,
os enzimólogos
consideraron
el
sitio activo
como una
estructura
rigida. Comparaban
el
ajuste
de un sustrato
dentro
del sitio activo
a una llave den-
tro de una cerradura,
analogía
sugerida
en 1894
por
el bio-
químico
alemán
Emil
Fischer.Esle
modelo de
cerradura
y
llaye,
mostrado
en la Figura
6.5a, explicó
la especificidad
enzimáticapero
hizo
poco
para
acrecentar
nuestro conoci-
miento
del evento
catalítico. Un
punto de vista
más útil
acercade
la interacción
enzima-sustrato
es el
provisto por
el
modelo de ajuste
nducido,
propuesto en
1985
por
Da-
niel Koshland.Como ilustra a Figura 6.5b,estemodelo su-
pone
que
a unión
inicial de a(s )
molécula(s)de
sustrato
al
sitio
activo deforma
la enzima
y
el sustrato,
estabilizando
a
las moléculasde
sustrato en
su estadode
transición
y per-
mitiendo
que los enlaces
críticos sean
más susceptibles
ataques
atalíticos.
La distorsión
de
ia enzima
implica un cambio
confor-
macional
en la
misma
¡
por
tanto,
en la configuración
del
sitio
activo.
Este cambio
posiciona
de
forma óptima
a los
grupos reactivosapropiados
de
la enzima,
para
la reacción
catalítica
en
la
cual
intervienen,
aumentando
así a
proba-
bilidad
de
que
la reacción
se
produzca. EI cambio
confor-
macional aceÍca l sitio activo a las cadenasateralesde los
aminoácidos
que son críticos
para
el
proceso catalítico,
pero
{.ue
no estánen las
proximidades
del sitio
activo en
la
conformación
no inducida.
En muchos
casos'estas
cade-
nas
ateralesson
grupos
ácidos
o básicos,
que promuev
la catálisis.
En el casode
a carboxipeptidasa
, la unión d
sustrato
atrae a
tres residuos aminoacílicos
críticos al sit
activo
(una
arginina,
un
glutamato
y
una tirosina).
Los estudios
de difracción
de rayos
x de
proteínas
cr
talizadas
han confirmado
que realmentese
producen
es
cambios,
durante
Ia unión
del sustrato.
La cristalogra
con
rayos
X se usa
para
determinar
la forma de una mol
cula
enzimática
con o sin sustrato
unido
al sitio activo.
Figura 6.6
lustra
os cambiosconformacionales
que
tien
lugar tras la unión del sustrato ala lisozima, a enzima
mostrada
en
la Figura 6.2a,y
parala hexoquinasa, na
e
zima
que podremos encontrar de
nuevo más adelante
estecapítulo.
En ambos
casos e
produce
un cambio not
rio en
la conformación
de
la molécula
proteica,como re
puesta
a
la unión del sustrato.
En
el
casode la hexoquin
,u,
po. ejemplo,
la unión del
sustrato
(una
molécula
D-glucosa)
provoca que dos de los dominios
de la enzim
se doblen
el uno
hacia el otro, cerrando
el
pliegue
del
si
de
unión alrededor
del sustrato
(Figura
6.6b).
El cambio
conformacional
al
producirse
la unión d
sustrato,
puede resultar en
un desplazamientoextenso
grupos de aminoácidos dentro de la molécula protei
¡En
el casode
a carboxipeptidasa
A,
por
ejemplo, a unió
del sustrato
hace
que
el residuo
de tirosina de
la posici
248
se mueva a
I,2 nm,
¡una
distancia
aproximadame
igual a
una cuarta
parte
del diámetro
de
la molécula
en
mática
Activación
el sustrato.
El
papel del sitio ac tivo
no
es s
reconocer
y
unir
el sustrato
apropiado sino
también
ac
varlo,
sumergiéndolo
en el medio
químico
necesario
pa
la catálisis.
Una
determinada
reacción
cafalizada nzimá
camente,
puede nvolucrar a
uno o
más recursosde activ
ción
del sustrato.
Los
tres
mecanismos
más comunes s
Ios siguientes:
1. El cambio
en
la conformación
enzimática nduci
por
Ia unión
del inicial
sustrato al sitio
activo,
sólo causa
una
mejor complementariedad
y
un aj
te más estrecho
enzima-sustrato,
ino
que
tamb
deforma
uno o
más de sus
enlaces, ebilitando
dichos
enlaces,
aciéndolos
más susceptibleal a
que
catalítico.
2.
La enzima ambién
puede
aceptaro donar
proton
incrementando,
por
tanto,
la reactividad
quím
del sustrato.
Esto da
cuenta de
a importancia
de
aminoácidos
cargadosen
la
química
del sitio acti
lo cual, a su vez, explicapor qué la activ idad de
enzima
sueleser
an dependiente
del
pH.
3. Como
forma
adicional
para
a activación
del
sus
to,
las enzimas
también
pueden
aceptar o don
electrones,
ormando
de ese
modo enlaces oval
tes emporales
entre
a enzima
y su sustrato.El m
canismo
necesita
que el sustrato tenga
una reg
q'Yc*e*(.8
(a)
Modelo e cerradura
llave
S i t io
/
aCtlVO / /a\ /
- F) [,(:)/
Y*\U/-
Enlace(s)
desestabil izado(s)
@
,,é\
v
(b)
Modelo e
ajuste nducldo
Figura .5
Dos
modelos e nteracción
nzima-susttato'
(a)
El modelo de
cerradura
llave.En estemodelo
clásico,a
molécula enzimárica
E)
era considerada
una estructura
rígida,
con
un
sitio activo,
donde encajaba l sustrato
(S),
análogamente
a
como 1ohaceuna llave en una cerradura.La reacciónen el sitio
activo,
convierte
a as moléculasde
sustrato en
moléculasde
producto
(Pr
y Pz).
b)
El modelo
de ajuste nducido.
Según ste
modelo, a unión
de una molécula
de sustrato al sitio
activo de una
enzima,induce
un cambio conformacional
en ésta,
que sitúa en
el
sitio activo
a os grupos reactivos
adecuados, e
manera óptima
para
a reacción
catalizada.
Además, l aiusteestrecho
entre a
ánzimay el
sustrato desestabili za
no o más de
os enlaces el
sustrato,
haciendo
que
sean
más susceptibles
un ataque
catalítico.
Enzimasomo atalizadores
iológicos
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
10/29
Sustrato
(peptidoglicano)
V
\r.
(a)
Lisozima
secuencia
ompleta
e
acontecimientos
iene ugar
en
un
tiempo
o
suficientemente
ortopara
permitir
que
en el
si-
tio activode una solamoléculaenzimática currancien-
tos,
o incluso
miles,
de ales
eacciones
or
segundo
Figura
6.6
Cambio
onformacional
n la
estluctura
de la
enzima,
nducido
pu
la
unión
del
sustrato,
Aquí
semuestran
os
modelos
compactos
de as
enzimas:
a)
isozima
y
(b)
hexoquinasa
sus
sustratos
un
peptidoglicano
artificial y
una
molécula
de
o-glucosa,
espectivamente).
En
ambos
casos,
a
unión
del sustrato
nduce
un
cambio
conformacional
en la enzima,
detectable
por
análisis
de difracción
con rayos-X.
Cinética
enzimática
(b)
Hexoquinasa
que
sea
electropositiva
deficiente
n
electrones;
electronegativa
rica
en electrones)
que
el sitio
ac-
tivo de a enzima engauno o másgruposdepolari-
dad opuesta.
El acontecimiento
atalitico.
La
secuencia
e
aconteci-
mientos
que
tienen
ugar
en el
sitio
activo,
se lustra
en
a
Figura
6.7,tomando
como
ejemplo
ala
enzima
acarasa.
La
sacarasa
idroliza
el disacárido
acarosa
n glucosa
fructosa.
Hasta
el momento,
hemos
visto
que
a
colisión
inicial
aleatoria
e
una
molécula
esustrato
sacarosa,
en
ssfs 6¿s6-
con
el
sitio
activo,
iene
como
resultado
su
unión
a
residuos
minoacílicos
ue
están osicionados
s-
tratégicamente
llí
(Paso
).La
unión
del
sustrato
nduce
un cambio
en a
conformación
nzimática
ue
ntensifica
el ajusteentre a moléculasustratoy el sitio activo, acili-
tando
de
ese
modo
a
conversión
el
sustrato
n os
pro-
ductos,
n
este
asoglucosa
fructosa
paso
2). Después,
estos roductos
e iberan
desde
el
sitio
activo
(paso
3),
permitiendo
que
a
molécula
enzimática
egrese
su con-
formación
original, quedando
el sitio
activo
ahora
dispo-
nible
para
admitir
otra molécula
e sustrato
paso
4).
¡La
Hasta
el momento,
nuestra
exposición
acerca
de las
enzi-
mas
ha
sido
básicamente
descriptiva.
Hemos
hablado
del
requerimiento
de
energía
de
activación
que
evita que
las
reacciones
ermodinámicamente
factibles
ocurran,
y
de los
catalizadores
como
medio
de reducir
la
energía
de
activa-
ción
y
de ese
modo
facilitar
dichas
eacciones.
hmbién
he-
mos
considerado
a as enzimas
como
catalizadores iológi-cos y hemos
examinado
su
estructura
y
función
.ot
-á,
detalle.
Además,
nos
hemos
dado
cuenta
de
que
las
únicas
reacciones
que
probablemente
ocurren
en las
células
a
ve-
locidades
razonables,
son
aquellas
para
las
cuales
as
enzi-
mas
específicas
están
al alcance
de la
mano,
de manera
que
la
capacidad
metabólica
de
una
célula,
está
especificáda
por
las
enzimasque
estánpresentes.
14 8
Capítulo
Enzimas:
os
atalizadores
e a
vida
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
11/29
:t+
Hr O
@
El
itio crivo
o < 1 ¡ d i c n ^ n r h é
para
tra
moiecula
desustrato.
@
Sus t ra to
e5 colrvert i0L)
e ¡
p fo c ju c to s
O
Los
rcc lLrc tos
50n oefa tos
Fructosa
Figuta
.7 Cfclo atalítico
e unaenzima,
En este jemplo,
a enzima acarasaatalizalahidrólisis
e
sacarosan
glucosa
fructosa.
Complejo
enzima-
sustrato
Inclusocuando
altan as
enzimas
Dodemos ervirnos
de su
ausencia
ara
calcular,
or
com¡aración,a
veloci-
dad reala a cual iene ugar una reaccióncatalizada nzi-
máticamente
cuál
esel efecto jercido
or
determinados
factores n a
velocidad
e
reacción.
a
simple
presencia
de la
enzimaapropiada
n Ia
célulano asegura
ue
una
determinadaeacción ueda
ocurrir a una velocidad
de-
cuada,a menosque
también podamos
estarseguros
e
que
ascondiciones
elulares
on avorablesara
a activi-
dad enzimática.
Yahemos
visto
que
hay
factoresque pue-
den nfluir en la
actividadenzimática.
ales
como la tem-
peratura
o el
pH.
Ahora
estamos
reparados
ara
valorar
cómo a
actividad enzimáticatambién
epende
e a con-
centración
e os
sustratos, e os
producios
de os nhi-
bidores
presentes
n a célula.Además, eremos ómo,al
menos
algunos de
estosefectos, ueden
ser
definidos
cuantitativamente.
Cuando
dirigimos nuestra
atención
a estos
aspectos
cuantitativos
e a catálisis
enzimática,
os encontraremos
en
el campbde a
cinética
enzimática.I,a
palabra
cinética
es de origen
griego (Klnetlkos,
iqnifica
).
Aplicada as
eaccionesuímicas.
a
cinética oncierne
QEI
sus t ra to
o l is iona
one l
s r t io c t ivo ,
onde smanten ido
po '
en laces
ebr iesor^osg,upos
R
de
os ar i r o¿c cos
e s i t io c t ivo .
Laun ion
de lsus t ra to
rovoca
n
cambio
contor r ¡ac
naen a enz ima,esponsab le
de
que
el sus t ra to
ea
un idomás
f
rmemente
a lus te
nducrdot
las
velocidades
e reacción
la manera
n
que
esas
elo
dadesestán nfluidas
por
varios actores,
ero
espec
mentepor aconcentraciónelsustrato. e osproducto
de los inhibidores,
Aquí nos
centraremos,
ayorita
mente,
n osefectos
e a concentración
el
sustrato
n
cinética de las
reacciones
catalizadas
nzimáticame
Nuestro
estudioestaráimitad
o alas
velocidades
niciale
reacción,
edidas
lrededor e
un
periodo
de iempo
en
cual a
concentración
e sustrato
odavíano
ha dismin
do lo suficientepara
afectar
a la velocidad,
la
acumu
ción de
producto
es
odavía
pequeña
ara provocar
u
reacción
apreciable,
n sentido
contrario.
Aunque
esto
una simplificación
e o
que
ocurre ealmente,
os
perm
tirá
entender lgunos
rincipios
mportantes
e a
cinét
enzimática.
La cinética
enzimática uedeparecer
astante
omp
ja
al
principio.
Para
a¡rdarle
a entender os
conceptos
sicos, n el Anexo
6A se
plantea
un
símil, en
el cual, as
e
zimas
que
actúan sobre
las moléculas
de sustrato
comparancon una
habitación
lena
de monos pelan
cacahuetes.uede
esultarle
til recurrir
a a
analogía
h
ra
y
regresar
espués
esta ección.
t
Cinética
nzimática
1
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
12/29
Anexo
MoNos Y CACAHUETES
Si
e
pareció
de utilidad el ejemplode os frijoles saltarines
mejicanos,
ara entenderel concepto e energíaibre del
Capltulo 5,
qraá
apreciea aproximacióna
a
cinética
enzimática asada n a analogía on una habitación epletade
monos
()
una cantidad ariablede cacahuetes
pelados
).
iate de entender ada
paso, rimero
en
términos de monospelandocacahuetes,luegocomo una
'
auténtica eacción, atalizada nzimáticamente.
LaGalería elCacahuete
Para
nuestromodelo,necesitamos na tropa de diez monos,
todos gualmenteexpertosen encontrar
y pelar
cacahuetes,
Suponemos
ambién
que
os monos son ncapaces e comeü
siquiera,
uno solo de os cacahuetes
ue pelan,pero pese
a
todo, sufren
una necesidad ompulsiva
de
seguirpelando.
(Para
hacerel modelo algo más iguroso,
podemos nsistir
que
os cacahueteson una nuevavariedadhíbrida,
que
se
puede ecomponer ácilmente, que os monos, o mismo
estáncolocando os cacahuetesentro de suscáscaras,
ue
pelándolos.
Peroestas onsideraciones
o nos preocupan
\ aqul; sólo estamosnteresados n as condiciones niciales
en as cuales odos os cacahuetesstándentro de sus
cáscaras.)
Necesitaremosambién a Galeríade Cacahuetes,na
habitación
de
superficie
onocida en a cual os cacahuetese
distribuyenhomogéneamenten
el
suelo.
EI número
de
cacahuetesariaráa
medidaque
avancemos,
ero
en todo
momento,en Ia habitaciónhabrámuchosmáscacahuetes
ue
monos.Además, ado
que
conocemos l número
de
cacahuetes
y
la superficie el suelo,
podremos
alcular
(para
sermásexactos,a densidad) e cacahuetesn a
habitación.En
cadacaso,os
monos comienzan n una salade
espera ontigua.Paraempezar l ensayo, implemente brimos
La mayofade
as enzimas
¡guen
a cinética
de Michaelis-Menten
Desde
hacemucho
iempo sesabe
que a velocidad
de una
reaccióncatahtafiá;éMffiá'fíiáfoénti. umentacon
a
con-
centraciónde sustrato,
pero
de tal
forma, que
cada
ncre-
mento adicional
de
sustrato,da como
resultado
un au-
mento menor de a velocidad
de
reacción.De maneramás
precisa,
e
puede
observarexperimentalmente
ue
a rela-
ción entre a velocidad
nicial
de reacción
yy
la concen-
tración de sustrato S] esunahipérbole,oÁo ,. ilustra
en
la Figura6.8.Una
propiedad
mportante
de esta
ela-
ciónhiperbólica s
que
a medida
ue
S]
iendehacia
el
n-
finito,
y
tiende hacia un valor miíximo,
que
dependedel
número de moléculas nzimáticas
por
tanto, sólo
puede
incrementarse ñadiendomásenzima.
La incapacidad
ara
aumentar
a
velocidadde reac-
ción más allá de un valor finito máximo a concentracio-
la puertay
permitimos que
os ansiososmonos
pasen
a a
Galería
e Cacahuetes.
Comienzal
pelado
e cacahuetes
Yaestamosistos
para
nuestro
primer
análisis.Comenzamos
con una concentración
nicial de un cacahuete
or
metro
cuadrado, asumimosque,con esta oncentración, n mono
tarda como
media9 segundos n encontrarun cacahuete I
segundo n
pelarlo.
Estosignifica
que
cada
mono necesita
0
segundos
or
cacahuete
por
tanto
puedepelarlos
a
una
velocidadde 0,1 cacahuetes
or
segundo.Como hay 0 monos
en a
galería,
a velocidadv de
pelado
de cacahuetes
ara
el total
de os monosesde 1 cacahuete
or
segundo, on esta
concentración e cacahuetes
la
cual lamanos
S]
para
recordar
que
os cacahuetes
on
el
sustrato
de
a
acción
de
pelar).
Todo
esto
se
puede
abular como sigue:
[S]
:
concentración e cacahuetes
(cacahuetes/m2)
Tiempo requeridopor cacahuete:
Paraencontrarlo
segundo/cacahuete)
Para
pelarlo
(segundo/cacahuete)
Total
(segundo/cacahuete)
Velocidad e
pelado:
Por mono
(cacahuete/segundo)
Total
(r)
I
9
1
10
0,10
1, 0
Aumenta l número e cacahuetes
Paranuestrosegundo nsayo,levamosa todos os monos de
vueltaa
a
salade espera,
arremos os
desperdicios,
empezamos
horacon una concentración e 3 cacahuetes
or
nes de sustrato cada
vez más altas,se lama saturación.
Estaes una característica
undamentalde las reacciones
catalizadas nzimáticamente.as
reacciones
atalizadas
siempre
legan a saturacióna concentracionesltas
de
sustrato,
mientras
que
estono ocurreen
as
eaccioneso
catalizadas.
Gran
parte
de nuestracomprensiónde
la relación
hi-
perbólica ntre
[S]
y
l sedebea los trabajos
ioneros
de
dos enzimólogos lemanes,
eonor Michaelisy
Maud
Menten.En 1913,
ostularon
na teorla
general
e a ac-
ción enzimática, ueha resultado er a baseparael análi-
sis
cuantitativode casi odos os aspectos e a cinética
en-
zimática.Paraentendersu enfoque,considere na de las
posibles
eacciones atalizadasnzimáticamente
ás
sim-
ples,
en a cual un único sustratoS seconvierteen un úni-
co
producto
P.
S
---------+
P
Enzlma
\El
1 50 Gapitulo Enzimas:os atalizadorese avida
(6.s)
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
13/29
metro
cuadrado.
Como
a
cantidadde
cacahueteseha
triplicado,cadamono podrá
encontrar
un cacahuete
resveces
más ápidamente ue
antes,
sdecir,
que
el tiempo
que
emplean
en encontrarel cacahuete,
horaesde sólo
3 segundos. ado
que
sesigueempleando
segundo n
pelar
cadacacahuete,
l
tiempo total
por
cacahuete sahora
de 4 segundos la
velocidaddepeladoes0,25cacahuetesor segundo mono, es
decír,2,5
acahuetes
or
segundo ara
el total de os
de monos.
Estogenera
tra columna
de entradas
ara
nuestra
abla de
datos:
pelado
de 0,5 cacahuetes
or
segundo mono,
o 5
cacahue
por
segundo n otal.
Ya
seempiezaa ver una tendencia.
El
primer
triplicado
de a
concentraciónde cacahuetes
umentó
a velocidad
2,5
veces,
ero
el siguiente
riplicadosólo
a dobla.Es
decir,
que
a
progresión
o
es ineal.Puede er
esto laramente
i
eligeuna concentraciónalgo mayorde cacahuetes represe
v en el eje
(escala
ugerida:
-
10
cacahuetes/segundo)
[S
en
el eje
(escala
ugerida:
-100cacahuetes/m2.¡.
omo
ve
los
datos
generan
na curva
hiperbólica
muy
parecida
a
d
Ia Figura
6.8, si observa
uidadosamente
usdatos,
erápo
qué
a curvacontinúa
ndoblándose,
medidaque
[S]
incrementa
es
decir,
orque
a velocidad
ncrementa
progresivamente
menosconforme
aumenta
el número
de
cacahuetes):l tiempo
de
pelado
es ijo y por
tanto
lega
a se
un componente
cadavezmás mportante
del
total del
tiemp
empleado or
cacahuete ientras ue
el tiempopara
encontrarlo, s
cada ezmenor.Esprecisamente
ste iempo
fijo
de
pelado
el
que
establece
l ímite superior
en a
veloci
de
procesamiento
el cacahuete,orque
ncluso
si
[S]
fuera
infinita (o sea, n un mundo repletode cacahuetes),odaví
precisaría
n
tiempo inito
de
I
segundo
araprocesar
ada
cacahuete.
Por último, usted
puede
darse uenta
de
que
hay
algo
especial n a concentración
e cacahuetes
a cual,
el tiempo
para
encontrarlos,
sexactamente
gual al tiempo
de
pelado
(ésta
esulta erde
9 cacahuetes/m').
ste sel
punto
de a cu
en el cual a velocidad
de
procesamiento
el
cacahuete
s
exactamentea mitad
de a velocidadmáxima.
De hecho,
esu
referenciaan importante
en a
escala e concentración,
ue
usted
podría
estar entado
de darleun nombre
especial,
obr
todo si
se
lamara
Michaelis
¡estuviera
aciendo
el mono
co
enzimas n vezde con cacahuetes
lSl
=
concentración e
cacahuetes
(cacahuetes/m2)
Tiempo requeridopor
cacahuete:
Para
encontrarlo
segundo/cacahuete)
Parapelarlo
(segundo/cacahuete)
Total
(segundo/cacahuete)
Velocidad
e
pelado:
Por mono
(cacahuete/segundo)
Total
(/)
1
9
1
l 0
0,10
1,0
3
I
4
óQué
curesi v
y
[S]
cont¡núan
umentando?
Para
descubrir
qué
ocurre inalmente
con a velocidad
de
pelado
i Ia concentración
e cacahuetes
n
a galería
scada
vez mayor,lo
único
que
hay que
haceresampliar a
tabla de
datos, uponiendo
n incremento e osvalores
e
[S] V
calculando a
correspondiente
.
Por
ejemplo,una
concentraciónriplicada
de cacahuetes
de
3 a 9
cacahuetes/m2)onduce
una reducción
el iempo-necesario
por
cacahuete,
ue
ahora
será e 2 segundos
1 segundo
ara
encontrarlo otro
segundo
arapelarlo),
on una velocidad
e
Según a hipótesis
de Michaelis-Menten,
a
enzima
E
qloe
ataliza sta eacción
eacciona
rimero
con el sustrato
S, ormando un complejo
enzima-sustrato
ransitorio,ES,
que
sufre
uego
a reacción atalítica
eal,
para
ormar
a en-
zima
ibre
y
el
producto
R
como semuestra
en a secuencia
Er+s
*
t t
{ i e ,+ r
(6 .6 )
donde E¡
es a forma libre
de lu .rrri-u,
S es el sustrato,ES
esel complejo enzima-sustrato,
P
esel
produ
cto,y
k1, 2,k3
y
knson las
constantes e velocidad para
las reacciones
n-
dicadas.
Comenzando con
este
modelo y
suponiendo varias
simplificaciones,
Michaelis y
Menten llegaron
a la
siguien-
te relación entre la
velocidad
de una reacción
catalizada
enzimáticamente
la concentración
de sustrato:
y^""Is]
v:
-=------.^:
K-
+
LSl
Aquí,
IS]
es a
concentraciónnicial
de sustrato,
es a
ve
cidad nicial
de reacción
a esaconcentración
e
sustrat
V-o
y
K- son
parámetros
inéticosmportantesque
con
deraremos n a
próxima
sección.
sta s a
ecuación
Mich
lis-Menten,
a
principal
de a cinética
enzimática.
El
P
blema
.11 l
inal
delcapítulo
e daráuna
oportunidad
deducir
por
sí mismo
a ecuación
e Michaelis-Men
¿Cuál
s ef significado
e V^,y
K^?
Para alorar asconsecuenciase a relación ntrevy [S
examinarel
significadode os parámetros
V-u*
y
K-, pod
mos
considerarres
casos speciales
e concentració
sustrato:concentración
de sustrato
muy
baja, concen
ción de
sustratomuy alta
y
el caso special
e
[S]
:
K-.
Caso :
concentracióne
sustratomuyba¡a
[S]
< K,).
concentración
e sustrato
muy baja,
S]
es
despreci
(6.7)
Cinética
nzimática
1
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
14/29
-
8/17/2019 Capitulo VI Enzimas Los Catalizadores de La Vida
15/29
iguala K^. Bajoestas ondiciones,
a ecuación e Michae-
lis-Menten
e
puede
scribir omo
y-*[s]
v_u"[s] v-*
Y:
K*+ts l
:
, rs l
:
2
(6.r0)
Estaecuaciónnos proporciona
la definición
que
hemos
estadobuscando: K- es a concentración
de sustrato
para
la cual la reacción tiene lugar
a la mitad de su velocidad
máxima. Esta
concentración es un valor fijo
para
cada
en-
zima que cataliza una reacción determinada bajo unas
condiciones específicas se denomina constante
de
Mi-
chaelis
(de
ahí su abreviaturaK-)
en
honor
al enzimólogo
que
dilucidó
su significado.La Figura 6.8 lustra el signifi-
cado de V-u,y
de
K- .
¿Por
qué
son mportantesVr.*
y
Kmpa¡aos Biólogos
celulares?
Ahora
que
entendemoso
que
significaD
-* y
K-, debe-
mos
preguntarnos
or qué
estos
arámetros
inéticos on
importantes
ara
os
biólogos elulares. l valor de K. es
útil,
porque
nos
permite
calcular n
quéparte
en a repre-
sentación e Michaelis-Mentene a Figura6.9, está un-
cionandouna
enzima
suponiendo,
or
supuesto,
ue
a
concentracióne
sustrato n
a
célula sconocida). ode-
mosentonces
alcular
que
racción e avelocidadmáxi-
ma
es
probable
que
a reacción
catalizada
nzimáticamen-
te engaugar
en
a
célula. demás, - se
puede
onsiderar
como
un cálculoaproximado e a
suna
enzi-
ma, en el sentidode
que,
cuantomásbajo esel valor K-,
más
bajo es el rango de concentración
e sustrato n el
cual a enzimaeseficaz*.Los
valoresde K-
para
variasen-
zimasaparecen n a Tabla
.2.
La V-"*
de una reacción
particular
nos
proporciona
unamedidade a asa
e eacción. ealmenteon
pocas
as
enzimas ue seencuentran,n vivo,con concentraciones
saturantes e sustrato,
e manera
que
as enzimas ara-
mentevan a funcionar ejos
de susvelocidades iíximas,
en condiciones
elulares. in embargo, onociendoosva-
lores
de V-",, K-,
y
la concentración
e
sustrato
en vivo,
podremos
al menosestimar a velocidad robable
de la
reacción,
n dichas ondicioneselulares.
Tabla .2 Valorese (,
y
k
r,
para
lgunasnzimas
V-* también
puede
usarse
para
determinar
otro
pa
metro útil llamado número
de recambio
(K."J,
que
exp
sa a velocidad a la cual las moléculas
de sustrato
se
c
vierten
en
producto por
una única molécula
de
enzi
cuando ésta
está
funcionando
a su máxima
velocidad.
constante
(u,
se expresa
en unidades de tiempo
inve
(s-',
por
ejemplo)
y
se calculacomo
el cocienteentre
V
y
[E,],
a concentración
de
a
enzima en moles/litro :
(6
El número
de recambio varía mucho
entre enzim
como se aprecia
en
los
ejemplos dados enlaTabla
6.2.
La
gálica
doble ecíprocas
una
orma
ti l
de epresentaros
datos inéticos
La
gráfi,ca
lásica
e
Michaelis-Menten
e
y
frente
a
[S]
y
comose
muestra
n a Figura6.8,es
una representa
fiel de cómo a velocidad
epende e a concentració
sustrato,
ero no
es una herramienta
specialment
parala
determinación uantitativa
e
osparámetros
i
ticosclaves ^y V^u*. u ormahiperbólica ace ifícil
trapolarcon
precisión
l
parámetro
rítico
V^^*, conc
tración
nfinita
de sustrato, si V.u* no
esconocida
precisión,
K- no se
puede
determinar.
ste
problem
aprecia n
a Figura
6.9,en a
que
sería ifícil
calcular
V
si no estuviera
a
dibujada, sin V-u*,K-
tampocopu
sercalculadaácilmente.
Para
olucionar ste
roblema
proporcionar
n en
que gráfico más
útil,
Hans
Lineweaver Dean
Burk
c
virtieron a relación iperbólica e a ecuación
e
Mich
lis-Menten n una unción ineal nvirtiendo
ambos
a
de
a Ecuación
.7
y
simplificandoa expresión
esult
con a forma de una ecuación arauna ínea ecta:
t /
r
' m u
' -cat fF I
l f l
1 _
K . + [ S ]
_
K *
_ ,
[ S ]
v
V-o[S]
Y-*[S] Y.".[S]
-
K^
lf
' l
*
I
v^*
\ lsl /
v_*
(6
Nombre e a enzima
Sustrato
,('
(M)
k
n(s-")
Acetilcolinesterasa
Anidrasacarbónica
Fumarasa
Tr
