La enzimología

1.
Introducción
2. Evolucion de la
enzimologia
3. Las enzimas
4. Importancia biomedica de las
enzimas
5. Caracteristicas de las
enzimas
6. La estructura
enzimática
7. Naturaleza química de las
enzimas
8. Composición química de
las enzimas
9. Nomenclatura y clasificacion de las
enzimas
10.Partes del sistema
enzimatico
11. Coenzima y grupos
prostéticos
12.
Activadores
13. Las enzimas son
catalizadores estereoespecíficos
14. Especificidad
enzimática
15. Preparación y
purificación de las enzimas
16.
Isoenzimas
17. Cinetica de las
reacciones enzimaticas
18. Relaciones entre la
enzima y el sustrato.
19.
Accion de inhibidores.
20. Inhibicion por
competencia
21. Inhibicion por no
competencia
22. Antagonismo metaboloco
(antimetabolitos)
23. Inhibicion
alosterica
24. Enzimas: regulacion de
actividades
25.
Bibliografia

1. Introducción

Al igual que las disciplinas experimentales que han
surgido como rama común que es la biología, tiene una
historia propia
construida a través de observaciones, experiencias,
pruebas y
teorías. Se inició con el estudio de
los procesos de
fermentación y de putrefacción y
Antoine-Laurent Lavoiser (1743- 1794) fue el primero en plantear
sobre bases cuantitativas el proceso de la
fermentación alcohólica al observar
una relación entre cantidad de azúcar presente y
productos
formados durante el proceso.
Sostuvo que la fermentación podía ser considerada
como una reacción química cualquiera.
No obstante Pasteur demostró pronto que los procesos de
putrefacción y fermentación eran provocados por la
presencia de bacterias y
levadura.

2. Evolucion de la
enzimologia

Si bien algunos químicos consideraron esos
procesos como metamorfosis de sustancias que provocaban
excitaciones en otras que estaban cerca de ellas, esta
cuestión fue, como ya se ha dicho, definitivamente
resuelta por Buchner hacia finales del siglo XIX; exprimiendo
masas celulares de Saccharomyces cerevisie obtuvo un liquido sin
células, capaz de producir la mismas
reacciones químicas que se obtenían utilizando la
suspensión de células,
es decir, la transformación del azúcar en alcohol y
anhídrido carbónico. Por tanto, de la levadura se
podía extraer una sustancia capaz de regular un proceso
químico concreto.

Esto obligo a replantear las investigaciones
contrarias a la teoría
de que el proceso digestivo fuese debido a la trituración
de la s sustancias digeridas hasta el punto de reducirlas a
partículas lo suficientemente finas para poder ser
asimiladas. En efecto, en el siglo XVIII R.A de Reaumur (1683-
1757) haciendo ingerir a un halcón una cápsula de
hierro
agujereada, que contenía alimento, observó que este
quedó completamente disuelto por los jugos
gástricos y que, por tanto, no era, molturado de modo
mecánico por la robusta musculatura del robusto animal,
pues la cápsula quedo intacta.

Mas adelante se constato que el almidón era
degradado a monosacárido y disacárido por la
acción del jugo salival (ptialina) y se describió
la presencia de la pepsina en el jugo gástrico.
Posteriormente, fueron aisladas sustancias de carácter
fermentativo a partir de numerosas especies vegetales. Se observo
que el extracto de algunas raíces tenían capacidad
para modificar el color azul de
determinadas sustancias y que el extracto de trigo era capaz de
transformar el almidón en disacáridos y
dextrina.

La vía para el estudio de esas sustancias estaba
ya abierta. Jons Jacob Berzelius (1779 – 1848) interpreto
su acción como si se tratase de unos catalizadores que
favorecían determinada reacción química sin ser
destruidos y sin aparecer en los productos
finales. Richard Kuhne (1900-1967) fue el primero en dar a tales
sustancias el nombre enzimas, tomado
del griego, que significa literalmente "en la
levadura".

3. Las
enzimas

La Enzima Como Unidad Fundamental De Vida

Cada célula y
cada tejido tienen su actividad propia, lo que comporta continuos
cambios en su estado
bioquímico, en la base de la cual están las
enzimas, que
tienen el poder de
catalizar, facilitar, y agilizar determinados procesos
sintéticos y analíticos. Los propios genes son
reguladores de la producción de las enzimas; por tanto, genes
y enzimas pueden considerados como las unidades fundamentales de
la vida.

Este concepto poco
difundido casi hasta el siglo XX, se ha desarrollado y concretado
cada vez mas, y constituye un componente esencial de diversas
disciplinas: la microbiología, la fisiología, la bioquímica, la inmunología y la
taxonomía, formando además parte del campo
aplicado, en gran variedad de industrias. El
rasgo particular de las enzimas es que pueden catalizar procesos
químicos a baja temperatura,
compatible con la propia vida, sin el empleo de
sustancias lesivas para los tejidos. La vida
es, en síntesis, una cadena de procesos
enzimáticos, desde aquellos que tienen por sustratos los
materiales mas
simples, como el agua
(H2O) y el anhídrido carbónico
(CO2), presentes en los vegetales para la
formación de hidratos de carbono, hasta
los mas complicados que utilizan sustratos muy
complejos.

La formación de los prótidos, los
glúcidos y los lípidos es
un ejemplo típico: Son a la vez degradados y reconstruidos
por otras reacciones enzimáticas, produciendo
energía a una velocidad
adecuada para el organismo, sin el gasto energético que
exigen los métodos
químicos de laboratorio.

4. Importancia biomedica
de las enzimas

Sin enzimas, no sería posible la vida que
conocemos. Igual que la biocatálisis que regula la
velocidad a la
cual tienen lugar los procesos fisiológicos, las enzimas
llevan a cabo funciones
definitivos relacionadas con salud y la enfermedad. En
tanto que, en la salud todos los procesos
fisiológicos ocurren de una manera ordenada y se conserva
la homeostasis,
durante los estados patológicos, esta última puede
ser perturbada de manera profunda. Por ejemplo, el daño
tisular grave que caracteriza a la cirrosis hepática
pueden deteriorar de manera notable la propiedad de
las células para producir enzimas que catalizan procesos
metabólicos claves como la síntesis de urea. La
incapacidad celular para convertir el amoniaco tóxico a
urea no tóxica es seguida por intoxicación con
amoniaco y por ultimo coma hepático. Un conjunto de
enfermedades
genéticas raras, pero con frecuencia debilitantes y a
menudo mortales, proporciona otros ejemplos dramáticos de
las drásticas consecuencias fisiológicas que pueden
seguir al deterioro de la actividad enzimática, inclusive
de una sola enzima.

Después del daño tisular grave (por
ejemplo, infarto del miocardio o pulmonar, trituración de
un miembro) o siguiendo a multiplicación celular
descontrolada (por ejemplo, carcionoma prostatico), las enzimas
propias de tejidos
específicos pasan a la sangre. Por lo
tanto, la determinacion de estas enzimas intracelulares en el
suero sanguineo proporciona a los medicos informacion valiosa
para el diagnostico y el pronostico.

5. Caracteristicas de las
enzimas

Desde el punto de vista químico, las enzimas
están formadas de carbono (C),
Hidrógeno (H), oxigeno (O),
Nitrógeno (Ni), y Azufre (S) combinados, pero siempre con
peso molecular bastante elevado y común propiedades
catálicas especificas. Su importancia es tal que puede
considerarse la vida como un "orden sistemático de enzimas
funcionales". Cuando este orden y su sistema funcional
son alterados de algún modo, cada organismo sufre mas o
menos gravemente y el trastorno puede ser motivado tanto por la
falta de acción como por un exceso de actividad de
enzima.

Las enzimas son catalizadores de naturaleza
proteínica que regulan la velocidad a la cual se realizan
los procesos fisiologicos, producidos por los organismos vivos.
En consecuencia, las deficiencias en la funcion
enzimatica causan patologias.

Las enzimas, en los sistemas
biológicos constituyen las bases de las complejas y
variadas reacciones que caracterizan los fenómenos
vitales. La fijación de la energía
solar y la síntesis de sustancias alimenticias
llevadas a cabo por los vegetales dependen de las enzimas
presentes en las plantas. Los
animales, a su
vez, están dotados de las enzimas que les permiten
aprovechar los alimentos con
fines energéticos o estructurales; las funciones del
metabolismo
interno y de la vida de relación, como la
locomoción, la excitabilidad, la irritabilidad, la
división celular, la reproducción, etc.
Están regidas por la actividad de innumerables enzimas
responsables de que las reacciones se lleven a cabo en
condiciones favorables para el individuo, sin liberaciones
bruscas de energía a temperaturas fijas en un medio de
pH,
concentración salina, etc.; prácticamente
constante.

A diferencia de un catalizador inorgánico que
interviene en numerosas reacciones las enzimas producidas por los
organismos vivos habitualmente solo catalizan un tipo de
reacción o solo una reacción determinada; la
especificidad de las enzimas es tan marcadas que en general
actúan exclusivamente sobre sustancias que tienen una
configuración precisa; por ejemplo, si solo atacan a los
aminoácidos que tienen su carbono a , asimétrico, con
estructura L-,
no muestran la menor actividad sobre formas idénticas de
dichos aminoácidos, pero que sean del tipo D-.

En los sistemas
biológicos se llevan a cabo diversas reacciones a partir
de la misma sustancia; por ejemplo algunos microorganismos
convierten la glucosa en alcohol y
bióxido de carbono, al paso que otros gérmenes la
convierten en ácido láctico o ácido
pirúvico o acetaldehido. Esto quiere decir que la glucosa
puede descomponerse en distintos productos y aunque todas las
posibilidades son teóricas y prácticamente posibles
la presencia de ciertas enzimas favorece uno de los caminos que
llevan a la acumulación de determinados
compuestos.

Las enzimas, por lo tanto, se consideran como
catalizadores altamente específicos que:

• Modifican la velocidad de los cambios promovidos por
  ellas.
• Determinan que sustancias particulares, de
  preferencia a otras distintas son las que van a sufrir los
  cambios.
• Impulsan dentro de los distintos cambios posibles que
  pueda seguir una sustancia, cual de ellos en especial,
  será el utilizado.

Las enzimas representan las sustancias encargadas de
graduar la velocidad de una reacción determinada en el
interior de las células; como en las diversas
células se realizan infinidad de reacciones, ya que en una
de ellas se encuentran varios miles de sustancias, se deduce,
también, la presencia de varios miles de enzimas. Es
posible, por lo tanto, que la mayor parte de esta estructura
proteínica celular esté formada por enzimas,
encargadas de las diversas funciones de síntesis,
degradación, oxidación, etc. características de la actividad vital de
los distintos organismos.

6. La estructura
enzimática

Por su estructura y composición química
puede afirmarse que el origen de las enzimas esta vinculando al
origen de las sustancias proteicas. Al hablar del origen de la vida
se ha citado el éxito de los experimentos
realizados en el laboratorio
para la producción de aminoácidos; estos
aminoácidos son los que precisamente constituyen la base
del edificio proteico. También en el laboratorio se ha
intentado la síntesis de proteínas
a partir de aminoácidos.

La sede de las enzimas es el citoplasma. Los
cloroplastos vegetales contienen una amplia gama enzimas
encargadas de la función clorofílica, proceso que a
través de reacciones químicas complejas y
encadenadas transforman compuestos inorgánicos, como el
agua, y el
anhídrido carbónico, en sustancias complejas
adecuadas para ser entre otras cosas el alimento fundamental de
los animales.

En las mitocondrias existe un sistema de
transporte de
electrones que determinan importantes fenómenos de
oxidorreducción, durante los cuales se forman notables
cantidades de ATP, que es un compuesto altamente
energético del que depende la mayor parte de metabolismo, y
coma, por tanto el trabajo de
las células; en las mitocondrias se produce el metabolismo
enzimático de los ácidos grasos, los cuales son en
parte elaborados también en el citoplasma.

En los ribosomas tiene lugar concretamente todas la s
síntesis de las sustancias proteicas, mientras que en los
lisosomas se producen enzimas hidrolíticos cuya misión
escindir, con la intervención del agua,
moléculas grandes en otras menores, que pueden a su vez
ser utilizadas por las células; en cambio, las
enzimas glucolíticos están difundidos en el
citoplasma.

La localización de las sedes de las distintas
operaciones
enzimáticas antes mencionadas ha sido posible a
través del sistema de ruptura de las células y de
la separación de los distintos componentes mediante
centrifugación diferencial del homogeneizado de estas la
ruptura celular y la subdivisión de los componentes
subcelulares se realizan actualmente utilizando los tejidos, por
ejemplo con saltos bruscos desde temperaturas inferiores a
0° C hasta
temperaturas mas elevadas con cambios de presión
osmótica o mediante ultrasonidos.

7. Naturaleza
química de las enzimas

Existen numerosas razones para afirmar que las enzimas
son proteinas. La

más importantes son las siguientes:

1. El análisis de las enzimas obtenidas en
   forma más pura, criatalizada, demuestra que son proteínas.
2. Las enzimas son inactivadas a altas temperaturas y,
   en geeral, la cinética de la desnaturalización
   térmica de las enzimas da resultados muy parecidos a los
   de la desnaturalización térmica de las
   proteínas; por ejemplo el Q10 de la
   mayoría de las reacciones químicas es de 2 a 3,
   y, en el casod e las enzimas, a temperaturas elevadas,
   alrededor de 60 a 70 ° C, la actividad neta aumeta varios
   cientos, como sucede con la velocidad de la
   desnaturalización térmica de las
   proteínas.
3. Las enzimas son activadas en unas zona muy
   restringida de pH, y
   presenta un punto óptimo de ph donde su actividad es
   mayor. Las proteínas en su punto isoeléctrico,
   muestran propiedades parecidas desde el punto de vista de
   viscosidad,
   solubilidad, difución, etc., que resulta del todo
   similares a las propiedades de este tipo que muestran las
   enzimas.
4. Todos los agentes que desnaturalizan a las
   proteínas también destruyen o inactivan a las
   enzimas, ya sea el calor, los
   ácidos fuertes, o los metales pesados
   que puedesn combinarse con ellas.
5. Los problemas de
   solubilidad y de precipitación son comunes a las
   proteínas y las enzimas; en general, son solubles en
   agua o soluciones
   salinas, insolubles en alcohol, precipitan con determinadas
   concentraciones de sales neutras, etc.

8. Composición
química de las enzimas

Los conocimientos sobre la composición
química de las enzimas constituyeron materia de
numerosas controversias hasta 1926, cuando J.B Sumner (1887-1955)
consiguió cristalizar la ureasa, enzima que transforma la
urea en anhídrido carbonico y amoniaco, y demostrar que
era una sustancia proteica.

A, partir de entonces fueron aisladas otras enzimas en
forma pura, cristalina, y el análisis demostraba siempre la presencia de
una proteina, simple o conjugada. Cuando los analisi
químicos demuestran que la enzima es una proteína
conjugada, pueden distinguirse en el dos partes bien
diferenciadas:

• El grupo
  prosteico (Coenzima)
• La proteina (Apoenzima)

En algunas enzimas oxidantes fue observada la presencia
de la promoporteinas, en las cuales el grupo
prospético esta representado por un compuesto que contiene
Fe y otro elemento, el cual desmpeña un papel
importante en la combinación de la proteina con el
sustrato; otras veces este grupo prostético es derivada de
vitaminas
(como la vitamina B); 4en muchos casos resulta facil de separar
de la molécula proteica. No obstante una vez separadas,
las dos unidades no muestran actividad enzimático; por
tanto el grupo proteico (coenzima) y el grupo proteico
(apoenzima) han de estar íntimamente ligados entre si para
ser operativos. Por consiguiente, de las enzimas pueden
distinguirse los formados por:

• Solo proteínas, que difieren entre si por la
  secuencia con que los aminoácidos están
  combinados, como la ureasa y las enzimas digestivas (la pepsina
  y la tripsina)
• Los conjugados, separados en dos entidades
  químicas bien definidas: la coenzima y la
  apoenzima.

Después del descubrimiento de Sumner, el numero
de la enzimas y el estudio de sus actividades químicas
proporcionaron un notable impulso en la enzimología, y la
gran cantidad de las enzimas que rápidamente se acumulaban
determinaron la necesidad de utilizar una clasificación o
nomenclatura
para evitar errores y facilitar la comprensión de futuros
investigadores.

9. Nomenclatura y
clasificacion de las enzimas

Cien años atrás solo se conocian enzimas,
muchas de estas, catalizaban la hidrólisis de enlaces
covalentes. Algunas enzimas, de manera especial las que fueron
descubiertas en un principio, recibieron nombres ligados mas bien
a su sitio de procedencia anatómica que no siguen ninguna
regla ni sistema; tal es el caso de la ptialina de la saliva, que
ataca al almidón de la pepsina del estómago y de la
tripsina del páncreas, que atacan proteínas; de la
renina, que cuagula la leche; de la
papaina, enzima proteolítica que se encuentra en la papaya
y de las catepsinas, también proteasas, que se encuentran
en las células. Las enzimas relacionadas con la
cuagulación de la sangre, como son
la trombina, la plasmina, el plasminógeno, etc. reciben
también nombres sistematizados.

Al descrubir nuevas enzimas y proceder a su
caracterización estricta se aplicaron reglas de
nomenclatura basadas en el nombre del sustrato atacado, o en el
tipo general de sustrato, o en la reacción catalizada y se
ha añadido convencionalmente, la terminación -asa.
Por ejemplo: las lipasas (hidrolizan lipidos o grasas), las
amilasas (hidrolizan almidon), las proteasas (hidrolizan
proteinas), las esterasas (basado en la unión general de
tipo éster presentes en muchas sustancias), colesterol
estrerasa (si la esterasa es específica de los esteres de
colesterol) y acetilcolina esterasa (si la estersa de la
acetilcolina). Otros ejemplos: Las fosfatasas son enzimas que
atacan las uniones éster, pero en este caso, toman su
nombre del grupo vecino a la unión que van a atacar, de
manera que se denominan fosfatasas (cuando quitan una
molécula de monofosfato), pirofosfatasas (cuando quitan el
ácido fosfórico como esteres dobles (pirofosfatos),
o triples, etc.) De la misma manera, las carbohidrasas se
denominan así genericamente, pero pueden comprender
enzimas con nombres proveniente del sustrato particular sobre el
que actuan como la amilasa que ataca al almidón y la
celulasa que actúa sobre la celulosa y, en otras
ocaciones, se denominan de acuerdo con la unión atacada,
como la b
-glucosidasa que actúa sobre las uniones
b -glucosídicas.
Los ejemplos se pueden extender a todos los terrenos de la
actividad enzimática, como en las enzimas
proteolíticas, las fosforilasas, las nucleasas,
etc.

Esta manera de llamarlas, se demostro que era inadecuada
porque al descubrirse varias enzimas, notaron que varias enzimas
catalizaban reacciones diferentes del mismo sustrato, por
ejemplo, oxidacion o reduccion de la funcion alcohol
de un azucar.

Aunque el sufijo –asa continua en uso;
actualmente, al nombrar a las enzimas, se enfatiza el tipo de
reaccion catalizada. Por ejemplo: las hidrogenasas catalizan la
eliminacion de hidrogeno y
las transferasas, reacciones de transferencia de grupo. Con el
descubrimiento de mas y mas enzimas, surgieron ambiguedades y con
frecuencia no estaba claro cual era la enzima que un investigador
deseaba estudiar. Para remediar esta deficiencia, la
Comisión para el estudio de las enzimas, que constituye
con respecto a los sistemas anteriores un punto de vista
más uniforme, preciso y descriptivo; esta formada por la
Union Internacional de Bioquimica (IUB) adopto, en 1964, un
sistema complejo pero inequivoco de la nomenglatura enzimatica
basado en el mecanismo de reaccion.

El sistema se basa en la reacción química
catalizada que es la propiedad
específica que caracteriza a cada enzima las cuales se
agrupan en clases, porque catalizan procesos semejantes, y en
subclases que especifican con mayor exactitud la reacción
particular considerada. En general, las enzimas reciben un nombre
de acuerdo con el sustrato o los sustratos que participan en la
reacción seguido por el tipo de reacción catalizada
y, por fin, la terminación -asa. A menudo los nombres
así obtenidos resultan largos y complejos, por lo que es
muy dificil que en la práctica se pueda excluir el uso de
los nombres triviales, consagrados por la costumbre. Sin embargo,
con fines de sistematización, se reconoce la necesidad de
aceptar el nuevo sistema.

Aunque su claridad y carencia de ambigüedad
recomiendan al sistema de nomenglatura IUB para trabajos de
investigacion, nombres mas ambiguos, pero basante mas cortos
persisten en libros de
texto y en el
laboratorio clinico. Por esta razon, a continuacion solo se
presenta principios
generales del sistema IUB:

1. Las reacciones y las enzimas que las catalizan se
   dividen en 6 clases principales, cada una con 4 a 13
   subclases.
2. El nombre de la enzima tiene 2 partes: la primera es
   el nombre del o los sustratos; la segunda, con terminacion
   –asa, indica el tipo de reaccion catalizada.
3. Informacion adicional, si es necesario aclarar la
   reaccion, puede seguir el parentesis. Por ejemplo: la enzima
   que cataliza L-malato + NAD= = piruvato +
   CO2 NADH + H= , se denomina como 1.1.1.37
   L-malato:NAD+ oxidorreductasa
   (descarboxilante).
4. Cada enzima tiene un numero clave (E.C.) que
   caracteriza al tipo de reaccion según la clase (primer
   digito), subclase (segundo digito) y subclase (tercer digito).
   El cuarto digito es para la enzima especifica. Asi, E.C.
   2.7.1.1 denota la clase 2 (una transferasa), subclase 7
   (transferencia de fosfato), sub-clase 1 (una funcion alcohol
   como aceptor de fosfato). El ultimo digito denota a la enzima
   hexocinasa o ATP: D-hexosa-6-fosforotransferasa, enzima que
   cataliza la transferencia de fosfato desde el ATP al grupo
   hidroxilo de carbono 6 de la glucosa.

Al final de sus y trabajos, clasifico las enzimas en
seis grupos
principales, correspondientes por sus términos a las
raciones que cada enzima ejerce sobre el sustrato. Estos grupos se
subdividen en otro, según el tipo de sustrato y los
átomos concretos que son sensibles a sus acciones.
Estos seis grupos son los siguientes:

1. Oxidoreductasas
2. Transferasas
3. Hidrolasas
4. Isomerasa
5. Liasas

1.Oxido-reductasas: Son las enzimas relacionadas con las
oxidaciones y las reducciones biológicas que intervienen
de modo fundamental en los procesos de respiración y fermentación. Las
oxidoreductasas son importantes a nivel de algunas cadenas
metabólicas, como la escisión enzimática de
la glucosa, fabricando también el ATP, verdadero almacén de
energía. Extrayendo dos átomos de hidrógeno,
catalizan las oxidaciones de muchas moléculas
orgánicas presentes en el protoplasma; los átomos
de hidrógeno tomados del sustrato son cedidos a
algún captor.

En esta clase se encuentran las siguientes subclases
principales: Deshidrogenasas y oxidasas. Son más de un
centenar de enzimas en cuyos sistemas actúan como
donadores, alcoholes,
oxácidos aldehidos, cetonas, aminoácidos,
DPNH2, TPNH2, y muchos otros compuestos y,
como receptores, las propias coenzimas DPN y TPN, citocromos,
O2, etc.

2.Las Transferasas: Estas enzimas catalizan la
transferencia de una parte de la molécula (dadora) a otra
(aceptora). Su clasificación se basa en la naturaleza
química del sustrato atacado y en la del aceptor.
También este grupo de enzimas actúan sobre los
sustratos mas diversos, transfiriendo grupos metilo,
aldehído, glucosilo, amina, sulfató,
sulfúrico, etc.

3.Las Hidrolasas: Esta clase de enzimas actúan
normalmente sobre las grandes moléculas del protoplasma,
como son la de glicógeno, las grasas y las
proteínas. La acción catalítica se expresa
en la escisión de los enlaces entre átomos de
carbono y nitrógeno (C-Ni) o carbono oxigeno (C-O);
Simultáneamente se obtiene la hidrólisis
(reacción de un compuesto con el agua)de una
molécula de agua. El hidrógeno y el oxidrilo
resultantes de la hidrólisis se unen respectivamente a las
dos moléculas obtenidas por la ruptura de los mencionados
enlaces. La clasificación de estas enzimas se realiza en
función del tipo de enlace químico sobre el que
actúan.

A este grupo pertenecen proteínas muy conocidas:
la pepsina, presente en el jugo gástrico, y la tripsina y
la quimiotripsina, segregada por el páncreas.
Desempeñan un papel esencial
en los procesos digestivos, puesto que hidrolizan enlaces
pépticos, estéricos y
glucosídicos.

4.Las isomerasas:Transforman ciertas sustancias en otras
isómeras, es decir, de idéntica formula
empírica pero con distinto desarrollo.
Son las enzimas que catalizan diversos tipos de
isomerización, sea óptica,
geométrica, funcional, de posición, etc. Se dividen
en varias subclases.

Las racemasas y las epimerasas actúan en la
racemización de los aminoácidos y en la
epimerización de los azúcares. Las primeras son en
realidad pares de enzimas específicas para los dos
isómeros y que producen un solo producto
común. Las isomerasas cis – trans modifican la
configuración geométrica a nivel de un doble
ligadura. Las óxido – reductasas intramoleculares
cetalizan la interconversión de aldosas y cetosas,
oxidando un grupo CHOH y reduciendo al mismo tiempo al C = O
vecino, como en el caso de la triosa fosfato isomerasa, presente
en el proceso de la glucólisis ; en otros casos cambian de
lugar dobles ligaduras, como en la (tabla) isopentenil fosfato
isomerasa, indispensable en el cambio
biosinético del escualeno y el colesterol. Por fin las
transferasas intramoleculares (o mutasas) pueden facilitar el
traspaso de grupos acilo, o fosforilo de una parte a otra de la
molécula, como la lisolecitina acil mutasa que transforma
la 2 – lisolecitina en 3 – lisolecitina, etc. Algunas
isomerasa actúan realizando inversiones
muy complejas, como transformar compuestos aldehídos en
compuestos cetona, o viceversa. Estas ultimas desarrollan una
oxidorreducción dentro de la propia molécula (oxido
rreductasa intramoleculares)sobre la que actúan, quitando
hidrógeno, a algunos grupos y reduciendo otros;
actúan ampliamente sobre los aminoácidos, los
hidroxácidos, hidratos de carbono y sus
derivados.

5.Las Liasas: Estas enzimas escinden (raramente
construyen) enlaces entre átomos de carbono, o bien entre
carbono y oxigeno, carbono y nitrógeno, y carbono y
azufre. Los grupos separados de las moléculas que de
sustrato son casi el agua, el anhídrido carbónico,
y el amoniaco. Algunas liasa actúan sobre compuestos
orgánicos fosforados muy tóxicos,
escindiéndolos; otros separan el carbono de numerosos
sustratos.

6.Las Ligasas: Es un grupo de enzimas que permite la
unión de dos moléculas, lo cual sucede
simultáneamente a la degradación del ATP, que, en
rigor, libera la energía necesaria para llevar a cabo la
unión de las primeras. Se trata de un grupo de enzimas muy
importantes y recién conocidas, pues antes se pensaba que
este efecto se llevaba a cabo por la acción conjunta de
dos enzimas, una fosfocinasa, para fosforilar a una sustancia A
(A + ATP A – ℗ + ADP) y una transferasa que pasaría
y uniría esa sustancia A, con otra, B (A -℗ + B A
– B + Pi ). A este grupo pertenecen enzimas de
gran relevancia reciente, como las aminoácido –ARNt
ligasas conocidas habitualmente con el nombre de sintetasas de
aminoácidos –ARNt o enzimas activadoras de
aminoácidos que representan el primer paso en el proceso
biosintético de las proteínas, y que forman uniones
C-O; las ácido-tiol ligasas, un ejemplo típico de
las cuales es la acetil coenzima. A sintetasa, que forma acetil
coenzima. A partir de ácido acético y coenzima A ;
las ligasas ácido – amoniaco (glutamina sintetasa),
y las ligasas ácido-aminoácido o sintetasas de
péptidos, algunos de cuyos ejemplos más conocidos
son la glutación sintetasa, la carnosina sintetasa,
etc.

La acción de estas enzimas se manifiesta con la
formación de enlaces entre átomos de carbono y
oxigeno de diversas moléculas, o bien entre carbono y
azufre, carbono y nitrógeno y carbono y carbono. Las
ligasas utilizan siempre, para el proceso de reacción, la
energía proporcionada por el ATP o compuestos
homólogos que son degradados, Por consiguiente las enzimas
de esta clase son los únicos que intervienen en
reacción no espontánea desde un punto de vista
termodinámico; Actúan sobre los sustratos
más diversos y revisten particular importancia en el
metabolismo de los ácidos nucleicos.

Estas reacciones enzimáticas se desarrollan en
dos tiempos: en el primero se forma un complejo intermedio con
potencia
energética muy alta-, en el segundo utilizan la
energía obtenida para realizar la reacción de
síntesis.

10.Partes del sistema
enzimatico

Los sistemas enzimáticos en general, están
formados por la enzima propiamente dicha (apoenzima), el sustrato
o los sustratos un grupo proteico ( o coenzimas) y sustancias
activadoras. La estructura formada por la apoenzima y la coenzima
se denomina boloenzima; con cierta frecuencia se reconocen
sistemas enzimaticos que no tienen grupo prostético o
activadores reconocidos.

Apoenzima: concepto del
centro activo

La apoenzima es la enzima propiamente dicha, de
naturaleza proteica formada por cadenas de polipéptidos,
con peso moléculas elevado, no dializable y
termolábil.

Las estudiadas analíticamente hasta ahora, han
sido, por razones técnicas de peso molecular bajo, 12 a 24
000, tienen una sola cadena polipeptídica (ribonucleasa,
papaina, tripsina, pepcina, etc.) excepto uno o dos casos
(a –
quimotripsina y aldolasa) que tienen dos.

El análisis de los aminoácidos que
componen a diversas enzimas demuestran que tienen una estructura
similar a la de cualquier proteína; existen, de hecho unos
cuantos casos en los que se ha determinado su secuencia completa,
es decir, el orden en el que están dispuestos todos ellos
en la cadena. El análisis de la estructura secundaria de
la proteína, osea el modo como la cadena peptídoica
se dispone a lo largo de su eje mayor y el de la estructura
terciaria, osea la forma en que la cadena se pliega y se acomoda
para formar una estructura tridimensional se conocen muy mal para
todas las enzimas. Solo en el caso de la lisozima (enzima
presente en las lágrimas donde funciona como un
antiséptico suave y que tiene la capacidad de atacar a los
polisacáridos que forman la pared de diversas
bactérias) se ha determinado la estructura tridimensional
de una enzima; para este fin se aplican las técnicas de
cristalografía de rayos x, con una
solución de dos Å, lo que demostró que la
lisosima es una proteína con su cadena de 129
aminoácidos ampliamente plegada y en la que se reconoce
una hendidura representante del centro activo donde se acomodan
muy bien los inhibidores – ciertos compuestos del tipo de
carbohidratos
– que nulifican su actividad enzimática. Se ha
demostrado, en este caso, que es cierta regla general de que el
modo como se ordenan y disponen los aminoácidos de
termoina el arreglo espacial que permite a las otras partes del
sistema enzimático – sustratos, cofactores, iones,
etc. – adaptarse, en el espacio, en forma adecuada, para
que se lleve a cabo la acción catalítica. Por lo
tanto, las estructuras
indispensables que permiten la combinación con el sustrato
y que confieren propiedades enzimáticas a la
molécula se denomina "centro activo". Se acepta que el
centro activo no es una parte muy grande de la enzima completa y,
en ciertos sistemas estudiados por medio de bloqueos
químicos no parece constituir una zona de más de 20
Å de diámetro. Es muy posible que el centro activo
esté formado por la contribución de grupos
funcionales de aminoácidos situados en distintas cadenas o
en diferentes repliegues de una cadena, asiendo aparecer a dichos
grupos muy distantes entre ellos si se considera el orden que
guardan a lo largo de la cadena polipeptídica.

Un caso muy ilustrativo sobre lo que significa la
estructura del centro activo desde el punto de vista de la
composición de los aminoácidos es el de la
triptofano pirrolasa, enzima ampliamente estudiada en bacterias
desde el punto de vista de la bioquímica
genética.
En ella, la modificación de algunos aminoácidos
produce perdida e la actividad enzimática, que se recupera
si vuelve a incluirse los aminoácidos en el orden
original; sin embargo, se pueden reemplazar dos de ellos por
otros completamente distintos, y la enzima vuelve a ser
totalmente activa. Es posible que con estos nuevos
aminoácidos se consigan también las condiciones de
distribución espacial de grupos funcionales
y estructuras
necesarias para la actividad enzimática.

El concepto de arreglo tridimensional adecuado de los
aminoácidos que forman la cadena polipeptídica de
la enzima para lograr la actividad funcional correcta permite
entender numerosos denómenos: la necesidad de que la
molécula proteica íntegra esté preservada en
su forma; el hecho de que la desnaturalización de la
enzima al permitir la separación de los pliegues, conduce
a la perdida de la actividad enzimática; que al calentar
una enzima con su sustrato (por ejemplo, la invertasa con
sacaroza, la transaminasa con ácido a -cetoglutárico), se
impide una desnaturalización que sin ellos se
produciría, pues es posible que el propio sustrato
contribuya a sostener y reforzar la aproximación de los
pliegues de la cadena, etc.

También se entiende por que al atacar la
ribonucleasa con pepsina y romper una sola unión
peptídica que separa un tetrapéptido del extremo
con grupo carboxilo libre se pierde la actividad, mientras que si
solo se quita los tres últimos disminuye su acción
sugiriendo así la importancia del residuo de ácido
aspártico
para sostener el centro activo en condiciones de eficiencia, o lo
que es más probable, para formar parte del propio centro
activo. Si se parte la ribonucleasa entre los aminoácidos
20 y 21, y se separan los dos fragmentos, ninguno es activo, pero
basta mezclarlos para que se unan en tal forma que se restablece
la actividad, aunque un poco menor que la originalmente
observada.

El estudio detallado de la estructura del centro activo
se hace por medio de inhibidores o de reactivos que se combinan
de modo específico, con algunos de los aminoácidos
del centro activo tales como el diisopropilfluorofosfato (DFP),
que se combina con el OH del aminoácido serina, en
diversas esterasas, peptidasas, etc. , e inactiva el centro
activo del que forman parte dicho aminoácido; este
inhibidor, aún a concentraciones de 10-10 M,
inhibe a la acetilcolinesterasa; mucho de los derivados del DFP
se utilizan como gases de
guerra o como
insecticidas (parathion), y su utilidad se debe,
en rigor a su capacidad para destruir funcionalmente ciertas
enzimas.

La unión del DFP al aminoácido cedina es
muy estrecha y a permitido el análisis de los
aminoácidos vecinos a él, haciendo un estudio de su
ordenamiento en el centro activo. La secuencia de los centros
activos de
diversas enzimas hidrolíticas sensibles al DFP, se
demuestran que la mayoría tienen cerina y a demás
un aminoácido dicarboxílico (aspártico
o glutámico) y en el otro un aminoácido neutro
(alanina o glicina). También se ha demostrado que la
histidina, cuando menos para el caso de la quimotripsina, forma
parte del centro activo aún cuando el análisis de
la secuencia no demuestra que exista cerca de la cerina ninguna
histidina; se trata, por lo tanto, de otro ejemplo de una
aminoácido, alejado e otro, y en distinto pliegue de la
cadena, que integra el centro activo.

Teniendo en cuenta estos hechos, se deduce, por lo
tanto, que la actividad de la enzima depende en parte de la
disposición o arreglos de los aminoácidos y grupos
prostéticos en determinada región de la
proteína. Los aminoácidos que componen a las
proteínas pueden tener moderadas actividades
catalíticas, aunque de ninguna manera comparable en su
magnitud, cuando se les considera en forma aislada, a las que
muestran la gran molécula proteica. De hecho para muchos
sistemas enzimáticos se han ideado modelos
análogos, osea sustancias químicas sencillas que
suelen reproducir los efectos ocasionados por la enzima, tal es
el caso de los análogos, a base de piridoxsal que
representan la parte activa de enzimas descarboxilantes y
transaminantes. Esto no significa que necesariamente, en el estado
natural, la enzima funcione como lo hace el análogo pues
muchos sistemas pudieran tener otro mecanismo de
operación; la hidrólisis del almidón lo
mismo se logra con la adición del ácido que con la
enzima específica amilasa, aún cuando en el primer
caso se atacan indiscriminadamente numerosas uniones
glucosídicas, y con la enzima, en cambio solo se
desprenden, uno tras otro fragmentos de dos unidades de glucosa
de los extremos de las ramificaciones.

• Conformación de la enzima y propiedades del
  centro activo. La propiedad catalítica de las enzimas
  parece depender de la facilidad con la que ayudan a que se
  pongan en contacto las sustancias reaccionantes para dar el
  producto o
  los productos de la reacción. Esto implica que el
  sistema enzimático tenga una conformación
  especial osea, una disposición adecuada de os grupos
  funcionales – aminoácidos de la apoenzima y grupos
  prostéticos, cuando existen estos – y de las
  moléculas mismas de los sustratos que se unirán a
  aquellos y permitirán que se lleve a cabo la
  reacción química. Este acercamiento de las
  sustancias reaccionantes de los grupos prostéticos y los
  grupos funcionales fue las razón del modelo de
  Ehrlich, conocido clásicamente como de la "llave y la
  cerradura". Así la enzima sería un molde
  tridimensional en negativo, de la estructura también
  tridimensional, en positivo de los reaccionantes que se
  adaptarían perfectamente a ala disposición de la
  enzima. Sin embargo ha sido necesario reconsiderar esta
  situación y sugerir – de acuerdo con Koshland
  – la teoría de un "acomodo
  inducido".

Así las enzimas pueden sufrir un cambio en su
estructura desde el momento en que entran en contacto con los
reaccionantes, sustratos y cofactores, y es posible que todos
ellos modifiquen el arreglo tridimensional de la enzima; la
enzima los recibe en un orden determinado y cada uno de ellos al
unirse a la enzima modifica su estructura. La nueva
analogía es la del "guante y la mano"; aquel no representa
una estructura de negativo tridimensional mientras no se halla la
mano en el, ya que antes pueden tener diversas formas y
disposiciones, una vez que ha entrado la mano – que a su vez
también puede adoptar distintas posiciones – se
ponen en contacto todas las partes correspondientes, es decir, en
el caso de la enzima, las partes reactivas del sistema
enzimático, con las partes reaccionantes, osea los
sustratos. Se ha preservado con esta nueva idea, el aspecto de la
armonía estructural entre el sustrato y la enzima pero se
introduce el nuevo concepto de que es necesario provocar un
cambio en la estructura proteica que favorezca la
colocación adecuada de todos los elementos que interviene
en la reacción enzimática. Los cambios de la
estructura protéica se denominan "conformacionales". El
cambio en la disposición tridimensional puede hacerse a
distancia y en muchas ocasiones la unión del sustrato a
una parte de la enzima modifica otras zonas de ella y aún
su estructura completa, debido a plegamientos que acercan o
alejan diversos grupos colocados a lo largo del péptido
que forma la enzima. Esta alteración múltiple y de
tipo flexible, permite entender mejor el proceso de entrada
ordenada de los sustratos, y los cofactores y la reacción
en la que se participan. También permiten comprender
porque un sustrato entra a una enzima y es atacado y uno que no
lo es aún muy parecido a él, puede quedar excluido
del centro activo.

Se ejemplifican estas ideas en A se encuentra la enzima
en una forma desplegada con ciertos grupos reactivos (+) y (-),
colocados en una zona de la superficie de la enzima. La entrada
de un cofactor F1, modifica una parte del sistema (B);
se introduce en el sistema un nuevo arreglo a base de la
reactividad de tipo electrónico entre la zona (+) y una
parte del cofactor F1, recién introducido; por
fin la entrada de un nuevo reaccionate F2 modifica la
parte terminal de la enzima de manera que permite la entrada del
otro reaccionante (sustrato) que se acomoda en un lugar preparado
previamente por los reaccionantes F1 y F2,
y permite de esta manera echar a andar la reacción
catalítica. Los cambios conformacionales, se pueden
demostrar con diversos métodos
algunos de tipo físico, como son las modificaciones en la
rotación óptica
o en el patrón de sedimentación en el campo
gravitacional de la ultracentrífuga, o químicos
como el aumento o la disminución de la actividad
enzimática bajo la influencia de cambios térmicos o
la adición de agentes desnaturalizantes. Basten unos
cuantos ejemplos: la transaminasa a -cetoglutárica se pude calentar a
65° C. en
presencia de su sustrato sin que se afecte, al paso que la enzima
sola es rápidamente degradada, cambia de
configuración y se precipita; la miosina, proteína
muscular contráctil, en presencia de ATP hace más
notable su forma de espiral y permite el reconocimiento de
aminoácidos previamente ocultos en sus pliegues; la
D-amino oxidasa, al unirse a su cofactor, el FAD, pasa de la
forma espiral en a
-hélice, a una disposición irregular
distribuida al azar.