Enzimas
Las enzimas son proteínas catalíticas que llevan a cabo reacciones químicas que son termodinámicamente posibles. Un catalizador es un compuesto que acelera las reacciones químicas. Las enzimas son de las moléculas biológicas más estudiadas debido a su capacidad de llevar a cabo reacciones químicas con mucha eficiencia. Tomemos el ejemplo de peróxido de hidrógeno (también llamado agua oxigenada) que se puede disociar en agua y oxígeno.
En esta reacción dos moléculas de peróxido de hidrógeno (H2O2) se disocian en dos moléculas de agua (H2O) y una de oxígeno molecular (O2). Esta reacción puede ocurrir de manera espontánea, sin embargo, la adición de una pequeña cantidad de hierro puede incrementar la velocidad de reacción varios miles de veces, en este caso el hierro actúa como catalizador. Las enzimas, en cambio, llevan esta velocidad a escalas mucho mayores, una enzima llamada Catalasa puede convertir unos 40 millones de moléculas peróxido en un segundo !. No resulta sorprendente saber que la Catalasa utiliza un átomo de hierro para llevar a cabo su reacción química.
Una de las razones por la cual las enzimas pueden llevar a cabo estas reacciones químicas tan rápido es porque favorecen que las moléculas que van a reaccionar estén en una posición geométrica correcta que sería muy difícil conseguir de manera aleatoria. Otra cosa que tienen las enzimas es que también favorecen el "estado de transición" del sustrato hacia la formación del producto; es decir, ayudan a que una molécula (sustrato) se convierta en otra (producto), para ello se valen de los aminoácidos catalíticos que están perfectamente ubicados para este propósito.
Como todas las proteínas, las enzimas están hechas de aminoácidos y también existen en formas, tamaños y actividades químicas extremadamente variables. La enzima más pequeña que se conoce es la 4-Oxalocrotonato tautomerasa que tiene solamente 62 aminoácidos, mientras que una de las más grandes es la Sintasa de Ácidos Grasos con más de 2500 aminoácidos. Sin importar el tamaño de la enzima o la reacción química que realice, la catálisis es llevada a cabo únicamente por unos 3 o 4 aminoácidos; todos los demás están involucrados en construir un "andamio" en el cual los aminoácidos catalíticos se puedan colocar en la posición exacta para llevar a cabo la reacción química. En la Catalasa (de unos 1900 aminoácidos), los aminoácidos que llevan a cabo la reacción química son una Histidina y una Asparagina en colaboración con un átomo de hierro sujetado por un grupo hemo.
Las enzimas son las encargadas de llevar a cabo las reacciones metabólicas necesarias para la célula. Dentro del genoma de una célula están codificadas las enzimas que le permitirán vivir en un medio determinado. El conjunto de todas las reacciones químicas catalizadas por enzimas se conoce como mapa metabólico. Este mapa metabólico nos permite representar las conversiones de unas moléculas en otras. En ocasiones, es necesario convertir una molécula en otra muy diferente, en cuyo caso se necesitan más de una reacción; al conjunto de estas reacciones "acopladas" se le denomina ruta metabólica.
Enzimas Clase 1: Oxidorreductasas
Estas enzimas catalizan la transferencia de equivalentes de oxido-reducción. Es decir, catalizan la oxidación de un compuesto a expensas de la reducción de otro (o viceversa). Ejemplos de estas enzimas son las Deshidrogenasas, Oxidasas, Reductasas, Peroxidasas, Monooxigenasas, Desoxigenasas. Estas enzimas necesitan de una coenzima que puede ser NAD+, FMN, FAD, Ubiquinona, ácido ascórbico, centros hierro-Azufre o grupos Hemo.
Enzimas Clase 2: Transferasas
Estas enzimas transfieren grupos funcionales completos desde una molécula hasta otra. Ejemplos de estas enzimas son las Glucosiltransferasas, Aminoransferasas, Fosfotransferasas, Aciltransferasas, Descarboxilasas, Transaminasas, Mutasas, Metiltransferasas. Las transferasas también necesitan de coenzimas que incluyen a la Coenzima A, Tiamina-pirofosfato, Piridoxal-fosfato, Biotina, Tetrahidrofolato o Cobalamina.
Enzimas Clase 3: Hidrolasas
Estas enzimas catalizan la ruptura de compuestos usando una molécula de agua. Durante la reacción química, la molécula de agua también se rompe, quedando un segmento del compuesto como R-H y otro como R'-OH. Ejemplos de estas enzimas incluyen a las Lipasas, Glucosidasas, Peptidasas, Nucleasas.
Enzimas Clase 4: Liasas
Estas enzimas con frecuencia son llamadas "sintasas" y catalizan la ruptura o formación de moléculas con la consecuente formación o eliminación de enlaces dobles. Ejemplos de Liasas son algunas Carboxilasas, Sintasas, Ciclasas, Liasas. Suelen tener coenzimas como Tiamina-pirofosfato, Piridoxal-fosfato, FAD o metales como el Zinc o el Cobre.
Enzimas Clase 5: Isomerasas
Desplazan grupos funcionales dentro de una molécula sin cambiar la fórmula química del sustrado, es decir, generan un isómero. Ejemplos de isomerasas son las Epimerasas, Mutasas e Isomerasas.
Enzimas Clase 6: Ligasas
Suelen ser llamadas "sintetasas" y catalizan la ruptura o unión de enlaces covalentes entre moléculas usando la energía química almacenada en el ATP. Ejemplos de estas enzimas son las Sintetasas, Ligasas y algunas Descarboxilasas.
Sitio Activo
El sitio activo es el lugar dentro de la enzima donde se lleva a cabo la reacción química, normalmente es una cavidad o surco en la proteína que tiene una forma en la cual el sustrato puede encajar a la perfección. Este encaje se suele llamar "llave-cerradura" en donde la cerradura sería la enzima y la llave el sustrato. El sitio activo está constituido por dos grupos de aminoácidos: los que son catalíticos (encargados de la reacción química) y los que "coordinan" o sujetan al sustrato mientras se lleva a cabo la reacción.
Cualquier aminoácido puede ser un aminoácido catalítico, de hecho en las enzimas se han encontrado ejemplos en donde alguno de los veinte tipos de aminoácidos es catalítico, sin embargo, los más comunes son la Histidina, Cisteína, Ácido aspártico, Arginina, Glutamina, Tirosina, Lisina y Serina. En las enzimas habrá al menos un sitio catalítico, pero en algunas de ellas pueden existir dos o más dependiendo del tamaño o la complejidad de la reacción.
En el sitio activo también se puede unir alguna molécula que tenga una alta afinidad por la cavidad para el sustrato, sin embargo, este ligante se queda "atrapado" en el estado de transición de la reacción y por lo tanto no se transforma en producto sino que se queda "pegado" al sitio activo inhibiendo a la enzima; este tipo de moléculas se les conoce como inhibidores.
Sitio de unión al cofactor
No todas las enzimas usan un cofactor o coenzima pero las que lo utilizan siempre tienen el sitio de unión al cofactor muy cerca del sitio activo compartiendo parte del canal que une al sustrato. Este cofactor ayudará en la transferencia de equivalentes Redox, de grupos funcionales o de átomos individuales.
Sitio de unión a ligando alostérico
Un ligando alostérico es aquel que puede inhibir o activar a una enzima. Cuando existen sitios de unión a ligando alostérico, estos se ubican lejos del sitio activo en una cavidad específica para esta molécula. La unión del ligante alostérico induce cambios en la estructura de la enzima desde el sitio alostérico que se transmiten hasta el sitio activo afectando la actividad enzimática, ya sea favoreciéndola (activando a la enzima) o impidiendo que trabaje adecuadamente (inhibiendo a la enzima). De esta manera se puede "encender" o "apagar" una enzima sin tener que sintetizarla desde cero o destruirla, permitiendo así una regulación más fina y rápida del metabolismo global de la célula. Las enzimas que son reguladas de esta manera se denominan enzimas alostéricas, y participan en la regulación de las rutas metabólicas "encendiendo" o "apagando" algún paso de la ruta, canalizando así los sustratos hacia donde sean necesarios. Visita también nuestro tema de divulgación científica: Hablando de enzimas.
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2 H2O2 ---> 2 H2O + O2
En esta reacción dos moléculas de peróxido de hidrógeno (H2O2) se disocian en dos moléculas de agua (H2O) y una de oxígeno molecular (O2). Esta reacción puede ocurrir de manera espontánea, sin embargo, la adición de una pequeña cantidad de hierro puede incrementar la velocidad de reacción varios miles de veces, en este caso el hierro actúa como catalizador. Las enzimas, en cambio, llevan esta velocidad a escalas mucho mayores, una enzima llamada Catalasa puede convertir unos 40 millones de moléculas peróxido en un segundo !. No resulta sorprendente saber que la Catalasa utiliza un átomo de hierro para llevar a cabo su reacción química.
Una de las razones por la cual las enzimas pueden llevar a cabo estas reacciones químicas tan rápido es porque favorecen que las moléculas que van a reaccionar estén en una posición geométrica correcta que sería muy difícil conseguir de manera aleatoria. Otra cosa que tienen las enzimas es que también favorecen el "estado de transición" del sustrato hacia la formación del producto; es decir, ayudan a que una molécula (sustrato) se convierta en otra (producto), para ello se valen de los aminoácidos catalíticos que están perfectamente ubicados para este propósito.
Como todas las proteínas, las enzimas están hechas de aminoácidos y también existen en formas, tamaños y actividades químicas extremadamente variables. La enzima más pequeña que se conoce es la 4-Oxalocrotonato tautomerasa que tiene solamente 62 aminoácidos, mientras que una de las más grandes es la Sintasa de Ácidos Grasos con más de 2500 aminoácidos. Sin importar el tamaño de la enzima o la reacción química que realice, la catálisis es llevada a cabo únicamente por unos 3 o 4 aminoácidos; todos los demás están involucrados en construir un "andamio" en el cual los aminoácidos catalíticos se puedan colocar en la posición exacta para llevar a cabo la reacción química. En la Catalasa (de unos 1900 aminoácidos), los aminoácidos que llevan a cabo la reacción química son una Histidina y una Asparagina en colaboración con un átomo de hierro sujetado por un grupo hemo.
Las enzimas son las encargadas de llevar a cabo las reacciones metabólicas necesarias para la célula. Dentro del genoma de una célula están codificadas las enzimas que le permitirán vivir en un medio determinado. El conjunto de todas las reacciones químicas catalizadas por enzimas se conoce como mapa metabólico. Este mapa metabólico nos permite representar las conversiones de unas moléculas en otras. En ocasiones, es necesario convertir una molécula en otra muy diferente, en cuyo caso se necesitan más de una reacción; al conjunto de estas reacciones "acopladas" se le denomina ruta metabólica.
Clases de Enzimas
Existen miles de enzimas en la naturaleza y para estudiarlas se han agrupado en seis categorías diferentes según el tipo de reacción química que pueden catalizar. Esta clasificación fue dada por la Comisión de Enzimas (Enzyme Commission o EC), y cada enzima tiene un número EC único de cuatro cifras; por ejemplo, la alcohol deshidrogenasa tiene el número EC 1.1.1.1 mientras que la lactato deshidrogenasa tiene el número EC 1.1.1.27, ambas son deshidrogenasas (Enzimas Clase 1) y trabajan con los mismos mecanismos, pero sobre diferente sustrato.Enzimas Clase 1: Oxidorreductasas
Estas enzimas catalizan la transferencia de equivalentes de oxido-reducción. Es decir, catalizan la oxidación de un compuesto a expensas de la reducción de otro (o viceversa). Ejemplos de estas enzimas son las Deshidrogenasas, Oxidasas, Reductasas, Peroxidasas, Monooxigenasas, Desoxigenasas. Estas enzimas necesitan de una coenzima que puede ser NAD+, FMN, FAD, Ubiquinona, ácido ascórbico, centros hierro-Azufre o grupos Hemo.
Enzimas Clase 2: Transferasas
Estas enzimas transfieren grupos funcionales completos desde una molécula hasta otra. Ejemplos de estas enzimas son las Glucosiltransferasas, Aminoransferasas, Fosfotransferasas, Aciltransferasas, Descarboxilasas, Transaminasas, Mutasas, Metiltransferasas. Las transferasas también necesitan de coenzimas que incluyen a la Coenzima A, Tiamina-pirofosfato, Piridoxal-fosfato, Biotina, Tetrahidrofolato o Cobalamina.
Enzimas Clase 3: Hidrolasas
Estas enzimas catalizan la ruptura de compuestos usando una molécula de agua. Durante la reacción química, la molécula de agua también se rompe, quedando un segmento del compuesto como R-H y otro como R'-OH. Ejemplos de estas enzimas incluyen a las Lipasas, Glucosidasas, Peptidasas, Nucleasas.
Enzimas Clase 4: Liasas
Estas enzimas con frecuencia son llamadas "sintasas" y catalizan la ruptura o formación de moléculas con la consecuente formación o eliminación de enlaces dobles. Ejemplos de Liasas son algunas Carboxilasas, Sintasas, Ciclasas, Liasas. Suelen tener coenzimas como Tiamina-pirofosfato, Piridoxal-fosfato, FAD o metales como el Zinc o el Cobre.
Enzimas Clase 5: Isomerasas
Desplazan grupos funcionales dentro de una molécula sin cambiar la fórmula química del sustrado, es decir, generan un isómero. Ejemplos de isomerasas son las Epimerasas, Mutasas e Isomerasas.
Enzimas Clase 6: Ligasas
Suelen ser llamadas "sintetasas" y catalizan la ruptura o unión de enlaces covalentes entre moléculas usando la energía química almacenada en el ATP. Ejemplos de estas enzimas son las Sintetasas, Ligasas y algunas Descarboxilasas.
Estructura de Enzimas
Las enzimas son proteínas, así que comparten las características estructurales de las proteínas, es decir, su estructura primaria, secundaria, terciaria y en algunas de ellas la cuaternaria. Independientemente de su estructura tridimensional y de la actividad catalítica que lleven a cabo, las enzimas comparten ciertas características relacionadas con su función.Sitio Activo
El sitio activo es el lugar dentro de la enzima donde se lleva a cabo la reacción química, normalmente es una cavidad o surco en la proteína que tiene una forma en la cual el sustrato puede encajar a la perfección. Este encaje se suele llamar "llave-cerradura" en donde la cerradura sería la enzima y la llave el sustrato. El sitio activo está constituido por dos grupos de aminoácidos: los que son catalíticos (encargados de la reacción química) y los que "coordinan" o sujetan al sustrato mientras se lleva a cabo la reacción.
Cualquier aminoácido puede ser un aminoácido catalítico, de hecho en las enzimas se han encontrado ejemplos en donde alguno de los veinte tipos de aminoácidos es catalítico, sin embargo, los más comunes son la Histidina, Cisteína, Ácido aspártico, Arginina, Glutamina, Tirosina, Lisina y Serina. En las enzimas habrá al menos un sitio catalítico, pero en algunas de ellas pueden existir dos o más dependiendo del tamaño o la complejidad de la reacción.
En el sitio activo también se puede unir alguna molécula que tenga una alta afinidad por la cavidad para el sustrato, sin embargo, este ligante se queda "atrapado" en el estado de transición de la reacción y por lo tanto no se transforma en producto sino que se queda "pegado" al sitio activo inhibiendo a la enzima; este tipo de moléculas se les conoce como inhibidores.
Sitio de unión al cofactor
No todas las enzimas usan un cofactor o coenzima pero las que lo utilizan siempre tienen el sitio de unión al cofactor muy cerca del sitio activo compartiendo parte del canal que une al sustrato. Este cofactor ayudará en la transferencia de equivalentes Redox, de grupos funcionales o de átomos individuales.
Sitio de unión a ligando alostérico
Un ligando alostérico es aquel que puede inhibir o activar a una enzima. Cuando existen sitios de unión a ligando alostérico, estos se ubican lejos del sitio activo en una cavidad específica para esta molécula. La unión del ligante alostérico induce cambios en la estructura de la enzima desde el sitio alostérico que se transmiten hasta el sitio activo afectando la actividad enzimática, ya sea favoreciéndola (activando a la enzima) o impidiendo que trabaje adecuadamente (inhibiendo a la enzima). De esta manera se puede "encender" o "apagar" una enzima sin tener que sintetizarla desde cero o destruirla, permitiendo así una regulación más fina y rápida del metabolismo global de la célula. Las enzimas que son reguladas de esta manera se denominan enzimas alostéricas, y participan en la regulación de las rutas metabólicas "encendiendo" o "apagando" algún paso de la ruta, canalizando así los sustratos hacia donde sean necesarios. Visita también nuestro tema de divulgación científica: Hablando de enzimas.
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