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Introducción a las Enzimas
- ¿Qué es una enzima?
Una enzima es una biomolécula, principalmente una proteína (aunque algunas son ARN), que actúa como catalizador biológico, acelerando reacciones químicas sin consumirse en el proceso.
- ¿Cuáles son las principales características de las enzimas?
Son altamente específicas.
No se consumen en la reacción.
Disminuyen la energía de activación.
No modifican la constante de equilibrio.
Pueden aumentar la velocidad de reacción en varios órdenes de magnitud.
- ¿Qué significa que las enzimas sean altamente específicas?
Que cada enzima reconoce y cataliza una reacción con un sustrato específico, evitando interacciones con otros compuestos.
- ¿Cómo afectan las enzimas la energía de activación de una reacción?
Reducen la energía de activación al estabilizar el estado de transición, facilitando la conversión de sustratos en productos.
- ¿Qué es una holoenzima?
Es una enzima completa y funcional que incluye su parte proteica (apoenzima) y su cofactor.
- ¿Qué es una apoenzima?
Es la parte proteica de una enzima que, por sí sola, no tiene actividad catalítica hasta que se asocia con su cofactor.
- ¿Cuál es la función de un cofactor en una enzima?
Actuar como coadyuvante en la catálisis enzimática, pudiendo ser un ion metálico o una molécula orgánica (coenzima).
- ¿Qué diferencia hay entre una coenzima y un grupo prostético?
Coenzima : Molécula orgánica no proteica que se une de manera temporal a la enzima.
Grupo prostético : Molécula unida covalentemente a la enzima, formando parte permanente de su estructura.
- ¿Qué es un sitio catalítico en una enzima?
Es la región de la enzima donde se une el sustrato y ocurre la reacción química.
- ¿Qué es un sitio alostérico y cuál es su función?
Es un sitio diferente al catalítico donde se unen moléculas reguladoras que modifican la actividad de la enzima.
- ¿Qué significa que una enzima actúe como catalizador biológico?
Que acelera la velocidad de una reacción sin consumirse ni alterar su equilibrio.
- ¿Cuál es la importancia de las enzimas en la industria y la medicina?
Se usan en diagnóstico de enfermedades, producción de fármacos, procesamiento de alimentos, biotecnología y tratamiento de residuos.
- ¿Cómo se pueden usar las enzimas para el diagnóstico de enfermedades?
Midiendo su actividad en la sangre; niveles anormales pueden indicar daño tisular o enfermedades metabólicas.
- ¿Cómo pueden actuar las drogas como inhibidores de enzimas?
Pueden unirse al sitio activo o alostérico de una enzima para bloquear su actividad, interfiriendo en procesos metabólicos.
Clasificación y Nomenclatura de Enzimas
- ¿Cómo se clasifican las enzimas según la nomenclatura de la IUBMB?
En seis clases principales según la reacción que catalizan.
- ¿Cuáles son las seis clases principales de enzimas?
Oxidorreductasas
Transferasas
Hidrolasas
Liasas
Isomerasas
Ligasas
- ¿Qué función cumplen las oxidorreductasas?
Catalizan reacciones de óxido-reducción, transfiriendo electrones.
- Ejemplo: La glucocinasa fosforila la glucosa para formar glucosa-6-fosfato, un paso clave en la glucólisis.
- Importancia: Participan en la señalización celular, el metabolismo energético y la regulación de procesos biológicos.
- ¿Cómo actúan las sintetasa y sintasa en la formación de compuestos?
Sintetasas : Catalizan la formación de enlaces químicos entre moléculas, utilizando ATP como fuente de energía.
- Ejemplo: ARN polimerasa sintetasa , que usa nucleótidos y energía de ATP para formar ARN.
Sintasas : También catalizan la síntesis de moléculas, pero sin necesidad de ATP.
- Ejemplo: Citrato sintasa , que cataliza la conversión de oxaloacetato y acetil-CoA en citrato sin necesidad de ATP.
- ¿Qué papel juegan las epimerasas en las reacciones de isomerización?
Las epimerasas son un tipo de isomerasas que catalizan la conversión entre epímeros , que son isómeros que difieren en la configuración de un solo carbono asimétrico.
Ejemplo: UDP-glucosa 4-epimerasa , que convierte UDP-glucosa en UDP-galactosa al cambiar la orientación de un grupo hidroxilo en el carbono 4.
Importancia: Son clave en la conversión de azúcares en el metabolismo, como en la interconversión de glucosa y galactosa.
- ¿Cuál es la diferencia entre una mutasa y una racemasa?
Mutasas : Son isomerasas que catalizan la transferencia de un grupo funcional dentro de la misma molécula, reubicándolo en otra posición.
● Ejemplo: Fosfoglicerato mutasa , que convierte el 3-fosfoglicerato en 2-fosfoglicerato en la glucólisis.
Racemasas : Son isomerasas que catalizan la conversión entre enantiómeros, es decir, moléculas especulares.
● Ejemplo: Alanina racemasa , que convierte L-alanina en D-alanina, un componente importante en la síntesis de la pared celular bacteriana.
Mecanismo de Acción Enzimática
- ¿Cómo funciona el modelo llave-cerradura?
La enzima y el sustrato encajan perfectamente, sin necesidad de cambios conformacionales.
- ¿En qué consiste el modelo de ajuste inducido?
La enzima cambia su forma al unirse al sustrato, optimizando la catálisis.
- ¿Cómo influyen los efectos de proximidad y orientación en la catálisis enzimática?
Acercan y alinean correctamente los sustratos para favorecer la reacción.
- ¿Cómo estabilizan las enzimas el estado de transición de una reacción?
Reducen la energía de activación mediante interacciones específicas con el sustrato.
- ¿Cuál es la función del sitio activo de una enzima?
Facilitar la conversión del sustrato en producto.
- ¿Cómo afectan la temperatura y el pH a la actividad enzimática?
Temperatura :
- A bajas temperaturas, la actividad enzimática es baja debido a la menor energía cinética de las moléculas.
- A medida que la temperatura aumenta, la velocidad de reacción también lo hace, hasta alcanzar una temperatura óptima.
- Si la temperatura supera el óptimo, la enzima puede desnaturalizarse , perdiendo su estructura tridimensional y su función.
pH :
- Cada enzima tiene un pH óptimo en el que su actividad es máxima.
- Un pH fuera de este rango puede alterar la carga de los aminoácidos del sitio activo, afectando la unión con el sustrato o incluso desnaturalizando la enzima.
- Ejemplo: La pepsina funciona mejor en pH ácido (~2), mientras que la tripsina en pH básico (~8).
- ¿Qué es la tensión de enlace y cómo influye en la catálisis enzimática?
- La tensión de enlace se refiere a la distorsión de los enlaces dentro del sustrato cuando se une a la enzima.
- Las enzimas estabilizan el estado de transición forzando al sustrato a adoptar una conformación inestable , lo que facilita la ruptura y formación de enlaces químicos.
- Ejemplo : En la quimotripsina, el sustrato se coloca en una "bolsa de unión" donde los enlaces peptídicos se tensionan, favoreciendo la hidrólisis.
- ¿Cómo afectan los cambios conformacionales de la enzima a su función?
Las enzimas no son estructuras rígidas; sufren cambios conformacionales al unirse al sustrato.
Estos cambios pueden:
● Alinear correctamente los grupos funcionales del sitio activo para la catálisis. ● Reducir la energía de activación al estabilizar el estado de transición. ● Facilitar la liberación del producto después de la reacción.
Ejemplo : Las enzimas con estructura cuaternaria, como la hemoglobina, pueden cooperar para regular su actividad en respuesta a cambios en el entorno.
- ¿Qué papel juegan los aminoácidos catalíticos en el sitio activo?
Son los residuos de aminoácidos directamente involucrados en la conversión del sustrato en producto.
Pueden actuar como:
● Ácidos o bases para transferir protones. ● Nucleófilos que atacan enlaces químicos. ● Estabilizadores del estado de transición.
Ejemplo : En la serín proteasa quimotripsina , la serina actúa como nucleófilo para romper enlaces peptídicos.
- ¿Cómo funcionan los inhibidores enzimáticos?
Son moléculas que reducen o bloquean la actividad de una enzima.
Pueden ser:
● Competitivos : Compiten con el sustrato por el sitio activo. Ejemplo: Metotrexato inhibe la dihidrofolato reductasa. ● No competitivos : Se unen a un sitio diferente al activo, cambiando la estructura de la enzima. Ejemplo: Plomo inhibe la ferroquelatasa. ● Acompetitivos : Se unen solo al complejo enzima-sustrato, bloqueando la reacción. ● Irreversibles : Se unen covalentemente, inactivando la enzima permanentemente. Ejemplo: Penicilina inhibe la transpeptidasa bacteriana.
Cinetica Enzimática
- ¿Qué es la energía de activación?
Es la cantidad mínima de energía necesaria para que ocurra una reacción.
- ¿Cómo influye un catalizador en la velocidad de reacción?
Disminuye la energía de activación, aumentando la velocidad de reacción.
- ¿Qué diferencia hay entre un catalizador homogéneo y uno heterogéneo?
Homogéneo : Está en la misma fase que los reactivos.
Heterogéneo : Está en una fase diferente.
- ¿Cómo se mide la velocidad de una reacción enzimática?
Midiendo la desaparición del sustrato o la formación del producto en el tiempo.
- ¿Cómo afecta la concentración de sustrato la velocidad de reacción?
Aumenta hasta alcanzar un máximo donde la enzima está saturada.
- ¿Qué es la ecuación de Michaelis-Menten?
Describe cómo la velocidad de una reacción enzimática depende de la concentración de sustrato.
- ¿Qué representa la constante de Michaelis (Km)?
La concentración de sustrato a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima.
- ¿Qué significa un valor alto de Km?
La enzima tiene baja afinidad por el sustrato.
- ¿Qué significa un valor bajo de Km?
La enzima tiene alta afinidad por el sustrato.
- ¿ Cómo se calcula la velocidad máxima (Vmax) de una reacción enzimática?
Se obtiene cuando todas las enzimas están ocupadas con sustrato.
- ¿Qué es la constante de especificidad (Kcat/Km)?
- Es un indicador de la eficiencia catalítica de una enzima.
- Se calcula como la razón entre la constante de recambio (Kcat) y la constante de Michaelis (Km): Kcat\Km
- ¿Qué son los inhibidores acompetitivos y cómo afectan a la actividad enzimática?
- Se unen solo al complejo enzima-sustrato (ES) , impidiendo la conversión del sustrato en producto. - Disminuyen Km (aumentan la afinidad por el sustrato). - Disminuyen Vmax porque la enzima queda bloqueada en el complejo ES. - Ejemplo : Inhibición de la deshidrogenasa de glutamato por ion plomo.
- ¿Qué es un inhibidor irreversible?
Se une covalentemente a la enzima, desactivándola de manera permanente.
Ejemplo : La penicilina inhibe la transpeptidasa bacteriana , bloqueando la síntesis de la pared celular.
Factores que Afectan la Actividad Enzimática
- ¿Cómo influye la temperatura en la actividad enzimática?
A bajas temperaturas, la actividad enzimática es baja porque las moléculas tienen menos energía cinética.
A medida que la temperatura aumenta, la velocidad de la reacción aumenta hasta un punto óptimo.
Si la temperatura supera el óptimo , la enzima puede desnaturalizarse , perdiendo su estructura y función.
- ¿Qué es la desnaturalización enzimática?
Es la pérdida de la estructura tridimensional de una enzima debido a factores como alta temperatura, cambios extremos de pH o presencia de sustancias químicas.
Cuando una enzima se desnaturaliza, pierde su función y no puede catalizar reacciones.
- ¿Cómo influye el pH en la actividad enzimática?
Cada enzima tiene un pH óptimo en el que su actividad es máxima.
Si el pH es demasiado alto o bajo , la estructura de la enzima puede alterarse, reduciendo o eliminando su actividad.
Ejemplo: La pepsina funciona mejor en pH ácido (~2), mientras que la tripsina en pH básico (~8).
- ¿Cómo afectan los cambios de pH la estructura de la enzima?
Cambios en el pH pueden afectar la ionización de los aminoácidos en la enzima, alterando su carga y estabilidad.
Esto puede modificar el sitio activo , reduciendo la capacidad de la enzima para unirse al sustrato y realizar la reacción.
En casos extremos, un cambio drástico de pH puede desnaturalizar la enzima de manera irreversible.
- ¿Qué papel juega la concentración de sustrato en la regulación enzimática?
A bajas concentraciones de sustrato, la velocidad de reacción es baja porque pocas moléculas de enzima están ocupadas.
A medida que aumenta la concentración de sustrato, la velocidad de reacción aumenta hasta que se alcanza la saturación enzimática.
En este punto, todas las enzimas están ocupadas y añadir más sustrato no aumentará la velocidad de reacción.
- ¿Qué es la regulación alostérica?
Es un mecanismo de regulación en el que una molécula efectora se une a un sitio alostérico (diferente al sitio activo) de la enzima.
Esto puede activar o inhibir la actividad de la enzima, regulando la velocidad de la reacción.
Ejemplo: La fosfofructocinasa es inhibida por ATP en la glucólisis, evitando la sobreproducción de energía.
- ¿Cómo actúan los activadores enzimáticos?
Se unen a la enzima y aumentan su actividad catalítica.
Pueden actuar alterando la conformación del sitio activo o estabilizando el estado de transición.
Ejemplo : El calcio (Ca2+) activa la proteína quinasa C.
- ¿Cómo afectan los cofactores y coenzimas la actividad enzimática?
Son moléculas auxiliares necesarias para la función de muchas enzimas.
Cofactores : Iones metálicos como Mg2+,Fe2+,Zn2+.
Coenzimas : Moléculas orgánicas como NAD+, FAD, CoA.
Ejemplo : La DNA polimerasa necesita Mg² ⁺ para su actividad.
- ¿Qué son las modificaciones covalentes y cómo regulan la actividad enzimática?
● Lipasas → Ayudan en la conversión de aceites en biodiésel.
Estas enzimas permiten un proceso más sostenible y eficiente en la conversión de biomasa en energía utilizable.
- ¿Qué papel tienen las enzimas en la terapia de reemplazo enzimático?}
Se usan para tratar enfermedades genéticas causadas por la deficiencia de enzimas esenciales.
En estos tratamientos, se administran enzimas sintéticas o recombinantes para compensar la falta de producción en el cuerpo.
Ejemplo:
● Terapia para la enfermedad de Gaucher → Se usa la glucocerebrosidasa para descomponer lípidos acumulados en las células. ● Enfermedad de Fabry → Se suministra alfa-galactosidasa A para degradar sustancias lipídicas.
Estas terapias mejoran la calidad de vida y evitan complicaciones graves en los pacientes.
Energía libre y enzimas
- ¿Qué es la energía libre de Gibbs y cómo se relaciona con la espontaneidad de una reacción?
La energía libre de Gibbs (∆G) indica la espontaneidad de una reacción. Si ∆G es negativo, la reacción es espontánea; si es positivo, no lo es.
- ¿Por qué el ∆G no proporciona información sobre la velocidad de una reacción?
El ∆G no indica velocidad porque solo mide la energía disponible, no la energía de activación necesaria para que ocurra la reacción.
- ¿Cómo afectan las enzimas la velocidad de una reacción sin alterar el ∆G?
Las enzimas disminuyen la energía de activación estabilizando el estado de transición, lo que aumenta la velocidad de la reacción sin alterar ∆G.
- ¿Qué es la energía de activación y cómo influye en la velocidad de reacción?
La energía de activación es la barrera energética que los reactivos deben superar para convertirse en productos.
- ¿Qué significa que una reacción sea exergónica o endergónica?
Una reacción exergónica libera energía (∆G negativo), mientras que una endergónica requiere energía (∆G positivo).
Formación del complejo enzima-sustrato
- ¿Qué es el complejo enzima-sustrato (ES) y por qué es importante?
El complejo ES es la unión transitoria entre la enzima y el sustrato antes de la conversión en producto.
- ¿Cuáles son las evidencias de la existencia del complejo ES?
Evidencias del complejo ES: cinética de saturación, cristalografía de rayos X y cambios espectroscópicos.
- ¿Qué técnicas se han utilizado para visualizar el complejo ES?
Cristalografía de rayos X ha demostrado imágenes de enzimas con sustratos en sus sitios activos.
- ¿Cómo influye la formación del complejo ES en la cinética enzimática?
El complejo ES es crucial porque estabiliza el estado de transición y facilita la catálisis.
- ¿Qué interacciones permiten la unión del sustrato a la enzima?
Las interacciones incluyen: puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas.
Sitio activo y especificidad
- ¿Qué es el sitio activo de una enzima?
El sitio activo es la región de la enzima donde se une el sustrato y ocurre la catálisis.
- ¿Cómo influye la estructura tridimensional de una enzima en su especificidad?
La estructura tridimensional determina qué sustratos pueden encajar y reaccionar en el sitio activo.
- ¿Qué papel tienen los residuos de aminoácidos en el sitio activo?
Los residuos de aminoácidos estabilizan el sustrato y facilitan la conversión a producto.
- ¿Qué diferencia hay entre el modelo de "llave y cerradura" y el "ajuste inducido"?
El modelo de "llave y cerradura" supone una coincidencia exacta, mientras que el "ajuste inducido" plantea que la enzima se adapta al sustrato.
- ¿Cómo afecta el microambiente del sitio activo a la catálisis enzimática?
El microambiente puede excluir agua y proporcionar un entorno óptimo para la reacción.
Cinética enzimática
- ¿Qué es la constante de Michaelis-Menten (Km) y qué indica?
Km (constante de Michaelis-Menten) mide la afinidad de la enzima por el sustrato.
- ¿Cómo se interpreta un valor alto o bajo de Km?
Km alto = baja afinidad , Km bajo = alta afinidad.
- ¿Qué es la velocidad máxima (Vmax) en una reacción enzimática?
Vmax es la velocidad máxima cuando todas las enzimas están saturadas con sustrato.
- ¿Qué es la constante catalítica (kcat) y qué representa?
kcat (constante catalítica) mide cuántas moléculas de sustrato se convierten en producto por enzima por segundo.
- ¿Cómo se calcula la eficiencia enzimática utilizando kcat/Km?
kcat/Km mide la eficiencia enzimática , indicando qué tan rápido y eficazmente trabaja una enzima.
Medición de la actividad enzimática
- ¿Cuáles son los métodos más comunes para medir la actividad enzimática?
Métodos comunes incluyen: espectrofotometría, fluorescencia, quimioluminiscencia, calorimetría y RMN.
- ¿Por qué es importante trabajar en condiciones óptimas para medir la actividad enzimática?
Las condiciones óptimas aseguran la máxima actividad enzimática sin factores limitantes.
- ¿Cómo se expresa la actividad enzimática en unidades estándar?
Unidad estándar (U) : cantidad de enzima que cataliza 1 micromol de sustrato por minuto.
- ¿Qué significa que una enzima alcance su Vmax?
Vmax se alcanza cuando todas las enzimas están ocupadas con sustrato.
- ¿Cómo se puede representar gráficamente la cinética enzimática?
La cinética enzimática se grafica con la ecuación de Michaelis-Menten o Lineweaver-Burk.
Interpretación de la ecuación de Michaelis-Menten
- ¿Cómo se comporta la velocidad de reacción a bajas concentraciones de sustrato?
A bajas [S] , la velocidad de reacción es proporcional a [S] (orden 1).
- ¿Qué ocurre cuando la concentración de sustrato es muy alta?
A altas [S] , la enzima está saturada y la velocidad es constante (orden 0).
- ¿Cómo se relaciona la ecuación de Michaelis-Menten con la orden de reacción?
Michaelis-Menten describe un cambio de orden 1 a orden 0.
- ¿Qué tipo de curva se obtiene al graficar la velocidad en función de la concentración de sustrato?
El gráfico de Michaelis-Menten es hiperbólico.
- ¿Cómo se determina Km experimentalmente?
Km se obtiene gráficamente donde V₀ = ½ Vmax.
Gráficos y representación de datos
- ¿Cómo se interpreta un gráfico de Lineweaver-Burk?
Lineweaver-Burk linealiza la ecuación de Michaelis-Menten.
- ¿Por qué se utiliza la transformación de Lineweaver-Burk en cinética enzimática?
Se usa para determinar Km y Vmax más fácilmente.
- ¿Qué información proporciona una gráfica de Hanes-Woolf?
Hanes-Woolf y Eadie-Hofstee son otras representaciones lineales.
- ¿Cómo afecta la inhibición enzimática a los gráficos de cinética enzimática?
La inhibición altera los gráficos modificando Km y/o Vmax.
- ¿Cómo se pueden comparar diferentes enzimas en términos de eficiencia?
Comparar eficiencias enzimáticas se hace con kcat/Km.
Inhibición enzimática
- ¿Qué es un inhibidor enzimático?
Un inhibidor reduce la actividad enzimática.
- ¿Cuáles son las diferencias entre inhibición reversible e irreversible?
Inhibición reversible es temporal; irreversible inactiva permanentemente la enzima.
- ¿Cómo funciona la inhibición competitiva?
