Conferencia 15. Enzimas: estructura, propiedades, funciones.

Esquema de la conferencia:

1. Características generales de las enzimas.

2. La estructura de las enzimas.

3. Mecanismo de catálisis enzimática.

4. Propiedades de las enzimas.

5. Nomenclatura de enzimas.

6. Clasificación de enzimas.

7. isoenzimas

8. Cinética de reacciones enzimáticas.

9. Unidades de medida de la actividad enzimática.

1. Características generales de las enzimas.

En condiciones fisiológicas normales, las reacciones bioquímicas en el cuerpo se desarrollan a altas velocidades, lo que está garantizado por catalizadores biológicos de naturaleza proteica. enzimas.

Son estudiados por la ciencia de la enzimología, la ciencia de las enzimas (enzimas), proteínas específicas, catalizadores sintetizados por cualquier célula viva y que activan diversas reacciones bioquímicas que ocurren en el cuerpo. Algunas células pueden contener hasta 1000 enzimas diferentes.

2. La estructura de las enzimas.

Las enzimas son proteínas con alto peso molecular. Como cualquier proteína, las enzimas tienen niveles de organización molecular primario, secundario, terciario y cuaternario. Estructura primaria es una combinación secuencial de aminoácidos y está determinada por las características hereditarias del cuerpo, es lo que caracteriza en gran medida las propiedades individuales de las enzimas. Estructura secundaria Las enzimas se organizan en forma de hélice alfa. Estructura terciaria tiene la forma de un glóbulo y participa en la formación de centros activos y otros. Muchas enzimas tienen Estructura cuaternaria y representan una unión de varias subunidades, cada una de las cuales se caracteriza por tres niveles de organización de moléculas que se diferencian entre sí, tanto en términos cualitativos como cuantitativos.

Si las enzimas están representadas por proteínas simples, es decir, se componen únicamente de aminoácidos, se denominan enzimas simples. Las enzimas simples incluyen pepsina, amilasa, lipasa (casi todas las enzimas gastrointestinales).

Las enzimas complejas constan de partes proteicas y no proteicas. La parte proteica de la enzima se llama: apoenzima, no proteico – coenzima. La coenzima y la apoenzima se forman. holoenzima. La coenzima puede conectarse con la parte proteica solo durante la reacción o unirse entre sí mediante un enlace fuerte permanente (luego la parte no proteica se llama: grupo prostético). En cualquier caso, los componentes no proteicos intervienen directamente en las reacciones químicas al interactuar con el sustrato. Las coenzimas pueden estar representadas por:

Trifosfatos de nucleósidos.

Minerales (zinc, cobre, magnesio).

Formas activas de vitaminas (B 1 es parte de la enzima descarboxilasa, B 2 es parte de la deshidrogenasa, B 6 es parte de la transferasa).

Funciones principales de las coenzimas.:

Participación en el acto de catálisis.

Establecimiento de contacto entre enzima y sustrato.

Estabilización de la apoenzima.

La apoenzima, a su vez, potencia la actividad catalítica de la parte no proteica y determina la especificidad de la acción de las enzimas.

Cada enzima contiene varios centros funcionales.

Centro activo- una zona de una molécula de enzima que interactúa específicamente con el sustrato. El centro activo está representado por grupos funcionales de varios residuos de aminoácidos, es aquí donde se produce la unión y transformación química del sustrato.

centro alostérico o reguladora: esta es la zona de la enzima responsable de la adición de activadores e inhibidores. Este centro participa en la regulación de la actividad enzimática.

Estos centros están ubicados en diferentes partes de la molécula de enzima.

enzimas, o enzimas(del lat. fermento- iniciador): generalmente moléculas de proteínas o moléculas de ARN (ribozimas) o sus complejos que aceleran (catalizan) reacciones químicas en sistemas vivos... Los reactivos en una reacción catalizada por enzimas se denominan sustratos y las sustancias resultantes se denominan productos. Las enzimas son específicas de sustrato (la ATPasa cataliza la descomposición únicamente de ATP y la fosforilasa quinasa fosforila solo la fosforilasa).

La actividad enzimática puede regularse mediante activadores e inhibidores (los activadores aumentan, los inhibidores disminuyen).

Las enzimas proteicas se sintetizan en los ribosomas y el ARN se sintetiza en el núcleo.

Los términos "enzima" y "enzima" se utilizan desde hace mucho tiempo como sinónimos (el primero principalmente en la literatura científica rusa y alemana, el segundo en inglés y francés).

La ciencia de las enzimas se llama. enzimología, y no enzimología (para no mezclar las raíces de las palabras en latín y griego).

Historia del estudio

Término enzima propuesto en el siglo XVII por el químico van Helmont al discutir los mecanismos de la digestión.

En estafa. XVIII - temprano Siglos XIX Ya se sabía que la carne se digiere con el jugo gástrico y el almidón se convierte en azúcar bajo la influencia de la saliva. Sin embargo, se desconocía el mecanismo de estos fenómenos.

En el siglo 19 Louis Pasteur, al estudiar la conversión de carbohidratos en alcohol etílico bajo la acción de la levadura, llegó a la conclusión de que este proceso (fermentación) es catalizado por una determinada fuerza vital ubicada en las células de la levadura.

Hace más de cien años términos enzima Y enzima reflejaron distintos puntos de vista en la disputa teórica L. Pasteras, por un lado, y M. BertloiY. Liebig, por otra parte, sobre la naturaleza de la fermentación alcohólica. De hecho enzimas(del lat. fermento- masa madre) se denominaron "enzimas organizadas" (es decir, microorganismos vivos en sí), y el término enzima(del griego ἐν- - in- y ζύμη - levadura, levadura) propuesto en 1876 por V. Kuehne para “enzimas no organizadas” secretadas por las células, por ejemplo, en el estómago (pepsina) o los intestinos (tripsina, amilasa). Dos años después de la muerte de L. Pasteur en 1897, E. Buchner publicó el trabajo "Fermentación alcohólica sin células de levadura", en el que demostró experimentalmente que el jugo de levadura sin células lleva a cabo la fermentación alcohólica de la misma manera que las células de levadura no destruidas. En 1907 recibió el Premio Nobel por este trabajo. La primera enzima cristalina altamente purificada (ureasa) fue aislada en 1926 por J. Verano. Durante los siguientes 10 años, se aislaron varias enzimas más y finalmente se demostró la naturaleza proteica de las enzimas.

La actividad catalítica del ARN fue descubierta por primera vez en la década de 1980 en el pre-ARNr por Thomas Check, quien estudió el empalme del ARN ciliado. Tetrahymena termofila. La ribozima resultó ser una sección de la molécula de pre-ARNr de Tetrahymena codificada por el intrón del gen extracromosómico del ADNr; esta región realizó autosplicing, es decir, se cortó durante la maduración del ARNr.

Funciones de las enzimas

Las enzimas están presentes en todas las células vivas y ayudan a convertir algunas sustancias (sustratos) en otras (productos). Las enzimas actúan como catalizadores en casi todas las reacciones bioquímicas que ocurren en los organismos vivos. Hasta 2013, se habían descrito más de 5.000 enzimas diferentes. Desempeñan un papel vital en todos los procesos de la vida, dirigiendo y regulando el metabolismo del cuerpo.

Como todos los catalizadores, las enzimas aceleran reacciones tanto directas como inversas, reduciendo la energía de activación del proceso. El equilibrio químico no se desplaza ni en dirección directa ni inversa. Una característica distintiva de las enzimas en comparación con los catalizadores no proteicos es su alta especificidad: la constante de unión de algunos sustratos a las proteínas puede alcanzar 10 a 10 mol/l o menos. Cada molécula de enzima es capaz de realizar desde varios miles hasta varios millones de “operaciones” por segundo.

Por ejemplo, una molécula de la enzima renina, contenida en la mucosa gástrica de un ternero, cuaja alrededor de 10 6 moléculas de caseinógeno lácteo en 10 minutos a una temperatura de 37 °C.

Además, la eficiencia de las enzimas es mucho mayor que la eficiencia de los catalizadores no proteicos (las enzimas aceleran las reacciones millones y miles de millones de veces, los catalizadores no proteicos), cientos y miles de veces. Ver también enzima catalíticamente perfecta

Clasificación de enzimas.

Según el tipo de reacciones que catalizan, las enzimas se dividen en 6 clases según la clasificación jerárquica de las enzimas, clasificación propuesta por la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular. Cada clase contiene subclases, de modo que la enzima se describe mediante un conjunto de cuatro números separados por puntos. Por ejemplo, pepsi tiene el nombre EC 3.4.23.1. El primer número describe aproximadamente el mecanismo de la reacción catalizada por la enzima:

CF 1: Oxidorreductasas, catalizando la oxidación o la reducción. Ejemplo: catalasa, alcohol deshidrogenasa.

CF 2: transferasas, catalizando la transferencia de grupos químicos de una molécula de sustrato a otra. Entre las transferasas, se distinguen especialmente las quinasas que transfieren un grupo fosfato, generalmente de una molécula de ATP.

CF 3: hidrolasas, catalizando enlaces hidrolizquímicos. Ejemplo: esterasas, pepsina, tripsina, amilasa, lipoproteína lipasa.

CF 4: Liasas, catalizando la ruptura de enlaces químicos sin hidrólisis con la formación de un doble enlace en uno de los productos.

CF 5: isomerasas, catalizando cambios estructurales o geométricos en la molécula del sustrato.

CF 6: Ligasas, catalizando la formación de enlaces químicos entre sustratos debido a la hidrólisis del ATP. Ejemplo: ADN polimerasa.

Oxireductasas- Estas son enzimas que catalizan reacciones de oxidación y reducción, es decir. Transferencia de electrones del donante al aceptor. La oxidación es la eliminación de átomos de hidrógeno del sustrato y la reducción es la adición de átomos de hidrógeno al aceptor.

Las oxidorreductasas incluyen: deshidratasas, oxidasas, oxigenasas, hidroxilasas, peroxidasas, catalasas. Por ejemplo, la enzima alcohol deshidrogenasa cataliza la reacción que convierte el alcohol en aldehído.

Las oxidorreductasas que transfieren un átomo de hidrógeno o electrones directamente a átomos de oxígeno se denominan deshidrogenasas aeróbicas (oxidasas), mientras que las oxidorreductasas que transfieren un átomo de hidrógeno o electrones de un componente de la cadena respiratoria de enzimas a otro se denominan deshidrogenasas anaeróbicas. Una variante común del proceso redox en las células es la oxidación de los átomos de hidrógeno del sustrato con la participación de oxirreductasas. Las oxidorreductasas son enzimas de dos componentes en las que la misma coenzima puede unirse a diferentes apoenzimas. Por ejemplo, muchas oxidorreductasas contienen NAD y NADP como coenzimas. Al final de la numerosa clase de oxirreductasas (en la posición 11) se encuentran enzimas como las catalasas y las peroxidasas. Del número total de proteínas en los peroxisomas celulares, hasta el 40 por ciento son catalasas. La catalasa y la peroxidasa descomponen el peróxido de hidrógeno en las siguientes reacciones: H2O2 + H2O2 = O2 + 2H2O H2O2 + HO – R – OH = O=R=O + 2H2O De estas ecuaciones, tanto la analogía como la diferencia significativa entre estas reacciones y enzimas inmediatamente se vuelve claro. En este sentido, la escisión del peróxido de hidrógeno por catalasa es un caso especial de reacción de peroxidasa, donde el peróxido de hidrógeno sirve como sustrato y aceptor en la primera reacción.

transferasas- una clase separada de enzimas que catalizan la transferencia de grupos funcionales y residuos moleculares de una molécula a otra. Ampliamente distribuidos en organismos vegetales y animales, participan en la transformación de carbohidratos, lípidos, ácidos nucleicos y aminoácidos.

Las reacciones catalizadas por transferasas generalmente tienen este aspecto:

AX + B ↔ A + BX.

Molécula A aquí actúa como donante de un grupo de átomos ( X), y la molécula B es un aceptor del grupo. A menudo, en este tipo de reacciones de transferencia una de las coenzimas actúa como donante. Muchas de las reacciones catalizadas por transferasas son reversibles. Los nombres sistemáticos de las clases de enzimas se forman según el siguiente esquema:

"donante:aceptor + grupo + transferasa».

O se utilizan nombres un poco más generales, cuando el nombre de la enzima incluye el nombre del donante o del aceptor del grupo:

"donante + grupo + transferasa" o "aceptor + grupo + transferasa».

Por ejemplo, la aspartato aminotransferasa cataliza la transferencia del grupo amino de la molécula de ácido glutámico, la catecol-O-metiltransferasa transfiere el grupo metilo de la S-adenosilmetionina al anillo de benceno de varias catecolaminas y la histona acetiltransferasa transfiere el grupo acetilo de la acetilcoenzima. A a histona en el proceso de activación de la transcripción.

Además, las enzimas del subgrupo 7 de transferasas que transfieren un residuo de ácido fosfórico utilizando ATP como donante del grupo fosfato a menudo también se denominan quinasas; Las aminotransferasas (subgrupo 6) a menudo se denominan transaminasas.

hidrolasas(KF3) son una clase de enzimas que catalizan enlaces covalentes hidrolíticos. La forma general de una reacción catalizada por una hidrolasa es la siguiente:

A – B + H 2 O → A – OH + B – H

El nombre sistemático de hidrolasas incluye. nombre de fisiblesustrato seguido de la adición -hidrolasa. Sin embargo, como regla general, en un nombre trivial se omite la palabra hidrolasa y solo queda el sufijo "-aza".

Los representantes más importantes.

Esterasas: nucleasa, fosfodiesterasa, lipasa, fosfatasa;

Glicosidasas: amilasa, lisozima, etc.;

Proteasas: tripsina, quimotripsina, elastasa, trombina, renina, etc.;

Anhídrido ácido hidrolasa (helicasa, GTPasa)

Al ser catalizadores, las enzimas aceleran reacciones tanto directas como inversas, por lo que, por ejemplo, las liasas pueden catalizar la reacción inversa: la adición en dobles enlaces.

Enlaces- una clase separada de enzimas que catalizan reacciones de escisión no hidrolítica y no oxidativa de varios enlaces químicos ( CC, CO, CN, C-S y otros) del sustrato, reacciones reversibles de formación y escisión de dobles enlaces, acompañadas de la eliminación o adición de grupos de átomos en su lugar, así como la formación de estructuras cíclicas.

En general, los nombres de las enzimas se forman según el esquema " sustrato+ liasa.” Sin embargo, lo más frecuente es que el nombre tenga en cuenta la subclase de la enzima. Las liasas se diferencian de otras enzimas en que las reacciones catalizadas involucran dos sustratos en una dirección, pero solo uno en la reacción inversa. El nombre de la enzima contiene las palabras “descarboxilasa” y “aldolasa” o “liasa” (piruvato descarboxilasa, oxalato descarboxilasa, oxaloacetato descarboxilasa, treonina aldolasa, fenilserina aldolasa, isocitrato liasa, alanina liasa, ATP citrato liasa, etc.), y para enzimas que catalizan reacciones de extracción de agua del sustrato: "deshidratasa" (carbonato deshidratasa, citrato deshidratasa, serina deshidratasa, etc.). En los casos en los que solo se detecta la reacción inversa, o esta dirección en las reacciones es más significativa, la palabra "sintasa" está presente en el nombre de las enzimas (malato sintasa, 2-isopropilmalato sintasa, citrato sintasa, hidroximetilglutaril-CoA sintasa, etc.) .

Ejemplos: histidina descarboxilasa, fumarato hidratasa.

isomerasas- enzimas que catalizan transformaciones estructurales de isómeros (racemización o epimerización). Las isomerasas catalizan reacciones similares a las siguientes: A → B, donde B es un isómero de A.

El nombre de la enzima contiene la palabra " racemasa" (alanina racemasa, metionina racemasa, hidroxiprolina racemasa, lactato racemasa, etc.), " epimerasa" (aldosa-1-epimerasa, ribulosa fosfato-4-epimerasa, UDP-glucuronato-4-epimerasa, etc.), " isomerasa" (ribosa fosfato isomerasa, xilosa isomerasa, glucosamina fosfato isomerasa, enoil-CoA isomerasa, etc.), " mutasa"(fosfoglicerato mutasa, metilaspartato mutasa, fosfoglucomutasa, etc.).

Ligaza(lat. ligar- reticular, conectar): una enzima que cataliza la unión de dos moléculas para formar un nuevo enlace químico ( ligadura). En este caso suele producirse la eliminación (hidrólisis) de un pequeño grupo químico de una de las moléculas.

Las ligasas pertenecen a la clase de enzimas EC 6.

En biología molecular, las ligasas de la subclase 6.5 se clasifican en ligasas de ARN y ligasas de ADN.

ADN ligasas

ADN ligasa realizando reparación del ADN

ADN ligasas- enzimas (EC 6.5.1.1) que catalizan el entrecruzamiento covalente de cadenas de ADN en un dúplex durante la replicación, reparación y recombinación. Forman puentes fosfodiéster entre los grupos 5"-fosforilo y 3"-hidroxilo de desoxinucleótidos vecinos en las roturas del ADN o entre dos moléculas de ADN. Para formar estos puentes, las ligasas utilizan la energía de la hidrólisis del enlace pirofosforilo del ATP. Una de las enzimas disponibles comercialmente más comunes es la ADN ligasa del bacteriófago T4.

Ligasas de ADN de mamíferos

En los mamíferos se clasifican tres tipos principales de ADN ligasas.

La ADN ligasa I liga fragmentos de Okazaki durante la replicación de la cadena de ADN rezagada y participa en la reparación por escisión.

La ADN ligasa III, en complejo con la proteína XRCC1, participa en la reparación por escisión y la recombinación.

La ADN ligasa IV, en complejo con XRCC4, cataliza el paso final de unión de extremos no homólogos (NHEJ) de las roturas de la doble hebra del ADN. También se requiere para la recombinación V(D)J de genes de inmunoglobulinas.

Anteriormente, se aisló otro tipo de ligasa: la ADN ligasa II, que luego se reconoció como un artefacto del aislamiento de proteínas, es decir, el producto de proteólisis de la ADN ligasa III.

Convenciones de nomenclatura de enzimas

Las enzimas suelen denominarse por el tipo de reacción que catalizan, añadiendo el sufijo -aza al nombre del sustrato( Por ejemplo, la lactasa es una enzima implicada en la conversión de lactosa). Por tanto, diferentes enzimas que realizan la misma función tendrán el mismo nombre. Estas enzimas se distinguen por otras propiedades, por ejemplo, su pH óptimo (fosfatasa alcalina) o su localización en la célula (ATPasa de membrana).

Estructura y mecanismo de acción de las enzimas.

La actividad de las enzimas está determinada por su estructura tridimensional.

Como todas las proteínas, las enzimas se sintetizan como una cadena lineal de aminoácidos que se pliegan de una forma específica. Cada secuencia de aminoácidos se pliega de una manera especial y la molécula resultante (glóbulo de proteína) tiene propiedades únicas. Se pueden combinar varias cadenas de proteínas para formar un complejo proteico. La estructura terciaria de las proteínas se destruye cuando se calienta o se expone a ciertas sustancias químicas.

Sitio activo de enzimas.

El estudio del mecanismo de una reacción química catalizada por una enzima, junto con la determinación de los productos intermedios y finales en las distintas etapas de la reacción, implica un conocimiento preciso de la geometría de la estructura terciaria de la enzima, la naturaleza de los grupos funcionales. de su molécula, proporcionando especificidad de acción y alta actividad catalítica sobre un sustrato determinado, así como la naturaleza química de la región (regiones) de la molécula una enzima que proporciona una alta velocidad de reacción catalítica. Normalmente, las moléculas de sustrato involucradas en reacciones enzimáticas son de tamaño relativamente pequeño en comparación con las moléculas de enzima. Por lo tanto, durante la formación de complejos enzima-sustrato, solo fragmentos limitados de la secuencia de aminoácidos de la cadena polipeptídica entran en interacción química directa: el "centro activo", una combinación única de residuos de aminoácidos en la molécula de enzima, que garantiza una interacción directa. con la molécula sustrato y participación directa en el acto de catálisis.

El centro activo se divide convencionalmente en:

centro catalítico: interactúa químicamente directamente con el sustrato;

centro de unión (sitio de contacto o “ancla”): proporciona afinidad específica por el sustrato y la formación del complejo enzima-sustrato.

Para catalizar una reacción, una enzima debe unirse a uno o más sustratos. La cadena proteica de la enzima se pliega de tal manera que se forma un espacio o depresión en la superficie del glóbulo donde se unen los sustratos. Esta región se llama sitio de unión al sustrato. Suele coincidir o estar cerca del sitio activo de la enzima. Algunas enzimas también contienen sitios de unión para cofactores o iones metálicos.

La enzima se combina con el sustrato:

limpia el sustrato de la “capa” de agua

Acomoda las moléculas del sustrato que reaccionan en el espacio de la manera necesaria para que ocurra la reacción.

prepara moléculas de sustrato para la reacción (por ejemplo, polariza).

Por lo general, la enzima se une al sustrato mediante enlaces iónicos o de hidrógeno, rara vez mediante enlaces covalentes. Al final de la reacción, su producto (o productos) se separan de la enzima.

Como resultado, la enzima reduce la energía de activación de la reacción. Esto se debe a que en presencia de la enzima la reacción sigue un camino diferente (en realidad ocurre una reacción diferente), por ejemplo:

En ausencia de una enzima:

En presencia de una enzima:

• FA+B = FAV

  FAV = AB+F

donde A, B son sustratos, AB es el producto de la reacción, F es la enzima.

Las enzimas no pueden proporcionar energía de forma independiente para reacciones endergónicas (que requieren energía para ocurrir). Por tanto, las enzimas que llevan a cabo este tipo de reacciones las combinan con reacciones exergónicas que liberan más energía. Por ejemplo, las reacciones de síntesis de biopolímeros suelen ir acompañadas de reacciones de hidrólisis de ATP.

Los centros activos de algunas enzimas se caracterizan por el fenómeno de la cooperatividad.

Especificidad

Las enzimas generalmente exhiben una alta especificidad por sus sustratos (especificidad de sustrato). Esto se logra mediante una complementariedad parcial entre la forma, la distribución de carga y las regiones hidrofóbicas de la molécula del sustrato y el sitio de unión del sustrato en la enzima. Las enzimas también suelen exhibir altos niveles de estereoespecificidad (formando solo uno de los posibles estereoisómeros como producto o usando solo un estereoisómero como sustrato), regioselectividad (formando o rompiendo un enlace químico en solo una de las posibles posiciones del sustrato) y quimioselectividad (catalizando solo una reacción química de varias posibles para condiciones dadas). A pesar del alto nivel general de especificidad, el grado de especificidad de sustrato y reacción de las enzimas puede variar. Por ejemplo, la endopeptidasa tripsina sólo rompe el enlace peptídico después de la arginina o la lisina si no van seguidas de una prolina, es mucho menos específica y puede romper el enlace peptídico después de muchos aminoácidos.

En 1890, Emil Fischer propuso que la especificidad de las enzimas estaba determinada por la coincidencia exacta entre la forma de la enzima y el sustrato. Esta suposición se denomina modelo de bloqueo de llave. La enzima se combina con el sustrato para formar un complejo enzima-sustrato de vida corta. Sin embargo, aunque este modelo explica la alta especificidad de las enzimas, no explica el fenómeno de estabilización del estado de transición que se observa en la práctica.

Modelo de correspondencia inducida

En 1958, Daniel Koshland propuso una modificación del modelo de cerradura con llave. Las enzimas generalmente no son moléculas rígidas, sino flexibles. El sitio activo de una enzima puede cambiar de conformación después de unirse a un sustrato. Los grupos laterales de aminoácidos del sitio activo asumen una posición que permite a la enzima realizar su función catalítica. En algunos casos, la molécula sustrato también cambia de conformación después de unirse al sitio activo. A diferencia del modelo de bloqueo de teclas, el modelo de ajuste inducido explica no sólo la especificidad de las enzimas, sino también la estabilización del estado de transición. Este modelo se llama “mano enguantada”.

Modificaciones

Muchas enzimas sufren modificaciones después de la síntesis de la cadena proteica, sin las cuales la enzima no exhibe completamente su actividad. Estas modificaciones se denominan modificaciones postraduccionales (procesamiento). Uno de los tipos de modificación más comunes es la adición de grupos químicos a residuos laterales de la cadena polipeptídica. Por ejemplo, la adición de un residuo de ácido fosfórico se llama fosforilación y está catalizada por la enzima quinasa. Muchas enzimas eucariotas están glicosiladas, es decir, modificadas por oligómeros de naturaleza carbohidrato.

Otro tipo común de modificación postraduccional es la escisión de la cadena polipeptídica. Por ejemplo, la quimotripsina (una proteasa implicada en la digestión) se obtiene escindiendo una región polipeptídica del quimotripsinógeno. El quimotripsinógeno es un precursor inactivo de la quimotripsina y se sintetiza en el páncreas. La forma inactiva se transporta al estómago, donde se convierte en quimotripsina. Este mecanismo es necesario para evitar la división del páncreas y otros tejidos antes de que la enzima ingrese al estómago. El precursor de la enzima inactiva también se denomina "zimógeno".

Cofactores enzimáticos

Algunas enzimas realizan la función catalítica por sí solas, sin componentes adicionales. Sin embargo, existen enzimas que requieren componentes no proteicos para llevar a cabo la catálisis. Los cofactores pueden ser moléculas inorgánicas (iones metálicos, agrupaciones de hierro y azufre, etc.) u orgánicas (por ejemplo, dobladillo de flavinilo). Los cofactores orgánicos que están estrechamente unidos a una enzima también se denominan grupos protésicos. Los cofactores orgánicos que pueden separarse de la enzima se denominan coenzimas.

Una enzima que requiere la presencia de un cofactor para la actividad catalítica, pero que no está unida a él, se llama apo enzima. Una enzima apo en combinación con un cofactor se llama holoenzima. La mayoría de los cofactores están unidos a la enzima mediante interacciones no covalentes pero bastante fuertes. También hay grupos protésicos que están unidos covalentemente a la enzima, por ejemplo, el pirofosfato de tiamina en la piruvato deshidrogenasa.

Regulación de enzimas

Algunas enzimas tienen sitios de unión a moléculas pequeñas y pueden ser sustratos o productos de la vía metabólica en la que ingresa la enzima. Disminuyen o aumentan la actividad de la enzima, lo que crea la oportunidad de retroalimentación.

Inhibición por producto final

La vía metabólica es una cadena de reacciones enzimáticas secuenciales. A menudo, el producto final de una vía metabólica es un inhibidor de una enzima que acelera la primera reacción en esa vía metabólica. Si hay demasiado producto final, actúa como inhibidor de la primera enzima, y ​​si después de esto hay muy poco del producto final, entonces la primera enzima se activa nuevamente. Por tanto, la inhibición por el producto final según el principio de retroalimentación negativa es una forma importante de mantener la homeostasis (constancia relativa de las condiciones ambientales internas del cuerpo).

Influencia de las condiciones ambientales sobre la actividad enzimática.

La actividad de las enzimas depende de las condiciones de la célula o del cuerpo: presión, acidez del medio ambiente, temperatura, concentración de sales disueltas (fuerza iónica de la solución), etc.

Múltiples formas de enzimas

Las múltiples formas de enzimas se pueden dividir en dos categorías:

Isoenzimas

Formas plurales adecuadas (verdadero)

Isoenzimas- Se trata de enzimas cuya síntesis está codificada por diferentes genes, tienen diferentes estructuras primarias y diferentes propiedades, pero catalizan la misma reacción. Tipos de isoenzimas:

Órgano: enzimas de glucólisis en el hígado y los músculos.

Celular: malato deshidrogenasa citoplasmática y mitocondrial (las enzimas son diferentes, pero catalizan la misma reacción).

Híbrido: enzimas con estructura cuaternaria, formadas como resultado de la unión no covalente de subunidades individuales (lactato deshidrogenasa: 4 subunidades de 2 tipos).

Mutante: formado como resultado de una mutación de un solo gen.

Las aloenzimas están codificadas por diferentes alelos del mismo gen.

Formas realmente plurales(verdadero) son enzimas, cuya síntesis está codificada por el mismo alelo del mismo gen, tienen la misma estructura primaria y propiedades, pero después de la síntesis en ribosomachons sufren modificaciones y se vuelven diferentes, aunque catalizan la misma reacción.

Las isoenzimas son distintas a nivel genético y difieren de la secuencia primaria, y las formas múltiples verdaderas se vuelven distintas a nivel postraduccional.

Importancia médica

La conexión entre las enzimas y las enfermedades metabólicas hereditarias fue establecida por primera vez por A. Garrod en la década de 1910. Garrod llamó a las enfermedades asociadas con defectos enzimáticos "errores innatos del metabolismo".

Si se produce una mutación en el gen que codifica una enzima particular, la secuencia de aminoácidos de la enzima puede cambiar. Además, como resultado de la mayoría de mutaciones, su actividad catalítica disminuye o desaparece por completo. Si un organismo recibe dos de estos genes mutantes (uno de cada padre), la reacción química catalizada por esta enzima deja de ocurrir en el cuerpo. Por ejemplo, la aparición de albinos se asocia con el cese de la producción de la enzima tirosinasa, responsable de una de las etapas de la síntesis del pigmento oscuro melanina, la fenilcetonuria se asocia con una actividad reducida o ausente de la enzima fenilalanina. 4-hidroxilasa en el hígado.

Actualmente se conocen cientos de enfermedades hereditarias asociadas con defectos enzimáticos. Se han desarrollado métodos para el tratamiento y prevención de muchas de estas enfermedades.

Uso práctico

Las enzimas se utilizan ampliamente en la economía nacional: alimentación, industria textil, farmacología y medicina. La mayoría de los medicamentos afectan el curso de los procesos enzimáticos en el cuerpo, iniciando o deteniendo ciertas reacciones.

El alcance del uso de enzimas en la investigación científica y la medicina es aún más amplio.

En la célula de cualquier organismo vivo tienen lugar millones de reacciones químicas. Cada uno de ellos es de gran importancia, por lo que es importante mantener la velocidad de los procesos biológicos en un alto nivel. Casi todas las reacciones están catalizadas por su propia enzima. ¿Qué son las enzimas? ¿Cuál es su papel en la célula?

Enzimas. Definición

El término "enzima" proviene del latín fermentum - levadura. También se les puede llamar enzimas del griego en zyme - "en levadura".

Las enzimas son sustancias biológicamente activas, por lo que cualquier reacción que ocurra en una célula no puede ocurrir sin su participación. Estas sustancias actúan como catalizadores. En consecuencia, cualquier enzima tiene dos propiedades principales:

1) La enzima acelera la reacción bioquímica, pero no se consume.

2) El valor de la constante de equilibrio no cambia, solo acelera la consecución de este valor.

Las enzimas aceleran las reacciones bioquímicas mil y, en algunos casos, un millón de veces. Esto significa que, en ausencia del aparato enzimático, todos los procesos intracelulares prácticamente se detendrán y la propia célula morirá. Por tanto, el papel de las enzimas como sustancias biológicamente activas es importante.

La variedad de enzimas permite una regulación versátil del metabolismo celular. En cualquier cascada de reacción participan muchas enzimas de diferentes clases. Los catalizadores biológicos son altamente selectivos debido a la conformación específica de la molécula. Dado que las enzimas en la mayoría de los casos son de naturaleza proteica, se ubican en una estructura terciaria o cuaternaria. Esto se explica nuevamente por la especificidad de la molécula.

Funciones de las enzimas en la célula.

La principal tarea de la enzima es acelerar la reacción correspondiente. Cualquier cascada de procesos, desde la descomposición del peróxido de hidrógeno hasta la glucólisis, requiere la presencia de un catalizador biológico.

El correcto funcionamiento de las enzimas se logra mediante una alta especificidad hacia un sustrato específico. Esto significa que un catalizador sólo puede acelerar una determinada reacción y ninguna otra, ni siquiera las muy similares. Según el grado de especificidad, se distinguen los siguientes grupos de enzimas:

1) Enzimas con especificidad absoluta, cuando se cataliza una sola reacción. Por ejemplo, la colagenasa descompone el colágeno y la maltasa descompone la maltosa.

2) Enzimas con relativa especificidad. Esto incluye sustancias que pueden catalizar una determinada clase de reacciones, por ejemplo, la escisión hidrolítica.

El trabajo de un biocatalizador comienza desde el momento en que su centro activo se adhiere al sustrato. En este caso, hablan de interacción complementaria como cerradura y llave. Aquí nos referimos a la total coincidencia de la forma del centro activo con el sustrato, lo que permite acelerar la reacción.

La siguiente etapa es la reacción misma. Su velocidad aumenta debido a la acción de un complejo enzimático. Al final, obtenemos una enzima que se asocia con los productos de reacción.

La etapa final es la separación de los productos de reacción de la enzima, después de lo cual el centro activo vuelve a quedar libre para la siguiente tarea.

Esquemáticamente, el trabajo de la enzima en cada etapa se puede escribir de la siguiente manera:

1) S + E ——> SE

2) SE ——> SP

3) SP ——> S + P, donde S es el sustrato, E es la enzima y P es el producto.

Clasificación de enzimas.

En el cuerpo humano se puede encontrar una gran cantidad de enzimas. Se sistematizó todo el conocimiento sobre sus funciones y funcionamiento y, como resultado, surgió una clasificación única, gracias a la cual es fácil determinar para qué está destinado un catalizador en particular. Aquí se presentan las 6 clases principales de enzimas, así como ejemplos de algunos de los subgrupos.

1. Oxidorreductasas.

Las enzimas de esta clase catalizan reacciones redox. Se distinguen un total de 17 subgrupos. Las oxidorreductasas suelen tener una parte no proteica, representada por una vitamina o hemo.

Entre las oxidorreductasas, se encuentran a menudo los siguientes subgrupos:

a) Deshidrogenasas. La bioquímica de las enzimas deshidrogenasas implica la eliminación de átomos de hidrógeno y su transferencia a otro sustrato. Este subgrupo se encuentra con mayor frecuencia en las reacciones de respiración y fotosíntesis. Las deshidrogenasas contienen necesariamente una coenzima en forma de NAD/NADP o flavoproteínas FAD/FMN. A menudo se encuentran iones metálicos. Los ejemplos incluyen enzimas como la citocromo reductasa, piruvato deshidrogenasa, isocitrato deshidrogenasa, así como muchas enzimas hepáticas (lactato deshidrogenasa, glutamato deshidrogenasa, etc.).

b) Oxidasas. Varias enzimas catalizan la adición de oxígeno a hidrógeno, como resultado de lo cual los productos de reacción pueden ser agua o peróxido de hidrógeno (H 2 0, H 2 0 2). Ejemplos de enzimas: citocromo oxidasa, tirosinasa.

c) Las peroxidasas y catalasas son enzimas que catalizan la descomposición del H 2 O 2 en oxígeno y agua.

d) Oxigenasas. Estos biocatalizadores aceleran la adición de oxígeno al sustrato. La dopamina hidroxilasa es un ejemplo de tales enzimas.

2. Transferasas.

La tarea de las enzimas de este grupo es transferir radicales de una sustancia donante a una sustancia receptora.

a) Metiltransferasas. Las ADN metiltransferasas son las principales enzimas que controlan el proceso de replicación de nucleótidos y desempeñan un papel importante en la regulación del funcionamiento de los ácidos nucleicos.

b) Aciltransferasas. Las enzimas de este subgrupo transportan un grupo acilo de una molécula a otra. Ejemplos de aciltransferasas: lecitina colesterol aciltransferasa (transfiere un grupo funcional de un ácido graso al colesterol), lisofosfatidilcolina aciltransferasa (transfiere un grupo acilo a lisofosfatidilcolina).

c) Las aminotransferasas son enzimas que intervienen en la conversión de aminoácidos. Ejemplos de enzimas: alanina aminotransferasa, que cataliza la síntesis de alanina a partir de piruvato y glutamato mediante transferencia de grupos amino.

d) Fosfotransferasas. Las enzimas de este subgrupo catalizan la adición de un grupo fosfato. Otro nombre para las fosfotransferasas, quinasas, es mucho más común. Los ejemplos incluyen enzimas como hexoquinasas y aspartato quinasas, que agregan residuos de fósforo a las hexosas (con mayor frecuencia glucosa) y al ácido aspártico, respectivamente.

3. Hidrolasas: una clase de enzimas que catalizan la ruptura de enlaces en una molécula con la posterior adición de agua. Las sustancias que pertenecen a este grupo son las principales enzimas digestivas.

a) Esterasas: rompen los enlaces de éter. Un ejemplo son las lipasas, que descomponen las grasas.

b) Glicosidasas. La bioquímica de las enzimas de esta serie consiste en la destrucción de los enlaces glicosídicos de los polímeros (polisacáridos y oligosacáridos). Ejemplos: amilasa, sacarasa, maltasa.

c) Las peptidasas son enzimas que catalizan la descomposición de proteínas en aminoácidos. Las peptidasas incluyen enzimas como pepsinas, tripsina, quimotripsina y carboxipeptidasa.

d) Amidasas: escinden enlaces amida. Ejemplos: arginasa, ureasa, glutaminasa, etc. Muchas enzimas amidasas se encuentran en

4. Las liasas son enzimas que tienen una función similar a las hidrolasas, pero la ruptura de enlaces en las moléculas no requiere agua. Las enzimas de esta clase siempre contienen una parte no proteica, por ejemplo, en forma de vitaminas B1 o B6.

a) Descarboxilasa. Estas enzimas actúan sobre el enlace C-C. Los ejemplos incluyen glutamato descarboxilasa o piruvato descarboxilasa.

b) Las hidratasas y deshidratasas son enzimas que catalizan la reacción de escisión de enlaces C-O.

c) Amidina liasas: destruyen los enlaces C-N. Ejemplo: arginina succinato liasa.

d) PO liasa. Estas enzimas, por regla general, escinden un grupo fosfato de una sustancia sustrato. Ejemplo: adenilato ciclasa.

La bioquímica de las enzimas se basa en su estructura.

Las capacidades de cada enzima están determinadas por su estructura individual y única. Cualquier enzima es ante todo una proteína, y su estructura y grado de plegamiento juegan un papel decisivo en la determinación de su función.

Cada biocatalizador se caracteriza por la presencia de un centro activo, que, a su vez, se divide en varias áreas funcionales independientes:

1) El centro catalítico es una región especial de la proteína a través de la cual la enzima se une al sustrato. Dependiendo de la conformación de la molécula de proteína, el centro catalítico puede adoptar una variedad de formas, que deben adaptarse al sustrato tal como una cerradura encaja en una llave. Esta compleja estructura explica lo que se encuentra en el estado terciario o cuaternario.

2) Centro de adsorción: actúa como "titular". Aquí, en primer lugar, se produce la conexión entre la molécula de enzima y la molécula de sustrato. Sin embargo, los enlaces formados por el centro de adsorción son muy débiles, lo que significa que la reacción catalítica en esta etapa es reversible.

3) Los centros alostéricos pueden ubicarse tanto en el centro activo como en toda la superficie de la enzima en su conjunto. Su función es regular el funcionamiento de la enzima. La regulación se produce con la ayuda de moléculas inhibidoras y moléculas activadoras.

Las proteínas activadoras, al unirse a la molécula de enzima, aceleran su trabajo. Los inhibidores, por otro lado, inhiben la actividad catalítica, y esto puede ocurrir de dos maneras: o la molécula se une a un sitio alostérico en la región del sitio activo de la enzima (inhibición competitiva), o se une a otra región del sitio activo de la enzima (inhibición competitiva). proteína (inhibición no competitiva). considera más eficaz. Después de todo, esto cierra el lugar para que el sustrato se una a la enzima, y ​​este proceso sólo es posible en el caso de una coincidencia casi completa entre la forma de la molécula inhibidora y el centro activo.

Una enzima suele estar formada no sólo por aminoácidos, sino también por otras sustancias orgánicas e inorgánicas. En consecuencia, la apoenzima es la parte proteica, la coenzima es la parte orgánica y el cofactor es la parte inorgánica. La coenzima puede estar representada por carbohidratos, grasas, ácidos nucleicos y vitaminas. A su vez, un cofactor suele ser iones metálicos auxiliares. La actividad de las enzimas está determinada por su estructura: las sustancias adicionales incluidas en la composición cambian las propiedades catalíticas. Varios tipos de enzimas son el resultado de una combinación de todos los factores enumerados en la formación de un complejo.

Regulación de enzimas

Las enzimas como sustancias biológicamente activas no siempre son necesarias para el organismo. La bioquímica de las enzimas es tal que, si se catalizan excesivamente, pueden dañar una célula viva. Para prevenir los efectos nocivos de las enzimas en el cuerpo, es necesario regular de alguna manera su trabajo.

Dado que las enzimas son de naturaleza proteica, se destruyen fácilmente a altas temperaturas. El proceso de desnaturalización es reversible, pero puede afectar significativamente el rendimiento de las sustancias.

El pH también juega un papel importante en la regulación. La mayor actividad enzimática se suele observar a valores de pH neutros (7,0-7,2). También hay enzimas que funcionan sólo en ambientes ácidos o sólo en ambientes alcalinos. Por tanto, en los lisosomas celulares se mantiene un pH bajo, en el que la actividad de las enzimas hidrolíticas es máxima. Si ingresan accidentalmente al citoplasma, donde el ambiente ya es más cercano a la neutralidad, su actividad disminuirá. Esta protección contra la “autocomida” se basa en las peculiaridades del trabajo de las hidrolasas.

Cabe mencionar la importancia de la coenzima y el cofactor en la composición de las enzimas. La presencia de vitaminas o iones metálicos afecta significativamente el funcionamiento de algunas enzimas específicas.

Nomenclatura enzimática

Todas las enzimas del organismo suelen denominarse en función de su pertenencia a alguna de las clases, así como del sustrato con el que reaccionan. A veces en el nombre se utilizan no uno, sino dos sustratos.

Ejemplos de nombres de algunas enzimas:

1. Enzimas hepáticas: lactato deshidrogenasa, glutamato deshidrogenasa.
2. Nombre sistemático completo de la enzima: lactato-NAD+-oxidorreductasa.

También se han conservado nombres triviales que no siguen las reglas de nomenclatura. Algunos ejemplos son las enzimas digestivas: tripsina, quimotripsina, pepsina.

Proceso de síntesis de enzimas.

Las funciones de las enzimas están determinadas a nivel genético. Dado que la molécula es, en general, una proteína, su síntesis repite exactamente los procesos de transcripción y traducción.

La síntesis de enzimas se produce según el siguiente esquema. Primero, se lee del ADN información sobre la enzima deseada, lo que da como resultado la formación de ARNm. El ARN mensajero codifica todos los aminoácidos que forman la enzima. La regulación de las enzimas también puede ocurrir a nivel del ADN: si el producto de la reacción catalizada es suficiente, la transcripción del gen se detiene y viceversa, si el producto es necesario, se activa el proceso de transcripción.

Una vez que el ARNm ha entrado en el citoplasma de la célula, comienza la siguiente etapa: la traducción. En los ribosomas del retículo endoplásmico se sintetiza una cadena primaria, que consta de aminoácidos conectados por enlaces peptídicos. Sin embargo, la molécula de proteína en la estructura primaria aún no puede realizar sus funciones enzimáticas.

La actividad de las enzimas depende de la estructura de la proteína. En el mismo EPS, se produce la torsión de proteínas, como resultado de lo cual se forman primero estructuras secundarias y luego terciarias. La síntesis de algunas enzimas ya se detiene en esta etapa, pero para activar la actividad catalítica a menudo es necesario agregar una coenzima y un cofactor.

En determinadas zonas del retículo endoplásmico se añaden los componentes orgánicos de la enzima: monosacáridos, ácidos nucleicos, grasas, vitaminas. Algunas enzimas no pueden funcionar sin la presencia de una coenzima.

El cofactor desempeña un papel crucial en la formación de algunas funciones enzimáticas sólo están disponibles cuando la proteína alcanza un dominio de organización. Por lo tanto, para ellos es muy importante la presencia de una estructura cuaternaria, en la que el enlace de conexión entre varios glóbulos proteicos es un ion metálico.

Múltiples formas de enzimas

Hay situaciones en las que es necesario disponer de varias enzimas que catalicen la misma reacción, pero que se diferencien entre sí en algunos parámetros. Por ejemplo, una enzima puede funcionar a 20 grados, pero a 0 grados ya no podrá realizar sus funciones. ¿Qué debería hacer un organismo vivo en tal situación a bajas temperaturas ambiente?

Este problema se resuelve fácilmente mediante la presencia de varias enzimas que catalizan la misma reacción, pero operan en diferentes condiciones. Hay dos tipos de múltiples formas de enzimas:

1. Isoenzimas. Estas proteínas están codificadas por genes diferentes, constan de diferentes aminoácidos, pero catalizan la misma reacción.
2. Formas plurales verdaderas. Estas proteínas se transcriben a partir del mismo gen, pero la modificación de los péptidos se produce en los ribosomas. La salida son varias formas de la misma enzima.

Como resultado, el primer tipo de formas múltiples se forma a nivel genético, mientras que el segundo tipo se forma a nivel postraduccional.

La importancia de las enzimas.

En medicina, todo se reduce al lanzamiento de nuevos medicamentos que ya contienen sustancias en las cantidades necesarias. Los científicos aún no han encontrado una manera de estimular la síntesis de las enzimas que faltan en el cuerpo, pero hoy en día existen medicamentos muy extendidos que pueden compensar temporalmente su deficiencia.

Varias enzimas de la célula catalizan una gran cantidad de reacciones asociadas con el mantenimiento de la vida. Uno de estos enismos son los representantes del grupo de las nucleasas: endonucleasas y exonucleasas. Su trabajo es mantener un nivel constante de ácidos nucleicos en la célula y eliminar el ADN y el ARN dañados.

No te olvides del fenómeno de la coagulación sanguínea. Como medida protectora eficaz, este proceso está controlado por una serie de enzimas. El principal es la trombina, que convierte la proteína inactiva fibrinógeno en fibrina activa. Sus hilos crean una especie de red que obstruye el sitio de daño del vaso, evitando así una pérdida excesiva de sangre.

Las enzimas se utilizan en la elaboración del vino, la elaboración de cerveza y la producción de muchos productos lácteos fermentados. La levadura se puede utilizar para producir alcohol a partir de glucosa, pero un extracto de ella es suficiente para que este proceso se desarrolle con éxito.

Datos interesantes que no sabías

Todas las enzimas del cuerpo tienen una masa enorme: de 5.000 a 1.000.000 Da. Esto se debe a la presencia de proteínas en la molécula. A modo de comparación: el peso molecular de la glucosa es de 180 Da y el del dióxido de carbono es de solo 44 Da.

Hasta la fecha, se han descubierto más de 2000 enzimas que se han encontrado en las células de varios organismos. Sin embargo, la mayoría de estas sustancias aún no se han estudiado completamente.

La actividad enzimática se utiliza para producir detergentes en polvo eficaces. Aquí las enzimas desempeñan el mismo papel que en el organismo: descomponen la materia orgánica y esta propiedad ayuda en la lucha contra las manchas. Se recomienda utilizar dicho detergente en polvo a una temperatura que no supere los 50 grados, de lo contrario puede producirse una desnaturalización.

Según las estadísticas, el 20% de las personas en todo el mundo padecen una deficiencia de alguna de las enzimas.

Las propiedades de las enzimas se conocían desde hacía mucho tiempo, pero no fue hasta 1897 que la gente se dio cuenta de que no era la levadura en sí, sino un extracto de sus células, la que podía utilizarse para fermentar el azúcar hasta convertirlo en alcohol.

enzimas (de lat. Fermento - fermentación) , o enzimas (del griego Ep. - dentro, sume - levadura) - compuestos proteicos que son catalizadores biológicos. La ciencia de las enzimas se llama. enzimología. Las moléculas de enzimas son proteínas o ácido ribonucleico (ARN). Las enzimas de ARN se llaman ribozimas y se consideran la forma original de enzimas que fueron reemplazadas por enzimas proteicas durante la evolución.

Organización estructural y funcional. Las moléculas de enzima son más grandes que las moléculas de sustrato y tienen una configuración espacial compleja, principalmente una estructura globular.

Debido al gran tamaño de las moléculas de enzimas, surge un fuerte campo eléctrico, en el que: a) las enzimas adquieren una forma asimétrica, debilita los enlaces y provoca un cambio en su estructura; b) se hace posible la orientación de las moléculas del sustrato. La organización funcional de las enzimas está asociada con el centro: esta es una pequeña sección especial de una molécula de proteína que puede unirse a un sustrato y así garantizar la actividad catalítica de la enzima. El centro activo de las enzimas simples es una combinación de ciertos aminoácidos en la cadena para formar una especie de "bolsillo" en el que se producen transformaciones catalíticas del sustrato. En las enzimas complejas, el número de centros activos es igual al número de subunidades, y estos son cofactores con grupos funcionales proteicos adyacentes. Además del centro activo, algunas enzimas tienen un centro alostérico que regula el funcionamiento del centro activo.

Propiedades . Existen ciertas características comunes y distintivas entre las enzimas y los catalizadores inorgánicos. Lo que tienen en común es que: a) pueden catalizar sólo reacciones termodinámicamente posibles y acelerar sólo aquellas reacciones que pueden ocurrir sin ellas, pero a una velocidad menor; b) no se utilizan durante la reacción y no forman parte de los productos finales; b) no cambiar el equilibrio químico, solo acelerar su aparición. Las enzimas también tienen algunas propiedades específicas que los catalizadores inorgánicos no tienen.

Las enzimas no se destruyen en las reacciones, por lo que una cantidad muy pequeña de ellas provoca la transformación de una gran cantidad de sustrato (por ejemplo, 1 molécula de catalasa puede descomponer más de 5 millones de moléculas de H2O2 en 1 minuto). Las zonas aceleran la velocidad de las reacciones químicas en condiciones normales, pero no se consumen. Todo esto en conjunto determina las propiedades de enzimas como alta actividad biológica. La acción óptima de la mayoría de las enzimas se produce a una temperatura de 37-40 ° C. A medida que aumenta la temperatura, la actividad de las enzimas disminuye y posteriormente se detiene por completo, y más allá de + 80 ° C se destruyen. A bajas temperaturas (por debajo de 0 ° C), las enzimas detienen su acción, pero no se destruyen. Entonces, las enzimas se caracterizan. sensibilidad térmica.

Las enzimas exhiben su actividad a una cierta concentración de iones H, por lo que hablan de Dependencia del pH. La acción óptima de la mayoría de las enzimas se observa en un ambiente cercano al neutro.

una propiedad como especificidad o selectividad se manifiesta en el hecho de que cada enzima actúa sobre un sustrato específico, catalizando sólo una "su" reacción. La selectividad de la acción enzimática está determinada por el componente proteico.

Las enzimas son catalizadores con actividad controlada que pueden verse alterados significativamente por ciertos compuestos químicos que aumentan o disminuyen la velocidad de la reacción que se cataliza. Los cationes y aniones metálicos actúan como activadores.

ácidos, sustancias orgánicas e inhibidores: cationes de metales pesados, etc. Esta propiedad se llamó controlabilidad de la acción (alostericidad). Las enzimas se forman sólo cuando aparece un sustrato que induce su síntesis ( inducibilidad), y la “desconexión” de la acción de las enzimas suele realizarse mediante un exceso de productos de asimilación ( represión). Las reacciones enzimáticas son reversibles, lo que se debe a la capacidad de las enzimas para catalizar reacciones directas e inversas. Por ejemplo, la lipasa puede, bajo ciertas condiciones, descomponer la grasa en glicerol y ácidos grasos, así como catalizar su síntesis a partir de productos de degradación ( recurrencia de la acción).

Mecanismo de acción. Para comprender el mecanismo de acción de las enzimas durante las reacciones químicas, es importante teoría del centro activo, hipótesis de cerradura y llave Y hipótesis de ajuste inducido. De acuerdo a teoría del centro activo, en la molécula de cada enzima hay una o más regiones en las que se produce la biocatálisis debido al estrecho contacto entre la enzima y el sustrato. Hipótesis del bloqueo de teclas(1890, E. Fischer) explica la especificidad de las enzimas haciendo coincidir la forma de la enzima (cerradura) y el sustrato (llave). La enzima se combina con el sustrato para formar un complejo temporal enzima-sustrato. Hipótesis de correspondencia inducida(1958, D. Koshland). se basa en la afirmación de que las enzimas son moléculas flexibles, por lo que la configuración del centro activo en ellas sufre cambios en presencia de un sustrato, es decir, la enzima orienta sus grupos funcionales de manera que aseguren la mayor actividad catalítica. La molécula de sustrato, cuando se une a la enzima, también cambia su configuración para aumentar la reactividad.

Diversidad . En la enzimología moderna se conocen más de 3.000 enzimas. Las enzimas generalmente se clasifican según su composición química y el tipo de reacciones en las que influyen. La clasificación de enzimas por composición química incluye enzimas simples y complejas. enzimas simples (monocomponente) - contienen sólo la parte proteica. La mayoría de las enzimas de este grupo pueden cristalizar. Un ejemplo de enzimas simples es la ribonucleasa, hidrolasas (amilasa, lipasa, proteasa), ureasa, etc. enzimas complejas (dos componentes) - consiste en apoenzima Y cofactor. El componente proteico que determina la especificidad de las enzimas complejas y que, por regla general, es sintetizado por el cuerpo y es sensible a la temperatura es una apoenzima. Un cofactor es un componente no proteico que determina la actividad de enzimas complejas y, por regla general, ingresa al cuerpo en forma de precursores o en forma terminada y permanece estable en condiciones desfavorables. Los cofactores pueden ser moléculas inorgánicas (por ejemplo, iones metálicos) o moléculas orgánicas (por ejemplo, flavina). Los cofactores orgánicos que están asociados permanentemente con la enzima se denominan grupos protésicos. Los cofactores orgánicos que pueden separarse de la enzima se denominan coenzimas. Las enzimas complejas son oxidorreductasas (por ejemplo, catalasa), ligasas (por ejemplo, ADN polimerasa, ARNt sintetasas), liasas, etc.

Las reacciones enzimáticas se dividen en anabólicas (reacciones de síntesis) y catabólicas (reacciones de descomposición), y la totalidad de todos estos procesos en un sistema vivo se llama metabolismo. Dentro de estos grupos de procesos se distinguen tipos de reacciones enzimáticas, según las cuales las enzimas se dividen en 6 clases: oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas Y ligasas

1. Oxidorreductasas catalizar reacciones redox (transferencia de electrones y átomos de H de un sustrato a otro).

2. transferasas acelerar las reacciones de transferencia (transferencia de grupos químicos de un sustrato a otro).

3. hidrolasas son enzimas de reacciones de hidrólisis (división de sustratos con la participación de agua).

4. Liasas catalizar reacciones de descomposición no hidrolítica (escisión de sustratos sin la participación de agua con la formación de un doble enlace y sin el uso de energía ATP).

5. isomerasas afectan la velocidad de las reacciones de isomerización (movimiento intramolecular de varios grupos).

6. Ligasas catalizar reacciones de síntesis (la combinación de moléculas utilizando la energía del ATP y la formación de nuevos enlaces).

Una enzima generalmente recibe su nombre por el tipo de reacción que cataliza agregando el sufijo -aza al nombre del sustrato (por ejemplo, la lactasa es una enzima involucrada en la conversión de lactosa).

Significados. Las enzimas proporcionan transformaciones químicas de sustancias debido a la reducción. energía de activación, es decir, para reducir el nivel de energía requerido para proporcionar reactividad a una molécula (por ejemplo, para romper el enlace entre nitrógeno y carbono en condiciones de laboratorio, se requieren alrededor de 210 kJ, mientras que en un biosistema solo se gastan entre 42 y 50 kJ). este). Las enzimas presentes en todas las células vivas contribuyen a la conversión de unas sustancias (sustratos) en otras (productos). Las enzimas actúan como catalizadores en casi todas las reacciones bioquímicas que ocurren en los organismos vivos: catalizan alrededor de 4000 biorreacciones químicamente separadas. Las enzimas desempeñan un papel vital en todos los procesos vitales, dirigiendo o regulando el metabolismo del cuerpo. Las enzimas se utilizan ampliamente en la agricultura.

Algunos ejemplos del uso de enzimas en actividades humanas

industria	enzimas	Uso
industria de alimentos	pectinasa	Para iluminar zumos de frutas.
	glucosa oxidasa	Para conservar carne, jugos y cerveza como antiszhysnyuvach.
		Para descomponer el almidón en glucosa, que la levadura fermenta durante la cocción del pan.
	pepsina, tripsina	Para la producción de cereales y productos alimenticios para bebés “preparados”
		Para la producción de queso
Industria de la luz	Peptihidrólisis	Para suavizar cueros y quitarles el pelo.
industria farmacéutica		Para eliminar la placa en las pastas dentales.
	colagenasa	Para limpiar heridas por quemaduras, congelación, úlceras varicosas como parte de ungüentos y nuevos tipos de apósitos.
Industria química	proteasas bacterianas	Para lavar ropa utilizando biopolvos con aditivos enzimáticos.
Agricultura	celulasa	Enzimas alimentarias para aumentar el valor nutricional del pienso.
	proteasas bacterianas	Para obtener proteínas alimentarias.
Ingeniería genética	Ligasas y enzimas de restricción.	Para cortar y unir moléculas de ADN para modificar su información hereditaria.
industria cosmética	Calagenasas	Para rejuvenecimiento de la piel en cremas y mascarillas.

Los ácidos nucleicos son compuestos que conectan el pasado con el futuro.

ENZIMAS
Sustancias orgánicas de naturaleza proteica que se sintetizan en las células y muchas veces aceleran las reacciones que en ellas ocurren sin sufrir transformaciones químicas. Las sustancias que tienen un efecto similar también existen en la naturaleza inanimada y se denominan catalizadores. Las enzimas (del latín fermentum - fermentación, levadura) a veces se denominan enzimas (del griego en - dentro, zyme - levadura). Todas las células vivas contienen un conjunto muy grande de enzimas, cuya actividad catalítica determina el funcionamiento de las células. Casi cada una de las muchas reacciones diferentes que ocurren en una célula requiere la participación de una enzima específica. El estudio de las propiedades químicas de las enzimas y las reacciones que catalizan es un área especial y muy importante de la bioquímica: la enzimología. Muchas enzimas se encuentran libres en la célula, simplemente disueltas en el citoplasma; otros están asociados con estructuras complejas y altamente organizadas. También hay enzimas que normalmente se encuentran fuera de la célula; Por tanto, el páncreas secreta hacia el intestino enzimas que catalizan la descomposición del almidón y las proteínas. Secretado por enzimas y muchos microorganismos. Los primeros datos sobre enzimas se obtuvieron del estudio de los procesos de fermentación y digestión. L. Pasteur hizo una gran contribución al estudio de la fermentación, pero creía que sólo las células vivas podían llevar a cabo las reacciones correspondientes. A principios del siglo XX. E. Buchner demostró que la fermentación de sacarosa para formar dióxido de carbono y alcohol etílico puede catalizarse mediante un extracto de levadura libre de células. Este importante descubrimiento estimuló el aislamiento y estudio de enzimas celulares. En 1926, J. Sumner de la Universidad de Cornell (EE.UU.) aisló la ureasa; fue la primera enzima obtenida en forma casi pura. Desde entonces, se han descubierto y aislado más de 700 enzimas, pero existen muchas más en los organismos vivos. La identificación, aislamiento y estudio de las propiedades de enzimas individuales ocupan un lugar central en la enzimología moderna. Las enzimas implicadas en procesos fundamentales de conversión de energía, como la descomposición de azúcares y la formación e hidrólisis del compuesto de alta energía trifosfato de adenosina (ATP), están presentes en todo tipo de células: animales, vegetales y bacterianas. Sin embargo, existen enzimas que se producen únicamente en los tejidos de ciertos organismos. Así, las enzimas implicadas en la síntesis de celulosa se encuentran en las células vegetales, pero no en las células animales. Por tanto, es importante distinguir entre enzimas "universales" y enzimas específicas de ciertos tipos de células. En términos generales, cuanto más especializada es una célula, más probabilidades hay de que sintetice el conjunto de enzimas necesarias para realizar una función celular particular.
Las enzimas son como las proteínas. Todas las enzimas son proteínas, simples o complejas (es decir, que contienen, junto con el componente proteico, una parte no proteica).
Ver también PROTEÍNAS. Las enzimas son moléculas grandes, con pesos moleculares que oscilan entre 10.000 y más de 1.000.000 de dalton (Da). A modo de comparación indicamos que masas de sustancias conocidas: glucosa - 180, dióxido de carbono - 44, aminoácidos - de 75 a 204 Da. Las enzimas que catalizan las mismas reacciones químicas, pero aisladas de diferentes tipos de células, difieren en propiedades y composición, pero suelen tener cierta similitud en su estructura. Las características estructurales de las enzimas necesarias para su funcionamiento se pierden fácilmente. Así, cuando se calienta se produce una reestructuración de la cadena proteica, acompañada de una pérdida de actividad catalítica. También son importantes las propiedades alcalinas o ácidas de la solución. La mayoría de las enzimas funcionan mejor en soluciones cuyo pH es cercano a 7, cuando la concentración de iones H+ y OH- es aproximadamente la misma. Esto se debe al hecho de que la estructura de las moléculas de proteínas y, por tanto, la actividad de las enzimas, depende en gran medida de la concentración de iones de hidrógeno en el medio. No todas las proteínas presentes en los organismos vivos son enzimas. Por lo tanto, las proteínas estructurales, muchas proteínas sanguíneas específicas, hormonas proteicas, etc., realizan una función diferente.
Coenzimas y sustratos. Muchas enzimas de gran peso molecular exhiben actividad catalítica sólo en presencia de sustancias específicas de bajo peso molecular llamadas coenzimas (o cofactores). La mayoría de las vitaminas y muchos minerales desempeñan el papel de coenzimas; por eso deben entrar al cuerpo con los alimentos. Las vitaminas PP (ácido nicotínico o niacina) y la riboflavina, por ejemplo, forman parte de las coenzimas necesarias para el funcionamiento de las deshidrogenasas. El zinc es una coenzima de la anhidrasa carbónica, una enzima que cataliza la liberación de dióxido de carbono de la sangre, que se elimina del cuerpo junto con el aire exhalado. El hierro y el cobre sirven como componentes de la enzima respiratoria citocromo oxidasa. La sustancia que sufre transformación en presencia de una enzima se llama sustrato. El sustrato se adhiere a una enzima, lo que acelera la ruptura de algunos enlaces químicos en su molécula y la creación de otros; el producto resultante se desprende de la enzima. Este proceso se representa de la siguiente manera:

El producto también puede considerarse un sustrato, ya que todas las reacciones enzimáticas son reversibles en un grado u otro. Es cierto que el equilibrio suele desplazarse hacia la formación del producto y la reacción inversa puede resultar difícil de detectar.
Mecanismo de acción de las enzimas. La velocidad de una reacción enzimática depende de la concentración del sustrato [[S]] y de la cantidad de enzima presente. Estas cantidades determinan cuántas moléculas de enzima se combinarán con el sustrato y la velocidad de la reacción catalizada por esta enzima depende del contenido del complejo enzima-sustrato. En la mayoría de situaciones de interés para los bioquímicos, la concentración de enzima es muy baja y el sustrato está presente en exceso. Además, los bioquímicos estudian procesos que han alcanzado un estado estacionario, en el que la formación de un complejo enzima-sustrato se equilibra con su transformación en un producto. En estas condiciones, la dependencia de la velocidad (v) de transformación enzimática del sustrato de su concentración [[S]] se describe mediante la ecuación de Michaelis-Menten:

donde KM es la constante de Michaelis, que caracteriza la actividad de la enzima, V es la velocidad de reacción máxima a una concentración total de enzima determinada. De esta ecuación se deduce que a [[S]] pequeña, la velocidad de reacción aumenta en proporción a la concentración del sustrato. Sin embargo, con un aumento suficientemente grande de este último, esta proporcionalidad desaparece: la velocidad de reacción deja de depender de [[S]] - la saturación se produce cuando todas las moléculas de enzima están ocupadas por el sustrato. El esclarecimiento detallado de los mecanismos de acción de las enzimas es una cuestión para el futuro, pero algunas de sus características importantes ya han sido establecidas. Cada enzima tiene uno o más sitios activos a los que se une el sustrato. Estos centros son muy específicos, es decir. "reconocer" sólo "su" sustrato o compuestos estrechamente relacionados. El centro activo está formado por grupos químicos especiales en la molécula de enzima, orientados entre sí de cierta manera. La pérdida de actividad enzimática que se produce con tanta facilidad está asociada precisamente a un cambio en la orientación mutua de estos grupos. La molécula de sustrato asociada con la enzima sufre cambios, como resultado de los cuales se rompen algunos enlaces químicos y se forman otros enlaces químicos. Para que este proceso ocurra se necesita energía; La función de la enzima es reducir la barrera energética que el sustrato debe superar para convertirse en un producto. No se ha establecido del todo cómo se garantiza exactamente dicha reducción.
Reacciones enzimáticas y energía. La liberación de energía del metabolismo de los nutrientes, como la oxidación de la glucosa, un azúcar de seis carbonos, para formar dióxido de carbono y agua, se produce mediante una serie de reacciones enzimáticas concertadas. En las células animales, 10 enzimas diferentes participan en la conversión de la glucosa en ácido pirúvico (piruvato) o ácido láctico (lactato). Este proceso se llama glucólisis. La primera reacción, la fosforilación de la glucosa, requiere la participación del ATP. La conversión de cada molécula de glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico requiere dos moléculas de ATP, pero en las etapas intermedias se forman 4 moléculas de ATP a partir de adenosín difosfato (ADP), por lo que todo el proceso produce 2 moléculas de ATP. A continuación, el ácido pirúvico se oxida a dióxido de carbono y agua con la participación de enzimas asociadas con las mitocondrias. Estas transformaciones forman un ciclo llamado ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo del ácido cítrico.
Véase también METABOLISMO. La oxidación de una sustancia siempre va asociada a la reducción de otra: la primera cede un átomo de hidrógeno y la segunda lo suma. Estos procesos son catalizados por deshidrogenasas, que aseguran la transferencia de átomos de hidrógeno de sustratos a coenzimas. En el ciclo del ácido tricarboxílico, algunas deshidrogenasas específicas oxidan sustratos para formar una forma reducida de la coenzima (nicotinamida dinucleótido, denominada NAD), mientras que otras oxidan la coenzima reducida (NADCH), reduciendo otras enzimas respiratorias, incluidos los citocromos (hemoproteínas que contienen hierro). , en el que el átomo de hierro alterna entre oxidado y luego reducido. En última instancia, la forma reducida de la citocromo oxidasa, una de las enzimas clave que contiene hierro, se oxida cuando el oxígeno ingresa a nuestro cuerpo con el aire inhalado. Cuando el azúcar se quema (oxidación por el oxígeno atmosférico), sus átomos de carbono interactúan directamente con el oxígeno, formando dióxido de carbono. A diferencia de la combustión, cuando el azúcar se oxida en el cuerpo, el oxígeno oxida la propia citocromo oxidasa de hierro, pero su potencial oxidativo se utiliza en última instancia para oxidar completamente los azúcares en un proceso de varios pasos mediado por enzimas. En determinadas etapas de la oxidación, la energía contenida en los nutrientes se libera principalmente en pequeñas porciones y puede almacenarse en los enlaces fosfato del ATP. En esto participan notables enzimas que combinan reacciones oxidativas (que proporcionan energía) con reacciones de formación de ATP (que almacenan energía). Este proceso de conjugación se conoce como fosforilación oxidativa. Sin reacciones enzimáticas acopladas, la vida en las formas que conocemos no sería posible. Las enzimas también realizan muchas otras funciones. Catalizan una variedad de reacciones de síntesis, incluida la formación de proteínas, grasas y carbohidratos de los tejidos. Se utilizan sistemas enzimáticos completos para sintetizar la amplia gama de compuestos químicos que se encuentran en organismos complejos. Esto requiere energía, y en todos los casos su fuente son compuestos fosforilados como el ATP.

Enzimas y digestión. Las enzimas son participantes necesarios en el proceso de digestión. Sólo los compuestos de bajo peso molecular pueden atravesar la pared intestinal y entrar al torrente sanguíneo, por lo que los componentes de los alimentos primero deben descomponerse en moléculas pequeñas. Esto ocurre durante la hidrólisis enzimática (descomposición) de proteínas en aminoácidos, almidón en azúcares, grasas en ácidos grasos y glicerol. La hidrólisis de proteínas es catalizada por la enzima pepsina, que se encuentra en el estómago. El páncreas secreta una serie de enzimas digestivas muy eficaces en el intestino. Se trata de tripsina y quimotripsina, que hidrolizan proteínas; lipasa, que descompone las grasas; amilasa, que cataliza la descomposición del almidón. La pepsina, la tripsina y la quimotripsina se secretan en forma inactiva, en forma de la llamada. zimógenos (proenzimas) y se vuelven activos sólo en el estómago y los intestinos. Esto explica por qué estas enzimas no destruyen las células del páncreas y del estómago. Las paredes del estómago y los intestinos están protegidas de las enzimas digestivas y de una capa de moco. Las células del intestino delgado secretan varias enzimas digestivas importantes. La mayor parte de la energía almacenada en los alimentos vegetales, como la hierba o el heno, se concentra en la celulosa, que es descompuesta por la enzima celulasa. Esta enzima no se sintetiza en el cuerpo de los herbívoros, y los rumiantes, como el ganado vacuno y las ovejas, pueden comer alimentos que contienen celulosa solo porque la celulasa es producida por microorganismos que pueblan la primera sección del estómago: el rumen. Las termitas también utilizan microorganismos para digerir los alimentos. Las enzimas se utilizan en las industrias alimentaria, farmacéutica, química y textil. Un ejemplo es una enzima vegetal obtenida de la papaya y utilizada para ablandar la carne. También se añaden enzimas a los detergentes en polvo.
Enzimas en medicina y agricultura. El conocimiento del papel clave de las enzimas en todos los procesos celulares ha llevado a su uso generalizado en medicina y agricultura. El funcionamiento normal de cualquier organismo vegetal y animal depende del funcionamiento eficiente de las enzimas. La acción de muchas sustancias tóxicas (venenos) se basa en su capacidad para inhibir enzimas; Varios medicamentos tienen el mismo efecto. A menudo, el efecto de un fármaco o sustancia tóxica se puede rastrear por su efecto selectivo sobre el funcionamiento de una determinada enzima en el cuerpo en su conjunto o en un tejido en particular. Por ejemplo, los potentes insecticidas organofosforados y los gases nerviosos desarrollados con fines militares tienen su efecto destructivo al bloquear el trabajo de las enzimas, principalmente la colinesterasa, que desempeña un papel importante en la transmisión de los impulsos nerviosos. Para comprender mejor el mecanismo de acción de los fármacos sobre los sistemas enzimáticos, es útil considerar cómo funcionan algunos inhibidores de enzimas. Muchos inhibidores se unen al sitio activo de la enzima, el mismo sitio con el que interactúa el sustrato. En tales inhibidores, las características estructurales más importantes están cerca de las características estructurales del sustrato, y si tanto el sustrato como el inhibidor están presentes en el medio de reacción, existe competencia entre ellos por la unión a la enzima; Además, cuanto mayor es la concentración del sustrato, más exitosamente compite con el inhibidor. Los inhibidores de otro tipo inducen cambios conformacionales en la molécula de enzima, que involucran grupos químicos funcionalmente importantes. El estudio del mecanismo de acción de los inhibidores ayuda a los químicos a crear nuevos fármacos.