cuarto medio

1.- ENZIMAS

Las enzimas son proteínas que actúan como biocatalizadores que aceleran las reacciones químicas dentro de la célula sin transformarse ellas mismas en una molécula diferente. Las células transforman la energía que toman del entorno en energía química la que les permite realizar trabajos químicos, mecánicos u otros.

Las reacciones químicas para su inicio requieren siempre de un aporte de energía llamada energía de activación. Las enzimas son un tipo especial de proteínas que aceleran las reacciones químicas tanto en el medio intra como en el medio extra celular. Esta aceleración se debe a la capacidad que tienen las enzimas en disminuir la energía de activación (Ea) de la reacción química, es decir, permiten que una reacción ocurra en un breve lapso de tiempo.

La energía de activación (Ea) representa la energía mínima necesaria que deben alcanzar los reactantes (sustratos) para su transformación en productos.

1.- Establezca una diferencia entre energía química y energía de activación. (4 puntos)

2.- Por qué las enzimas son tan importantes en el metabolismo celular. (4 puntos)

Propiedades de las enzimas:

·         Son altamente específicas.

·         Son de naturaleza proteica.

·         Aceleran las reacciones químicas.

·         Actúan en pequeñísimas cantidades.

·         No modifican el equilibrio de la reacción (se alcanza en menor tiempo).

·         Tienen una acción específica (actúan sobre un determinado sustrato).

·         Permanecen inalteradas al final de la reacción, por lo que son reutilizables.

·         Son sintetizadas por ribosomas libres o adheridos a membranas.

Modelos de acción enzimática

El primer modelo sugerido para explicar la interacción enzima-sustrato fue propuesto por el químico Emil Fisher, denominado modelo llave-cerradura, que supone que la estructura del sustrato y la del sitio activo son exactamente complementarias, de la misma forma que una llave encaja en una cerradura (Figura a).

Estudios posteriores sugirieron que el sitio activo es mucho más flexible que una cerradura.

La interacción física entre las moléculas de enzima y sustrato produce un cambio en la geometría del centro activo, mediante la distorsión de las superficies moleculares. Este modelo llamado encaje inducido impondría cierta tensión a las moléculas reaccionantes, facilitando aún más la reacción (Figura b).

a.- En el modelo llave-cerradura los sustratos interactúan en forma precisa con el sitio activo.

(b) En el modelo encaje inducido, la forma del sitio activo es complementaria del sustrato solo después que éste se une a la enzima.

3.- ¿Qué diferencia entre los modelos permite o facilita la reacción enzimática?          (8 puntos)

Factores que afectan la actividad enzimática

Ø Efecto del pH: Las enzimas actúan dentro de límites estrechos de pH (pH óptimo de la

reacción). Por ejemplo, la pepsina (enzima estomacal) tiene un pH óptimo de 2, al graficar su actividad enzimática para valores crecientes de pH, comenzando desde la zona ácida, se obtiene una curva en forma de campana. El máximo de la curva corresponde al pH óptimo en el cual la enzima tiene su máxima actividad. En medios muy ácidos o muy alcalinos, la enzima se desnaturaliza y se inactiva. Otras enzimas en cambio tienen una actividad óptima a pH alcalino como la tripsina (enzima intestinal).

4.- El efecto del Ph en la actividad enzimática siempre es el mismo, justifique. (6 puntos)

Temperatura: La velocidad de las reacciones enzimáticas aumenta, por lo general, con la temperatura, dentro del intervalo en que la enzima es estable y activa. La velocidad por lo general se duplica por cada 10°C de aumento térmico. La actividad enzimática máxima se alcanza a una temperatura óptima, luego la actividad decrece y finalmente cesa por completo a causa de la desnaturalización progresiva de la enzima por acción de la temperatura.

A bajas temperaturas, las reacciones disminuyen mucho o se detienen porque decrece la cinética molecular, pero la acción catalítica reaparece cuando la temperatura se eleva a valores normales para la enzima. No olvidar que una enzima humana típica posee su óptimo a 37 º C, en cambio otros organismos como, por ejemplo, las bacterias termófilas resistentes a altas temperaturas tienen su óptimo de actividad cercano a los 80º C.

5.- El efecto de la  temperatura  en la actividad enzimática siempre es el mismo, justifique. (6 puntos)

Concentración de sustrato: Principalmente, la velocidad de la reacción o catálisis varía

de acuerdo a la concentración del sustrato.

Al aumentar la concentración de sustrato, la actividad enzimática aumenta, hasta alcanzar la velocidad máxima, punto donde la enzima se satura, debido a que las enzimas tienen todos sus sitios activos ocupados.

6.- ¿Porqué la enzima se satura, justifique? (4 puntos)

Regulación de la actividad enzimática

La totalidad de reacciones bioquímicas de un organismo constituye su metabolismo, el cual consiste en secuencias de reacciones químicas catalizadas por enzimas llamadas vías metabólicas . En estas secuencias, el producto de una reacción química es el sustrato de la siguiente reacción y así sucesivamente, tal como lo muestra el siguiente esquema.

Las vías metabólicas son de dos tipos:

a) anabólicas: en ellas se sintetizan moléculas básicas que hacen posible construir

macromoléculas, son reacciones endergónicas (consumen energía).

b) catabólicas: en ellas se rompen moléculas que permiten obtener energía libre utilizable, son reacciones exergónicas (liberan energía).

7.- Indique dos ejemplos de catabolismo y anabolismo. (4 puntos)

Las células y el organismo, deben regular todas sus vías metabólicas constantemente, esto por la gran necesidad de mantener estables sus condiciones internas, es decir, su homeostasis.

En la regulación enzimática participan sustancias que actúan como inhibidores, los cuales reducen la velocidad de las reacciones catalizadas. Hay inhibidores naturales que regulan el metabolismo y otros artificiales que permiten tratar enfermedades o eliminar bacterias patógenas. Los inhibidores se clasifican como irreversibles y reversibles.

8.- ¿Cuál es la función principal de los inhibidores  naturales y artificiales. (4 puntos)

Inhibidores irreversibles

Son, generalmente, obtenidos por síntesis orgánica y se unen covalentemente al sitio activo de  la enzima y con ello la inactivan.

Un buen ejemplo lo constituye el inhibidor artificial DIPF (dilsopropil fósforofluoridano), que inhibe a la tripsina, enzima pancreática que hidroliza proteínas y a la colinesterasa, enzima que degrada al neurotransmisor acetilcolina en el lecho sináptico, una vez que ésta ha cumplido su función.

Por esta razón es parte de los gases neurotóxicos, como la sarina, gas utilizado en el metro de Tokio en 1995, que mató a decenas de personas.

Inhibidores reversibles: se reconocen dos tipos:

1. Inhibición competitiva

2. Inhibición no competitiva

En la inhibición competitiva un sustrato muy parecido al sustrato natural compite con éste por el mismo sitio activo de la enzima. La unión del “impostor” con la enzima no implica formación de nuevos productos, pero impide que esta actúe sobre su sustrato natural. El sustrato “impostor” es desplazado al aumentar la concentración del sustrato natural. En la figura 13 se presenta la inhibición competitiva y como ejemplo la que presenta la enzima succinato deshidrogenasa sometida a una inhibición competitiva por el oxalacetato.

La función de la enzima es impedida mientras el inhibidorpermanezca unido. Sin embargo, si el inhibidor se suelta, una molécula de sustrato puede unirse al sitio activo

En la inhibición competitiva, un inhibidor se une temporalmente al sitio activo. La succionato

deshidrogenasa, por ejemplo, está sujeta a inhibición competitiva por el oxalacetato.

En cambio en la inhibición no competitiva el inhibidor no se une al sitio activo de la enzima, sino que se une a un sitio alejado de este, provocándole un cambio conformacional de manera que el sustrato ya no se adapta. Al igual que en la inhibición competitiva, la enzima se libera del inhibidor y, por ello, es reversible. En la figura se presenta la inhibición no competitiva y como ejemplo la de la enzima treonina deshidratasa por la isoleucina.

Un inhibidor no competitivo se une temporalmente a la enzima en un sitio lejos del sitio activo,

pero aún así impide el funcionamiento de la enzima.

Inhibidores alostéricos

Las enzimas alostéricas, por lo general, poseen una estructura de dos o más unidades

polipeptídicas y su actividad está controlada por efectores que se unen un sitio alostérico que está separado del sitio activo.

Los efectores pueden ser activadores o inhibidores. A continuación se revisará el tipo de regulación alostérica denominada: inhibición por el producto final.

En una vía metabólica, como en el ejemplo de la figura, se observa una secuencia de reacciones, cada una de ellas catalizada por una enzima particular.

La primera reacción se denomina “paso obligado”, porque una vez que ocurre, necesariamente seguirán el resto de reacciones de la vía hasta culminar con el producto final. Este “paso obligado” está catalizado por una enzima alostérica. Si la célula tiene suficiente de este producto, ¿cómo frena esta vía? Cuando el producto final está en altas concentraciones actúa como un efector, se une a la enzima alostérica del “paso obligado”, inactivándola.

Inhibición de las vías metabólicas. El paso obligado es catalizado por una enzima alostérica

que puede ser inhibida por el producto final de la vía.

La vía específica que se muestra aquí es la síntesis de isoleucina, un aminoácido, a partir de la treonina. Esta particular serie de reacciones es realizada por bacterias, pero es típica de muchas reacciones catalizadas enzimáticamente.

10.- A partir del siguiente glosario cree un mapa conceptual incluyendo todos los conceptos.  (20 puntos)

GLOSARIO

Anabolismo: Corresponde a la suma de todas las reacciones químicas, que ocurren dentro de una célula u organismo, en las cuales las moléculas pequeñas se unen para formar una molécula compleja. Son reacciones de síntesis o formación de sustancias. Lo contrario corresponde a catabolismo.

Catabolismo: Corresponde a la suma de todas las reacciones químicas, que ocurren dentro de una célula u organismo, en las cuales las moléculas grandes se desintegran en partes más pequeñas. Son reacciones de degradación o rompimiento de sustancias. Lo contrario corresponde a anabolismo.

Catalizador: Sustancia que disminuye la energía de activación de una reacción química formando una asociación temporal con las moléculas reactivas; como resultado, la velocidad de la reacción se acelera. Las enzimas son biocatalizadores.

Cofactor: Sustancia no proteínica necesaria en la actividad normal de una enzima; algunos cofactores son inorgánicos (usualmente iones metálicos) y otros son orgánicos, en cuyo caso se denominan coenzimas.

Desnaturalización: Corresponde a la pérdida de la configuración original de una macromolécula que resulta, por ejemplo, del tratamiento con calor, cambios extremos de pH, tratamiento químico u otros agentes desnaturalizadores. Habitualmente está acompañado por pérdida de la actividad biológica.

Enlace peptídico: Corresponde al tipo de enlace formado cuando dos aminoácidos se unen por los extremos. El grupo ácido (–COOH) de un aminoácido se une covalentemente al grupo básico (–NH2) del siguiente y se elimina una molécula de agua (H2O). Forma el grupo funcional orgánico amida.

Enzima: Proteína que sirve como catalizador biológico, acelerando una reacción química

específica, recuperándose sin cambios al final del proceso. No forma parte de los productos.

Endergónico: Se aplica a las reacciones químicas o procesos que requieren del aporte de energía.

Exergónico: Se aplica a las reacciones químicas o procesos que liberan energía.

Metabolismo: Corresponde a la suma de todas las reacciones químicas tanto de síntesis como de degradación de sustancias que ocurren dentro de una célula u organismo.

Sitio activo: Corresponde a la región de una enzima que se une temporalmente al sustrato durante la reacción catalizada por ella.

Tetrámero: Unidad formada por cuatro subunidades.