FISIOLOGIA VEGETAL:ENZIMAS

FISIOLOGIA VEGETALIngº.
Fernando S. Gonzáles Huiman

1.1. INTRODUCCIÓN
Las enzimas son biocatalizadores de naturaleza proteica. Todas las reacciones químicas del metabolismo celular se realizan gracias a la acción de catalizadores o enzimas. La sustancia sobre lo que actúa una enzima se denomina substrato. Pasteur descubrió que la fermentación del azúcar mediante levaduras, con su conversión en alcohol etílico y anhídrido carbónico es catalizada por fermentos o enzimas. En 1897 Buchner logro extraer de las células de levadura las enzimas que catalizan la fermentación alcohólica. Summer en 1926, aisló en forma cristalina la enzima ureasa, a partir de extractos obtenidos de Cannavalia enzyformis (Fabaceae) la que hidroliza la urea según la siguiente reacción:

ureasa
(NH2)2CO + H2O __________ CO2 + 2NH3

En 1930, Northrop aisló en forma cristalina las enzimas digestivas: pepsina, tripsina y quimo tripsina. En la actualidad se conocen mas de 2 000 enzimas que han sido aisladas en forma cristalina.

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

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

Desde el punto de vista químico, las enzimas están formadas de carbono (C), Hidrógeno (H), oxigeno (O), Nitrógeno (N), y Azufre (S) combinados, pero siempre con peso molecular bastante elevado y común propiedades catalíticas especificas.
En términos generales los catalizadores se caracterizan por las siguientes propiedades:

1º. Son eficaces en pequeñas cantidades. Tienen un número de recambio alto, que varia entre 100 y 36 millones (anhidrasa carbónica). El número de recambio o actividad molar, se define como la cantidad de substrato transformado en la unidad de tiempo por una cantidad dada de enzima, por Ej. La catalasa hidroliza 5,6 * 105 moléculas de H2 O2 por molécula de enzima por minuto, por lo que su número de recambio es 5,6 * 105.

2º. No se alteran durante las reacciones en que participan.
3º. Aceleran el proceso para la obtención del equilibrio de una reacción reversible.
4º. Muestran especificidad. La acción de la enzima es extremadamente selectiva sobre un substrato específico.

Las enzimas tienen pesos moleculares que oscilan entre 12,000 y Un millón. Algunas enzimas son proteínas conjugadas; ya que poseen un grupo no proteico o prostético, por Ej. Un azúcar - glucoproteínas, un lípido –lipoproteína, un ácido nucleico –nucleoproteínas.

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

La sede de las enzimas es el citoplasma. Los cloroplastos vegetales contienen una amplia gama enzimas encargadas de la función clorofílica, proceso que a través de reacciones químicas complejas y encadenadas transforman compuestos inorgánicos, como el agua, y el anhídrido carbónico, en sustancias complejas adecuadas para ser entre otras cosas el alimento fundamental de los animales.
En las mitocondrias existe un sistema de transporte de electrones que determinan importantes fenómenos de oxidorreducción, durante los cuales se forman notables cantidades de ATP, que es un compuesto altamente energético del que depende la mayor parte de metabolismo, y coma, por tanto el trabajo de las células; en las mitocondrias se produce el metabolismo enzimático de los ácidos grasos, los cuales son en parte elaborados también en el citoplasma.
En los ribosomas tiene lugar concretamente todas la s síntesis de las sustancias proteicas, mientras que en los lisosomas se producen enzimas hidrolíticos cuya misión escindir, con la intervención del agua, moléculas grandes en otras menores, que pueden a su vez ser utilizadas por las células; en cambio, las enzimas glucolíticos están difundidos en el citoplasma.
La localización de las sedes de las distintas operaciones enzimáticas antes mencionadas ha sido posible a través del sistema de ruptura de las células y de la separación de los distintos componentes mediante centrifugación diferencial del homogeneizado de estas la ruptura celular y la subdivisión de los componentes subcelulares se realizan actualmente utilizando los tejidos, por ejemplo con saltos bruscos desde temperaturas inferiores a 0° C hasta temperaturas mas elevadas con cambios de presión osmótica o mediante ultrasonidos.
Una enzima completa se denomina holoenzima, y esta formada por una parte proteica (apoenzima) y un cofactor no proteico (coenzima):

HOLOENZIMA = APOENZIMA + COENZIMA

Entre los cofactores que requieren las enzimas para su funcionamiento estan las coenzimas: NADPH+H (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido), NAD (nicotinamida adenina dinucleótido), FAD (flavina adenina dinucletido), piridoxal, biotina, tiamina, acido tetrahidrofólico, cobalamina de los minerales para el buen funcionamiento y crecimiento de las plantas.

ACTIVADORES ENZIMATICOS
Es cualquier factor que permita por una parte atraer al sustrato a su centro activo; además, algo que permita la rápida salida de los productos también pude considerarse como un activador. Así se reconocen diversas posibilidades:
1.Activación iónica. Numerosos metales monodivalentes son necesarios para la actividad enzimática de diversos sistemas. Destacan entre ellos los siguientes: K+, Mn++, Mg++, Ca++, Fe+++, Cu+, Cu++, etc. A menudo el metal, a estas condiciones, es el centro que permite la unión conjunta del sustrato, de la coenzima y de la misma apoenzima con la que forma quelatos (de chelos, garra; complejos moleculares sostenidos por un metal) al unirse con grupos cargados eléctricamente. Muy a menudo se demuestra que es posible sustituir los metales divalentes entre ellos, sin grandes modificaciones de la velocidad de la reacción.
Los metales como el hierro, el cobre y el molibdeno, actúan a menudo como transportadores de electrones y no se les puede considerar activadores en el sentido estricto pues forman parte integral del grupo prostético. Algunos aniones también son necesarios para la actividad de ciertas enzimas; bien conocido es el caso del Cl-, el que puede sustituirse, a un cuando con baja de la velocidad, por Br-, para la amilasa salival; o el propio radical fosfato que se requiere en reacciones de fosforilación.
2. Activación por el grupo prostético. En determinadas reacciones estos son indispensables para el trabajo de la enzima y constituyen, en rigor, la parte funcional activa del sistema.
3.Activación de la apoenzima. Consiste en la obtención de una correcta estructura del centro activo de la proteína con actividad enzimática, ya referido anteriormente.
Varias enzimas sólo pueden funcionar en presencia de uno o más iones o de determinadas moléculas llamadas activadores enzimáticos. Estas moléculas no toman parte directa en la acción, pero mantienen a la enzima, en un estado catalítico activo. Entre los iones más comunes encontramos al potasio (K+), el magnesio (Mg++), el calcio (Ca++), el cobalto (Co++), el zinc (Zn++) y el aluminio (Al+++). A estas moléculas activadoras se les llama coenzimas y también pueden ser proteínas.

Función de los grupos enzimáticos
1. Oxido-reductasas: Son las enzimas relacionadas con las oxidaciones y las reducciones biológicas que intervienen de modo fundamental en los procesos de respiración y fermentación. Las oxidorreductasas son importantes a nivel de algunas cadenas metabólicas, como la escisión enzimática de la glucosa, fabricando también el ATP, verdadero almacén de energía. Extrayendo dos átomos de hidrógeno, catalizan las oxidaciones de muchas moléculas orgánicas presentes en el protoplasma; los átomos de hidrógeno tomados del sustrato son cedidos a algún captor.
En esta clase se encuentran las siguientes subclases principales: Deshidrogenasas y oxidasas. Son más de un centenar de enzimas en cuyos sistemas actúan como donadores, alcoholes, oxácidos aldehídos, cetonas, aminoácidos, DPNH2, TPNH2, y muchos otros compuestos y, como receptores, las propias coenzimas DPN y TPN, citocromos, O2, etc.
2. Las Transferasas: Estas enzimas catalizan la transferencia de una parte de la molécula (dadora) a otra (aceptora). Su clasificación se basa en la naturaleza química del sustrato atacado y en la del aceptor. También este grupo de enzimas actúan sobre los sustratos mas diversos, transfiriendo grupos metilo, aldehído, glucósido, amina, sulfató, sulfúrico, etc.
3. Las Hidrolasas: Esta clase de enzimas actúan normalmente sobre las grandes moléculas del protoplasma, como son la de glicógeno, las grasas y las proteínas. La acción catalítica se expresa en la escisión de los enlaces entre átomos de carbono y nitrógeno (C-N) o carbono oxigeno (C-O); Simultáneamente se obtiene la hidrólisis (reacción de un compuesto con el agua) de una molécula de agua. El hidrógeno y el oxidrilo resultantes de la hidrólisis se unen respectivamente a las dos moléculas obtenidas por la ruptura de los mencionados enlaces. La clasificación de estas enzimas se realiza en función del tipo de enlace químico sobre el que actúan. A este grupo pertenecen proteínas muy conocidas: la pepsina, presente en el jugo gástrico, y la tripsina y la quimiotripsina, segregada por el páncreas. Desempeñan un papel esencial en los procesos digestivos, puesto que hidrolizan enlaces pépticos, esféricos y glucosiditos.
4. Las isomerasas: Transforman ciertas sustancias en otras isómeras, es decir, de idéntica formula empírica pero con distinto desarrollo. Son las enzimas que catalizan diversos tipos de isomerización, sea óptica, geométrica, funcional, de posición, etc. Se dividen en varias subclases.
Las racemasas y las epimerasas actúan en la racemización de los aminoácidos y en la epimerización de los azúcares. Las primeras son en realidad pares de enzimas específicas para los dos isómeros y que producen un solo producto común. Las isomerasas cis – trans modifican la configuración geométrica a nivel de un doble ligadura. Las óxido – reductasas intramoleculares catalizan la interconversión de aldosas y cetosas, oxidando un grupo CHOH y reduciendo al mismo tiempo al C = O vecino, como en el caso de la triosa fosfato isomerasa, presente en el proceso de la glucólisis ; en otros casos cambian de lugar dobles ligaduras, como en la (tabla) isopentenil fosfato isomerasa, indispensable en el cambio biosinético del escualeno y el colesterol. Por fin las transferasas intramoleculares (o mutasas) pueden facilitar el traspaso de grupos acilo, o fosforilo de una parte a otra de la molécula, como la lisolecitina acil mutasa que transforma la 2 – lisolecitina en 3 – lisolecitina, etc. Algunas isomerasa actúan realizando inversiones muy complejas, como transformar compuestos aldehídos en compuestos cetona, o viceversa. Estas ultimas desarrollan una oxidorreducción dentro de la propia molécula (oxidorreductasa intramoleculares) sobre la que actúan, quitando hidrógeno, a algunos grupos y reduciendo otros; actúan ampliamente sobre los aminoácidos, los hidroxácidos, hidratos de carbono y sus derivados.
5. Las Liasas: Estas enzimas escinden (raramente construyen) enlaces entre átomos de carbono, o bien entre carbono y oxigeno, carbono y nitrógeno, y carbono y azufre. Los grupos separados de las moléculas que de sustrato son casi el agua, el anhídrido carbónico, y el amoniaco. Algunas liasa actúan sobre compuestos orgánicos fosforados muy tóxicos, escindiéndolos; otros separan el carbono de numerosos sustratos.
6. Las Ligasas: Es un grupo de enzimas que permite la unión de dos moléculas, lo cual sucede simultáneamente a la degradación del ATP, que, en rigor, libera la energía necesaria para llevar a cabo la unión de las primeras. Se trata de un grupo de enzimas muy importantes y recién conocidas, pues antes se pensaba que este efecto se llevaba a cabo por la acción conjunta de dos enzimas, una fosfocinasa, para fosforilar a una sustancia A (A + ATP A - ℗ + ADP) y una transferasa que pasaría y uniría esa sustancia A, con otra, B (A -℗ + B A – B + Pi). A este grupo pertenecen enzimas de gran relevancia reciente, como las aminoácido –ARNt ligasas conocidas habitualmente con el nombre de sintetasas de aminoácidos –ARNt o enzimas activadoras de aminoácidos que representan el primer paso en el proceso biosintético de las proteínas, y que forman uniones C-O; las ácido-tiol ligasas, un ejemplo típico de las cuales es la acetil coenzima. A sintetasa, que forma acetil coenzima. A partir de ácido acético y coenzima A; las ligasas ácido – amoniaco (glutamina sintetasa), y las ligasas ácido-aminoácido o sintetasas de péptidos, algunos de cuyos ejemplos más conocidos son la glutación sintetasa, la carnosina sintetasa, etc.
La acción de estas enzimas se manifiesta con la formación de enlaces entre átomos de carbono y oxigeno de diversas moléculas, o bien entre carbono y azufre, carbono y nitrógeno y carbono y carbono. Las ligasas utilizan siempre, para el proceso de reacción, la energía proporcionada por el ATP o compuestos homólogos que son degradados, Por consiguiente las enzimas de esta clase son los únicos que intervienen en reacción no espontánea desde un punto de vista termodinámico; Actúan sobre los sustratos más diversos y revisten particular importancia en el metabolismo de los ácidos nucleicos. Estas reacciones enzimáticas se desarrollan en dos tiempos: en el primero se forma un complejo intermedio con potencia energética muy alta-, en el segundo utilizan la energía obtenida para realizar la reacción de síntesis.

CATÁLISIS MOLECULAR
Un catalizador modifica la velocidad de una reacción química sin ser utilizado o aparecer como uno de los productos de la reacción. Una reacción química en la que un substrato (S) se transforma en un producto (P), ocurre por cierta fracción de moléculas de S, posee mucha mas energía que el resto de ellas, lo que es suficiente para que alcancen un estado activado, en el que pueda formarse o romperse un enlace químico y se forme el producto (P).

La energía de activación es la cantidad de energía expresada en calorías, necesaria para que todas las moléculas de un mol, a una temperatura dada alcancen el estado reactivo.

Mientras que, el estado de transición es el estado rico en energía de las moléculas que interaccionan en la cima de la barrera de activación. La velocidad de una reacción química es proporcional a la concentración del complejo en el estado de transición.

Una reacción química se puede acelerar de la siguiente forma.

1. Al aumentar la temperatura se incrementa la energía cinética, por lo que es mayor el número de moléculas que alcanzan el estado de transición. Generalmente el Q10 =2, lo que indica que la velocidad de una reacción química se duplica al aumentar la temperatura en 100 C.
2. Añadiendo un catalizador, que disminuye la energía de activación y aumenta la velocidad de reacción.

La enzima (E), se combina con el substrato (S) formando el complejo de transición, enzima-substrato (E-S), mediante una reacción reversible, cuya energía de activación es menor que la de la reacción no canalizada. Cuando se forma el producto de la reacción (P), se regenera de nuevo la enzima (E) de forma libre, la que puede combinarse de nuevo con otra molécula de substrato (S).


ALGUNAS PREGUNTAS PARA EL EXAMEN DE ENZIMAS

1. (Múltiple Elección): La actividad de un enzima es sensible a factores como
A) El pH
B) la temperatura
C) la presencia o ausencia de cofactores
D) la cantidad de enzima que se va consumiendo a lo largo de la reacción

2. (Múltiple Elección): Los cofactores
A) Son fundamentales para la actividad de muchos enzimas
B) pueden llegar a participar en el mecanismo de la reacción
C) son siempre moléculas orgánicas complejas
D) pueden unirse covalentemente al enzima

3. (Múltiple Elección): En un enzima, el centro activo
A) Es el lugar al que se une el sustrato
B) no participa en el mecanismo de la reacción, sino sólo en la unión del sustrato
C) participa tanto en la unión del sustrato como en el mecanismo de la reacción
D) permite seleccionar el tipo de sustratos que se van a unir al enzima

4. (Múltiple Elección): Los catalizadores son sustancias
A) Que se unen al enzima por su centro activo
B) que se consumen rápidamente durante la reacción, pero contribuyen a que sea más rápida
C) que no hacen posibles las reacciones que no son espontáneas
D) que pueden ser tanto orgánicas como inorgánicas

5. (Múltiple Elección): Al estudiar la cinética de un enzima michaeliano (V0 frente a [S]0) se observa que
A) A [S]0 pequeñas, la reacción es de primer orden
B) a [S]0 pequeñas, la reacción es de orden cero
C) a [S]0 grandes, la reacción es de primer orden
D) a [S]0 grandes, la reacción es de orden cero

6. (Múltiple Elección): Si la KM de un enzima para un sustrato es muy elevada, puedo suponer que
A) Se trata del sustrato natural
B) el complejo enzima-sustrato (ES) es muy estable
C) el enzima tiene poca afinidad hacia ese sustrato
D) la velocidad a la que se forma el complejo ES es menor que la velocidad a que se destruye

7. (Múltiple Elección): Un inhibidor competitivo
A) Tiene una estructura parecida al sustrato natural
B) se une al centro activo del enzima
C) también se llama cofactor
D) disminuye la velocidad de la reacción

8. (Múltiple Elección): La energía de activación
A) Es la que se desprende en el transcurso de una reacción
B) aumenta por la acción de los catalizadores
C) no se ve afectada por la acción de los catalizadores
D) disminuye por la acción de los catalizadores

9. (Múltiple Elección): En la formación del complejo enzima-sustrato
A) El sustrato se une al enzima en un lugar cercano al centro activo
B) el sustrato se suele unir al centro activo por complementariedad de estructuras
C) el sustrato puede provocar cambios conformacionales en el centro activo
D) se debilitan los enlaces químicos de la molécula de sustrato

10. (Múltiple Elección): La enzima catalasa es:
A) Una oxidorreductasa
B) una liasa
C) una transferasa
D) una isomerasa

11. (Múltiple Elección): Los cofactores
A) son fundamentales para la actividad de muchos enzimas
B) pueden llegar a participar en el mecanismo de la reacción
C) son siempre moléculas orgánicas complejas
D) pueden unirse covalentemente al enzima

12. (Múltiple Elección): El número de reacciones elementales que realiza un enzima por cada centro activo y por unidad de tiempo se define como
A) Unidad de actividad enzimática
B) actividad específica
C) especificidad
D) número de recambio

13. (Múltiple Elección): La representación de Lineweaver-Burk aplicada a un enzima michaeliano origina una recta en la que el valor KM/Vmax corresponde a
A) La pendiente
B) la ordenada en el origen
C) la abscisa en el origen
D) al punto de inflexión

14. (Múltiple Elección): Los enzimas alostéricos
A) Pueden variar mucho su velocidad en respuesta a pequeños cambios en la [S]0
B) presentan una gráfica v0 frente a [S]0 con forma sigmoidea
C) son aquéllos en los que el sustrato no se une al centro activo
D) siguen el modelo cinético de Michaelis-Menten

15. (Múltiple Elección): Se define katal como la cantidad de enzima que cataliza la conversión de
A) 1 mol de sustrato por minuto
B) un mol de sustrato por minuto
C) un mol de sustrato por segundo
D) 1 mol de sustrato por segundo

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