Apuntes de Biología: Enzimas, estructura, función y clasificación

Introducción: Conceptos fundamentales

T4. Apuntes sobre enzimas Introducción: Conceptos fundamentales

1. ¿ Qué son las enzimas? Las enzimas son biocatalizadores proteicos que aceleran la velocidad de las reacciones químicas en los organismos vivos, reduciendo la energía de activación necesaria. Aunque la mayoría son proteínas, algunas moléculas de ARN (ribozimas) también actúan como enzimas.

• Las enzimas están formadas por cadenas polipeptídicas que adoptan estructuras tridimensionales específicas (estructura terciaria o cuaternaria).

• Su actividad depende de la conservación de su estructura, la cual puede desnaturalizarse por cambios extremos en pH, temperatura o agentes químicos.

1. Estructura de las Enzimas

Partes principales de las enzimas

1. Partes principales:

• Centro activo: Región específica donde el sustrato se une y se lleva a cabo la reacción catalítica. Contiene residuos de aminoácidos esenciales para la unión al sustrato y para la catálisis.

• Centro alostérico: Región (distinta del centro activo) donde se unen moléculas reguladoras llamadas moduladores alostéricos. La unión de los moduladores puede aumentar (activadores) o disminuir (inhibidores) la actividad enzimática.

Estructura general de las enzimas

1. Estructura general:

• Dominio catalítico: Responsable de la reacción química.

• Dominio de union al sustrato: Interactúa específicamente con el sustrato, lo que determina la especificidad enzimática.

Cofactores: tipos y modo de acción

1. Cofactores (tipos y modo de acción)
2. Cofactores:

• Moléculas no proteicas necesarias para la actividad enzimática.

• Pueden ser: lones metálicos: (Ej. Fe2+, Mg2+, Zn2+) estabilizan la estructura del enzima o participan directamente en la reacción. Coenzimas: Moléculas orgánicas pequeñas, como NAD+, FAD o coenzima A, que actúan como transportadores de grupos químicos.

Modo de acción de los cofactores

1. Modo de acción de los cofactores:

• Los cofactores se unen transitoriamente o de manera permanente a la enzima. Sin ellos, muchas enzimas no son funcionales.

Regulación de la actividad enzimática

1. Regulación de la actividad enzimática
2. Moduladores alostéricos:

• Se unen al centro alostérico, alterando la conformación de la enzima, pueden ser activadores o inhibidores. Ejemplo: La fosfofructoquinasa, regulada por ATP (inhibidor) y AMP (activador).

Inhibición enzimática

1. Inhibición enzimática:

• Tipos de inhibidores: Reversibles: Unión no permanente a la enzima, lo que permite la recuperación de su actividad. Competitiva: El inhibidor compite con el sustrato por el centro activo (puede superarse con más sustrato). No competitiva: El inhibidor se une a otro sitio de la enzima, reduciendo la actividad sin afectar la unión del sustrato. Acompetitiva: El inhibidor se une solo al complejo enzima-sustrato, bloqueando el progreso de la reacción. Irreversibles: El inhibidor forma un enlace covalente con la enzima, desactivandolo permanentemente.

Mecanismos de regulación enzimática

1. Mecanismos de regulación:

• Inhibición por producto final: Mecanismo de retroalimentación en vías metabólicas.

• Modificaciones covalentes: Como fosforilación o acetilación, que alteran la actividad enzimática.

• Control génico: Regulación a nivel de expresión de la enzima.

• Isoenzimas: enzimas con la misma función pero específicos de tejido

Especificidad de sustrato de las enzimas

1. Especificidad de sustrato de las enzimas La especificidad enzimática se refiere a la capacidad de una enzima para reconocer y catalizar un único sustrato o un grupo reducido de moléculas similares.

• Claves de la especificidad:

• Forma del centro activo: Se ajusta al sustrato (como una "llave en una cerradura" o mediante un "ajuste inducido.")

• Enlaces químicos: La unión al sustrato depende de interacciones específicas (puentes de hidrógeno, enlaces iónicos, interacciones hidrofóbicas). Ejemplo: La ureasa cataliza exclusivamente la hidrólisis de la urea.

Isoenzimas

1. Isoenzimas Las isoenzimas son formas diferentes de una misma enzima que catalizan la misma reacción química pero difieren en su estructura primaria, propiedades cinéticas o localización tisular.

Características de las isoenzimas

1. Características:

• Se derivan de genes distintos o son producto de modificaciones postraduccionales.

• Su actividad refleja la función de tejidos específicos.

Ejemplos clínicos de isoenzimas

1. Ejemplos clínicos:

• Lactato deshidrogenasa (LDH): LDH-1 (corazón y eritrocitos). LDH-5 (hígado y músculo esquelético).

• Creatina quinasa (CK): CK-MM (músculo esquelético). · CK-MB (músculo cardíaco). = CK-BB (cerebro).

Importancia clínica de las isoenzimas

1. Importancia clínica:

• Permiten identificar el origen tisular del daño en condiciones como infartos de miocardio, enfermedades hepáticas o musculares.

Mecanismo de acción enzimática

1. Mecanismo de acción enzimática
2. La enzima se une al sustrato formando el complejo enzima-sustrato.
3. El complejo facilita la transformación del sustrato en producto, reduciendo la energía de activación.
4. Una vez formado el producto, la enzima se libera intacta y puede reutilizarse.

Clasificación de enzimas según función y localización

Desarrollo a) Enzimas. Clasificación según su función y localización

Clasificación de enzimas según su función (IUBMB)

1. Clasificación según su función (IUBMB) Las enzimas se clasifican en 6 grandes grupos, según el tipo de reacción que catalizan:

• 1. Oxidorreductasas: Catalizan reacciones redox (transferencia de electrones o hidrógenos). · Ejemplo: Lactato deshidrogenasa (LDH).

• 2. Transferasas: Catalizan reacciones de transferencia de grupos funcionales entre moléculas. Ejemplo: Alanina aminotransferasa (ALT), aspartato aminotransferasa (AST)

• 3. Hidrolasas: Catalizan reacciones de hidrólisis: la ruptura de enlaces mediante agua. · Ejemplo: Amilasa, fosfatasa ácida

• 4. Liasas: Catalizan reacciones en las que se elimina un grupo funcional del compuesto con formación de un doble enlace, no participa el agua ni reacciones redox. Ejemplo: Aldolasa, desaminasas

• 5. Isomerasas: Catalizan la reorganización de isómeros dentro de una molécula (y por tanto, cambios en la geometría de las moléculas) Ejemplo: Fosfoglucoisomerasa.

• 6. Ligasas (o sintetasas): Forman enlaces uniendo dos moléculas utilizando energía de ATP. · Ejemplo: DNA ligasa, piruvato carboxilasa

Localización de las enzimas

1. Localización:

• Enzimas intracelulares: Localizadas dentro de las células, participan en procesos metabólicos específicos. · Ejemplo: Creatina quinasa (CK).

• Enzimas extracelulares: Actúan fuera de las células, como en el plasma o el tracto digestivo. Ejemplo: Amilasa y lipasa.

• Enzimas de membrana: Están ancladas en la membrana celular y participan en transporte o señalización. Ejemplo: Adenilato ciclasa.

Determinación de la actividad enzimática

b) Determinación de la actividad enzimática La actividad enzimática se mide como la velocidad de la reacción que cataliza, lo que depende de:

• Sustrato: La concentración y afinidad del sustrato.
• Condiciones: Temperatura, pH, y presencia de cofactores o inhibidores. La unidad internacional (UI) se define como la cantidad de enzima que cataliza la conversión de 1 micromol de sustrato por minuto bajo condiciones estándar.

Técnicas para determinar enzimas en el laboratorio clínico

c) Técnicas para determinar enzimas en el laboratorio clínico La determinación de enzimas en el laboratorio clínico permite evaluar su actividad, concentración o presencia específica en distintas muestras biológicas. Los enfoques incluyen métodos cinéticos, inmunológicos y electroquímicos. Técnicas Principales:

Métodos espectrofotométricos enzimáticos

1. Métodos espectrofotométricos enzimáticos:

• Fundamento: La actividad enzimática se mide en función del cambio en la absorbancia provocado por la conversión del sustrato en producto. Este cambio puede deberse a la aparición o desaparición de compuestos absorbentes a una determinada longitud de onda

• Ejemplos: ALT (alanina aminotransferasa): Se mide la formación de piruvato, que reacciona con 2,4-dinitrofenilhidrazina. · LDH (lactato deshidrogenasa): Basado en la oxidación/reducción del NADH, con cambio de absorbancia a 340 nm.

• Ventajas: Alta precisión y reproducibilidad. Posibilidad de realizar medidas continuas para evaluar la cinética enzimática.

• Limitaciones:Interferencias por hemólisis o turbidez de la muestra.

Métodos electroquímicos

1. Métodos electroquímicos:

• Fundamento: Detección de cambios en potencial eléctrico o corriente, generados por reacciones catalizadas por enzimas.

• Ejemplo: Glucosa oxidasa para cuantificar glucosa.

• Aplicación: Sensores específicos, como biosensores para metabolitos.

Inmunoensayos (ELISA)

1. Inmunoensayos (ELISA):

• Fundamento: Uso de anticuerpos específicos para detectar enzimas o sus isoformas.

• Ejemplo: Detección de troponinas cardíacas con actividad enzimática.

• Ventajas: Alta especificidad. Ideal para isoenzimas o enzimas de baja concentración.

Métodos espectrofotométricos colorimétricos

1. Métodos espectrofotométricos colorimétricos:

• Fundamento: Reacciones enzimáticas que generan productos coloreados medibles a longitudes de onda específicas.

• Ejemplo: Determinación de fosfatasa alcalina con sustratos cromogénicos.

Muestras utilizadas para enzimas

Muestras Utilizadas:

• Suero o plasma: Para la mayoría de las enzimas (e.g., ALT, AST, CK).
• Orina: Amilasuria o enzimas filtradas.
• Líquido cefalorraquídeo: En enfermedades neurológicas.
• Tejidos o biopsias: Para enzimas específicas localizadas.

Factores a considerar en la determinación enzimática

Factores a Considerar:

1. Condiciones de la muestra:

• Hemolisis: Puede liberar enzimas intracelulares como LDH y CK.

• Lípidos o turbidez: Interfieren con mediciones espectrofotométricas.

• Tiempo de procesamiento: Las enzimas son lábiles; se recomienda procesar rápidamente.

1. Variables fisiológicas:

• Edad, sexo, ejercicio físico, alimentación y ciclos circadianos afectan la actividad enzimática.

1. Referencias: Comparación con rangos establecidos para cada población.

Verificación de Calibración de Equipos

d) Verificación de Calibración de Equipos

• Uso de materiales de referencia certificados y soluciones patrón.
• Comparación con estándares internacionales.
• Realización de controles internos (dentro del laboratorio) y externos (interlaboratorios).
• Ajuste y mantenimiento regular del equipo.

Enzimas determinadas habitualmente en el laboratorio

e) Enzimas determinadas habitualmente en el laboratorio Determinaciones habituales

Enzimas hepáticas

1. Hepáticas:

• ALT y AST: Marcadores de daño hepatocelular.

• Fosfatasa alcalina (FA): Indicadora de colestasis.

• GGT (gamma-glutamil transferasa): Asociada a consumo de alcohol y patologías biliares.

Enzimas pancreáticas

1. Pancreáticas:

• Amilasa: Aumentada en pancreatitis aguda y patologías salivales. Lipasa: Específica de pancreatitis.

Enzimas cardíacas

1. Cardíacas:

• CK-MB: Indicadora de infarto agudo de miocardio. Troponinas con actividad enzimática.

Otras enzimas

1. Otras:

• LDH: Indicador inespecífico de daño tisular.

• Fosfatasa ácida: Elevada en patologías prostáticas.

Estudios especiales de enzimas

Estudios Especiales:

• Colinesterasa: En toxicidad por pesticidas, preoperatorio
• 5'-Nucleotidasa: Diferenciación de colestasis intrahepática y extrahepática.
• Isoenzimas de LDH y CK: Estudios específicos de daño tisular.

Enzimas Hepáticas y Pancreáticas

f) Enzimas Hepáticas y Pancreáticas

Enzimas hepáticas principales

Hepáticas:

1. Principales:

• ALT: Predomina en el hígado, elevada en hepatitis, indicador sensible hep.

• AST: Menos específica, también presente en músculo y corazón.

• ALP/ FA: Elevada en obstrucción biliar o enfermedades óseas.

• GGT: Sensible a colestasis e ingesta alcohólica. Confirma el diagnóstico hepático de la FA.

Importancia clínica de enzimas hepáticas

1. Importancia Clínica:

• Diagnóstico y monitoreo de enfermedades hepáticas (hepatitis, cirrosis, colestasis).

Alteraciones de enzimas hepáticas

1. Alteraciones:

• Elevaciones en ALT/AST: Hepatitis vírica, tóxica o alcohólica.

• Elevación aislada de GGT: Alcoholismo crónico.

Enzimas pancreáticas principales

Pancreaticas:

1. Principales:

• Amilasa: Marcador temprano de pancreatitis aguda. Lipasa: Específica del páncreas, más sensible y duradera que la amilasa.

Alteraciones de enzimas pancreáticas

1. Alteraciones:

• Elevaciones en pancreatitis aguda, obstrucción biliar o tumores pancreáticos.