Metabolismo y Enzimas: características, cinética y regulación enzimática

Características de las Reacciones Metabólicas

El metabolismo es un conjunto complejo de reacciones químicas, que permiten realizar las funciones vitales, gracias a este se realizan intercambios de materia y energía.

Una reacción metabólica es aquella que ocurre entre biomoleculas presentes en un organismo. Todos los procesos vitales son consecuencia de las reacciones metabólicas. Hay una gran cantidad de reacciones metabólicas, pero existen unas características generales que permiten su clasificación:

• Las reacciones metabólicas actúan secuencialmente formando rutas metabólicas constituidas por varias o muchas de ellas. En estas rutas, el producto final de una reacción constituye la molécula de partida de la siguiente. Las rutas metabólicas son variadas y se conectan unas con otras. Esto hace que haya esta perfección y variedad en procesos químicos biológicos, pero hace que el estudio del metabolismo sea complejo.
• Existen rutas convergentes y divergentes. En las convergentes se obtiene el mismo producto final a partir de distintas moléculas de partida. En las divergentes una única molécula origina diferentes productos. Una determinada molécula puede formar parte de una ruta convergente y de otra divergente, originando itinerarios metabólicos, a veces muy complicados.
• A pesar de la variedad de seres vivos, las rutas metabólicas + impo. (energía) son comunes en la mayoría de los organismos. Es un apoyo a la hipótesis del origen único de los seres vivos. Además hay otras rutas específicas en distintas células u organismos que explican la variedad de funciones.
• Las reacciones metabólicas se pueden clasificar en: catabólicas, que son degradativas, es decir en ellas se pasa de moléculas + complejas a otras más sencillas. Su finalidad es la obtención de energía. Las reacciones anabólicas son constructivas y por tanto sirven para la síntesis de nuevas moléculas. En ellas es necesario un aporte de energía. Estas reacciones están interrelacionadas Se llaman rutas anfibólicas a las que participan tanto en el catabolismo como en el anabolismo. Algunos de los compuestos que aparecen en ellas conectan procesos productores de energía con reacciones biosintéticas.
• Todas las reacciones metabólicas son catalizadas, es decir, tienen unas ciertas moléculas que reciben el nombre de enzimas. Las enzimas forman un elemento fundamental en el metabolismo, ya que de su grado de actividad dependen la realización de las distintas reacciones metabólicas. Para cada una de estas reacciones existe una enzima diferente que permite su realización. La falta de una enzima provoca un defecto en una ruta metabólica. Esto se traduce en la imposibilidad de sintetizar algún producto o de usar cierto nutriente. Los organismos con diferencias enzimáticas son muy útiles en la investigación de las rutas metabólicas.

Enzimas

Los catalizadores biológicos/ biocatalizadores de las reacciones metabólicas son unas proteínas denominadas enzimas. Del grado de actividad de estos catalizadores dependen el tipo y la velocidad de las reacciones que se llevan a cabo entre los compuestos biológicos y en consecuencia los procesos vitales que derivan de ellos. Es evidente que el conocimiento de las enzimas es esencial para entender los mecanismos básicos de estas reacciones, que son imprescindibles para el mantenimiento de la actividad vital de los seres vivos. Todas las enzimas son proteínas; pero pueden estar formadas sólo por cadenas polipeptídicas o tener además otro grupo no proteico. En los casos en que la enzima consta solo de parte proteica, esta se encarga de fijar específicamente las moléculas que van a reaccionar (sustrato) y de llevar a cabo las reacciones sobre ellas. Para eso existen algunas partes de la cadena polipeptídica cuyos aminoácidos se unen a los sustratos (centro activo), y otras zonas que interaccionan con estos para que se produzca la reacción. En el caso + común, en el que existe, además de la cadena polipeptídica, otra molécula distinta distinta, la parte proteica recibe el nombre de apoenzima, y la parte no proteica se llama grupo prostético cuando su unión a la apoenzima es permanente, y cofactor cuando no lo es.

• La apoenzima se encarga de dar la estructura especial específica que permite la unión a los sustratos, moléculas sobre las que actúan las enzimas en las reacciones químicas.
• El cofactor o el grupo prostético son los componentes enzimáticos que llevan a cabo la reacción, es decir, la catálisis en sentido estricto.

Las Vitaminas

Bioquímicamente, las vitaminas tienen una gran importancia por su participación en los procesos metabólicos como coenzimas. Su carencia impide una adecuada acción de las enzimas correspondientes y puede producir importantes alteraciones metabólicas. Las vitaminas son moléculas muy débiles, es decir, pueden ser alteradas fácilmente. El calor, cambios en el pH o el oxígeno del aire o la luz provocan su destrucción. Los animales NO son capaces de sintetizar las vitaminas que necesitan, por lo que deben obtenerlas de los alimentos vegetales (también productos animales crudos como leche, queso,las tienen acumuladas). Para ellos son nutrientes esenciales, como ácidos grasos y algunos aminoácidos. Las necesidades diarias de las vitaminas son muy pequeñas, una dieta variada y rica en alimentos frescos nos dará las vitaminas necesarias. Las necesidades de algunas vitaminas se pueden satisfacer con la ingestión de otras moléculas llamadas provitaminas, que después de sufrir un pequeño cambio químico llevado a cabo en el organismo se origina la vitamina activa. El déficit de vitaminas en la alimentación puede generar trastornos y enfermedades graves. Son las hipovitaminosis. Un consumo excesivo de vitaminas provoca hipervitaminosis, que es menos frecuente, pero aparece en personas que ingieren preparados farmacéuticos don dosis elevadas.

• NOMENCLATURA DE LAS VITAMINAS: Antes se denominaban según la enfermedad que produce su carencia (antiescorbutica). Posteriormente se usaron letras para nombrarlas. En la actualidad se va imponiendo su nombre químico ( ácido ascórbico, tocoferol).

Clasificación de las Vitaminas

La composición química de las vitaminas es variada, pero se puede clasificar en 2 grupos, atendiendo a su solubilidad en agua:

• Liposolubles: son lipídicas, por lo que son insolubles en agua. Se acumulan en el hígado y otros lugares con tejido adiposo. Ej: A (retinol), D,E,K.
• Hidrosolubles: son solubles en agua y no se acumulan en los tejidos grasos. Ej: C, B1, B12, B5 ...

Propiedades de las Enzimas

Tienen las mismas propiedades que las prot. ya que su carácter es proteico, por lo que se desnaturalizan al ser sometidas a cambios de pH, a variaciones de temperatura y a elevadas concentraciones salinas; y presentan un alto grado de especificidad, en este caso tanto en la selección de los sustratos como en la reacción que catalizan sobre ellos. El grado de especificidad del sustrato, aunque normalmente es elevado, puede variar. Así, hay enzimas que tienen una especificidad absoluta y solo actúan sobre un tipo concreto de sustrato, llegando a diferenciar incluso estereoisómeros; y otras que por ejemplo, solo muestran especificidad con un grupo funcional, como las enzimas esterasas que llevan a cabo la saponificación de cualquier lípido, como grupos éster. Una molec. solo puede ser metabolizada por un ser vivo si este tiene la enzima adecuada. Si no es así, la molécula no tiene un uso metabólico y es eliminada en el curso evolutivo. La especificidad de la reacción significa que para cada tipo de reacción química, incluso realizada por un mismo sustrato, existe una enzima diferente, es decir, una enzima cataliza una sola reacción química o un grupo de reacciones muy relacionadas. Además de las propiedades citadas, las enzimas, por ser catalizadores, no se consumen durante la reacción, por lo que la misma molécula puede actuar repetidamente. Así, las necesidades enzimáticas son muy bajas, y cantidades mínimas de enzimas pueden transformar grandes cantidades de sustrato. Pero, como cualquier molécula biológica, las enzimas se alteran y se destruyen con el tiempo, por lo que existe una pérdida; por consecuencia, la misma molécula enzimática no actúa eternamente. Es necesaria una renovación periódica.

Mecanismo de las Reacciones Enzimáticas

Todas las reacciones químicas empiezan con la rotura de ciertos enlaces entre los átomos que forman las moléculas de los reactivos, para formar los nuevos enlaces que originarán los productos. Ese estado en el que los enlaces de los reactivos están debilitados o rotos, pero en el que aún no se han formado los nuevos, se llama estado de transición o estado activado. Para alcanzar el estado de transición y para que tenga lugar la reacción química, es necesario comunicar a los reactivos cierta cantidad de energía denominada energía de activación. La diferencia entre endotérmica y exotérmicas está en el balance energético global del proceso. Las primeras necesitan energía, mientras que las segundas la desprenden. Pero en ambos casos es necesaria la Ea para alcanzar el estado de transición.

Complejo activado H Energía de activación Reactivos ΔΗ< Ο Productos Transcurso de la reacción Complejo activado H Energía de activación Productos T AH > Ο Reactivos Transcurso de la reacción Reacción exotérmica Reacción endotérmica

En las reacciones espontáneas, la Ea es tan baja que se obtiene de la propia energía cinética de las moléculas o incluso de la luz que incide en el lugar de reacción. En las reacciones no espontáneas, esta energía es tan alta que no se producen si no se aplica calor. La acción catalizadora de las enzimas consiste en rebajar la Ea para B < llegar fácilmente al estado de transición y permitir que la reacción estado de transición se lleve a cabo. Es decir, sin la presencia de catalizador no es energía de activación posible alcanzar el estado de transición espontáneamente. Los catalizadores realizan su acción favoreciendo la aproximación energia libre- energia libre- de las moléculas de los reactivos, pero como no actúan como tales, sustrato sustrato no se consumen. Solo ayudan a que se produzca la reacción. Todas las reacciones metabólicas están catalizadas por enzimas. producto tiempo estado de transición energía de activación producto tiempo

• ETAPAS DE LAS REACCIONES CATALIZADAS: Cuando un sustrato se encuentra con la enzima correspondiente se produce la reacción catalizada, que tiene 3 etapas:
  1. El sustrato se une a la apoenzima formando el complejo enzima-sustrato/E-S. Esta unión se caracteriza por un alto grado de especificidad, de manera que para cada tipo de sustrato y de reacción se necesita una enzima concreta. La especificidad enzimática se debe a la estructura proteica de la apoenzima, que tiene una zona llamada centro activo, con una forma espacial característica donde se acopla el sustrato. Este acoplamiento se compara con el que existe entre una llave y su cerradura: solo puede abrir si tiene exactamente la misma forma, un mínimo cambio ya lo impide. La teoría de la llave-cerradura se considera correcta, aunque en la actualidad se ha demostrado que en algunas enzimas el centro activo es capaz de modificar su forma para adaptarse al sustrato. Esto es semejante a cuando pones la mano en un guante. La propia mano (S) hace que el guante (C.A.) se adapte mejor cuando se introduce en él. - > Modelo de ajuste inducido. La unión es reversible, ya que una parte del complejo ES se disocia, por lo que es más lenta (ya que tiene reversibilidad). E + S -> ES La unión de los radicales de los aminoácidos del centro activo al sustrato consigue debilitar sus enlaces. Esto provoca cambios energéticos que permite alcanzar + fácilmente el estado de transición. Substrate Substrate + Active site ES complex a C ES complex ৳ Enzyme Enzyme
  2. Formado el complejo enzima-sustrato, la coenzima lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final (P). Esta etapa es muy rápida e irreversible. ES -> E + P En el caso de no existir cofactores, la acción catalítica la realizan algunos aminoácidos del propio centro activo.
  3. El producto se libera del centro activo y la apoenzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato. La coenzima puede liberarse intacta o liberarse quedando modificada. ES -> E +P -> E O P