EnzimasLas enzimas son proteínas reguladoras que ayudan en muchas de las reacciones y procesos en las células vivas. El ADN de una célula contiene el plan maestro para la creación de las enzimas que son necesarias en los procesos vitales y en las enzimas que ayudan a la replicación del ADN y, de hecho, ayuda haciendo otras copias de sí mismas y de otras proteínas. Una perspectiva sobre las enzimas es que facilitan muchas reacciones químicas, que de otro modo serían demasiado lenta para sostener los sistemas vivos. Pueden tener sitios de unión que mantienen dos o más de otras moléculas para facilitar su unión entre sí, y también un sitio de unión para la ATP que proporciona la energía necesaria para llevar a cabo la unión. Esta representación de la acción enzimática sigue el patrón de Karp. Representa la acción de la enzima hexoquinasa en el primer paso de la vía de la glucólisis para la descomposición de la glucosa. El curso de la reacción se grafica en términos de la energía libre de Gibbs G y se puede ver que esta reacción avanza en la dirección directa ya que la energía libre final es 4 kcal/mol más baja que el estado inicial. Sin embargo, el curso de tales reacciones requiere energía para romper y/o hacer enlaces químicos, por lo que normalmente se requiere energía como energía de activación EA para producir el estado de transición entre los estados inicial y final. Las notables enzimas proteicas, como la hexocinasa, se fabrican únicamente en células vivas y son muy específicas de las reacciones que catalizan. En este ejemplo, la acción de la enzima facilita la formación del estado de transición y reduce la cantidad de energía requerida para alcanzar este estado. Un breve resumen de las propiedades de tales enzimas:
Las enzimas necesitan frecuentemente la ayuda de otras moléculas llamadas coenzimas, para facilitar su trabajo. |
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Las Enzimas Facilitan las Reacciones BioquímicasLas enzimas son proteínas reguladoras que ayudan en muchas de las reacciones y procesos en las células vivas.
Con la ayuda de estas enzimas, las reacciones bioquímicas ocurren a una velocidad increíble y proporcionan las moléculas biológicas necesarias a un ritmo que hace posible los procesos vitales. Uno de los ejemplos clásicos de la acción enzimática es el de la OMP descarboxilasa, una enzima que cataliza la producción de nucleótidos de pirimidina. Sin la acción enzimática, se necesitarían 78 millones de años para convertir la mitad de los reactivos en productos. ¡La acción catalítica de la OMP descarboxilasa acelera la reacción en un factor de 1,4 x 1017 de modo que esto se logra en unos 20 milisegundos! Una enzima crucial para el proceso respiratorio es la enzima anhidrasa carbónica que gestiona la conversión de dióxido de carbono y agua en bicarbonato para el transporte del CO2 a los pulmones en forma de bicarbonato para lograr la amortiguación necesaria para mantener el pH del cuerpo en el estrecho rango requerido. Esta enzima es una de las más rápidas que se conocen, catalizando hasta un millón de reacciones por segundo. ¿Cómo se logra un aumento tan grande en la velocidad con el uso de enzimas?. Una parte de la respuesta se aborda en el gráfico de la energía libre G en el transcurso de una reacción. La catálisis enzimática permite que la reacción se lleve a cabo con una energía de activación más baja y, por lo tanto, una fracción más grande de las moléculas reaccionantes tendrá una energía cinética más alta que en el estado de transición. Un factor importante para determinar la velocidad es la formación de complejos enzima-sustrato, como se ilustra arriba. Las formas complementarias de los sitios activos de los catalizadores hacen mucho más probable que las moléculas de los reactivos alcancen las posiciones y orientaciones adecuadas para permitir que ocurra la reacción. Las reacciones no catalizadas dependen de colisiones entre moléculas de alta velocidad en orientaciones aleatorias. Además de las formas y orientaciones complementarias de las regiones activas de las enzimas, otras características pueden contribuir a la catálisis:
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Regulación de Reacciones EnzimáticasLa asombrosa velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas permite que las reacciones bioquímicas necesarias operen a la "velocidad de la vida", segun cita Ahearn. Pero no se debe permitir que tales reacciones operen a toda velocidad continuamente, sino que deben responder al nivel de necesidad en las condiciones variables de las células vivas. Las reacciones catalizadas por enzimas se pueden describir en términos de la tasa o velocidad de formación del producto en función de la concentración del sustrato suministrado.
El número de rotación también se denomina constante catalítica, kcat. Si bien los números de recambio típicos pueden estar en el rango de 1 a 1000, ¡la notable enzima anhidrasa carbónica puede llegar a 106!. Otro término utilizado en la descripción de la catálisis es el valor de la concentración de sustrato [S] que está asociado a una velocidad V igual a la mitad de la máxima Vmax/2. Este valor se llama KM y se denomina constante de Michaelis. Se puede usar en una relación para la velocidad de reacción V llamada ecuación de Michaelis-Menten, que se puede usar para producir el gráfico descriptivo anterior.
Los gráficos anteriores se pueden usar para evaluar los efectos de los inhibidores de enzimas que se usan para regular la salida del producto a niveles apropiados para satisfacer las necesidades de una célula. Los inhibidores de enzimas generalmente toman la forma de moléculas que se unen a la enzima para disminuir su producción. Los inhibidores de enzimas pueden fabricarse como medicamentos, antibióticos o pesticidas, ya que pueden usarse para controlar procesos bioquímicos no deseados. Los inhibidores competitivos son moléculas que se unen débilmente a la enzima y, por lo tanto, son reversibles, pero actúan para disminuir la actividad de la enzima compitiendo por el sitio activo de la enzima. Los sitios activos en las enzimas suelen tener alguna forma de geometría complementaria que se adapta al sustrato, por lo que los inhibidores competitivos pueden compartir algunas de esas características geométricas para que puedan competir para unirse a la enzima. Tal inhibición competitiva es la base para el diseño de muchas drogas comunes. Los inhibidores no competitivos son inhibidores reversibles que se unen a un sitio diferente de la enzima y, por lo tanto, no compiten por unirse al sitio activo normal. En este caso, la cantidad de inhibición solo depende de la concentración del inhibidor y el aumento de la cantidad de sustrato no la superará. Como se muestra en los gráficos a continuación, la inhibición no competitiva reducirá la Vmax alcanzable. La inhibición competitiva permite alcanzar una Vmax comparable a la Vmax no inhibida, pero requerirá una mayor concentración de sustrato [S]. Los inhibidores irreversibles son agentes que se unen fuertemente a una enzima, formando a menudo enlaces covalentes con uno de los aminoácidos contenidos en la enzima. Dichos inhibidores pueden detener por completo un proceso bioquímico y formar fármacos o venenos potentes. Algunos gases nerviosos y pesticidas organofosforados actúan como inhibidores irreversibles de la acetilcolinesterasa.. Esa enzima normalmente descompone la acetilcolina que estimula la contracción muscular. Con esa enzima bloqueada, la acetilcolina sigue estimulando al músculo para que permanezca en estado de contracción permanente. El antibiótico penicilina actúa como un inhibidor irreversible de una enzima clave en la formación de la pared celular bacteriana.
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