Universidad de San Carlos de Guatemala

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Química

Microbiología

Ing. Carlos Wong

Lectura Dirigida No. 2: Enzimas

Luis Emilio Garcia Laj

2012 13048

Guatemala, 17 de agosto del 2015

Objetivos

General

Llevar a cabo el estudio de las enzimas, así como entender su importancia en

las células vivas.

Específicos

1. Clasificar a las enzimas según el sitio en el que actúan.

2. Determinar las propiedades físicas y químicas de las enzimas.

3. Definir las condiciones que interfieren en la actividad enzimática.

4. Entender la importancia de la regulación de la actividad enzimática.

5. Dar a conocer los distintos métodos para la detección y medición de la

actividad enzimática.

6. Identificar a los agentes implicados en una reacción enzimática.

7. Establecer las principales fuentes de enzimas para la preparación de estas.

Introducción

Son diversas las actividades que debe llevar a cabo una célula viva para poder

desarrollarse y sobrevivir, como modificar los nutrientes del medio antes que

ingresen a ella y realizar los cambios necesarios una vez estos nutrientes estén

dentro. Algunos de estos materiales luego de ser asimilados, pasan a formar parte

de la célula, mientras que otros son desintegrados para aprovechar la energía que

se desprende de ellos, y de esta forma utilizar dicha energía en la síntesis. Todos

estos cambios resultan complejos si se considera tanto la cantidad de nutrientes

que puede ingresar a la célula así como la variedad de sustancias sintetizadas

como componentes celulares. Es aquí entonces donde surge la intrigante de cómo

la célula es capaz de realizar todo esto. La respuesta se encuentra en la actividad

de las enzimas, que son aquellas sustancias que se encuentran dentro de la célula

y que en cantidades muy pequeñas son capaces de realizar grandes cambios en

ella.

De cierto modo, es posible considerar a las enzimas las responsables del

proceso de la vida. Cualquier obstáculo en la actividad enzimática se ve reflejado

en algún cambio en la célula, hasta tal punto que pueda producirse su muerte. Por

lo tanto, para poder entender todo proceso asociado a la vida, es indispensable

conocer las reacciones que llevan a cabo las enzimas. A continuación se muestran

las principales características de las enzimas, así como las condiciones que

pueden afectar su actividad. De igual forma, se presenta la regulación en la

actividad enzimática, un aspecto muy importante para el control del metabolismo

de una célula.

Cuerpo de la investigación

¿Qué es una enzima?

Básicamente puede definirse a una enzima como un catalizador o agente

catalítico orgánico producido por las células vivas. Esto significa que son

sustancias que son capaces de acelerar las reacciones químicas sin intervenir en

ellas, y en este caso se habla específicamente de reacciones que ocurren en los

organismos vivos. Sin embargo, aunque la mayoría de las enzimas son producidas

dentro de las células, algunas son expulsadas mediante la pared celular y

funcionan en el medio celular. Esto es lo que permite entonces clasificar a las

enzimas de acuerdo con el sitio donde actúan:

Enzimas intracelulares o endoenzimas, cuya función principal es la de

sintetizar el material celular y llevar a cabo reacciones catabólicas para

desprender energía que posteriormente será aprovechada por la célula.

Enzimas extracelulares o exoenzimas, cuya función principal es llevar a

cabo todos los cambios pertinentes en los nutrientes del medio para

asegurar que ingresen a la célula en forma de alimento.

Propiedades físicas y químicas

Dado que las enzimas son proteínas o proteínas combinadas con otros grupos

químicos, se les atribuyen las mismas propiedades características de las

proteínas, que son:

Desnaturalización con el calor

Precipitación con el etanol o concentraciones elevadas de sales inorgánicas

No se dializan mediante membranas semipermeables

La mayoría de las enzimas son una proteína combinada a una molécula

orgánica que posee bajo peso molecular, denominada coenzima. La proteína en

este caso es conocida como apoenzima. Cuando se da la unión entre ambas, se

completa una enzima que recibe el nombre de haloenzima. La parte principal de

algunas coenzimas es una vitamina. A veces, la parte no proteica de una enzima

puede ser un metal, el cual puede estar bien ligado a la proteína o unido

flojamente de forma que se pueda disociar con facilidad, esto en función de la

naturaleza misma de la enzima. De la misma manera, muchas enzimas necesitan

de la adición de iones metálicos (Mg+2, Mn+2, Fe+3, entre otros) para activar su

función enzimática. La razón de esta adición es para que dichos iones actúen

paralelamente con la proteína de la enzima, y se les conoce como coenzimas

inorgánicas o cofactores.

Varias enzimas han sido extraídas de las células directamente mediante la

combinación de técnicas físicas y químicas, lo que ha permitido obtenerlas en

estado puro. Las moléculas en enzimas resultan bastante eficaces para acelerar la

conversión de sustratos en productos finales. Dicha propiedad junto con el hecho

de que las enzimas no interfieren durante la reacción, permiten inferir por qué es

necesario que la cantidad de las enzimas sea muy pequeña al llevar a cabo los

procesos celulares. También cabe mencionar que las enzimas son inestables en el

sentido a que son susceptibles a modificar su actividad dependiendo de las

condiciones físicas y químicas en las que se encuentren. Esto repercute en la

pérdida de funciones celulares en las que intervienen. Las dos características más

importantes de las enzimas son las siguientes:

Su alto poder catalítico

Su alto grado de especificidad por los sustratos

Una enzima puede reaccionar con un solo sustrato o con un grupo particular de

sustratos vinculados químicamente. Cuando se da esto, se dice entonces que el

grupo que acompaña a dicha transformación es un sistema enzimático. Estas

reaccionan en cadena, es decir que cada enzima por su cuenta produce un

cambio específico en el producto formado por la reacción enzimática anterior. La

última reacción en el sistema es la que da los productos finales.

Nomenclatura de las enzimas

Dado a que los nombres aplicados a las enzimas han generado una gran

controversia en los últimos años debido a que en muchos casos se le dan distintos

nombres a una enzima o se le da el mismo nombre a enzimas diferentes, surgió la

Comisión internacional en enzimas, establecida por la Unión Internacional de

Bioquímica. Esta comisión básicamente dio algunas recomendaciones para

nombrar a las enzimas basándose en el tipo de reacción catalítica y en sus

propiedades específicas, con el fin de obtener un sistema más racional y

sistemático en lo que respecta a su nomenclatura. Sin embargo, se ha encontrado

que muchas enzimas poseen formas estructurales distintas pero propiedades

catalíticas idénticas (o similares). Estas enzimas reciben entonces el nombre de

isoenzimas o isozimas, quedando fuera del sistema actual de nomenclatura.

La naturaleza de las reacciones enzimáticas

La mayor parte de las reacciones llevadas a cabo por las enzimas involucran a

una enzima (E) y a un sustrato (S), los cuales se combinan para dar lugar al

complejo enzima-sustrato (ES), que después se rompe para dar el producto P. la

enzima como tal no interviene en la reacción, únicamente queda libre para

reacciones futuras con otra molécula similar de sustrato. Este proceso se repite

varias veces. Cuando no se observan más cambios, es porque la reacción ha

llegado al equilibrio. Dado que todas las enzimas no actúan de la misma manera,

cada una posee su propia forma de reaccionar, a esto se le conoce como

mecanismo de acción de las enzimas. Surge entonces el concepto de activación

del sustrato seguida de la formación del complejo enzima-sustrato. La activación

de la molécula de sustrato se da debido a la gran afinidad química del sustrato en

ciertas áreas en la superficie de la enzima, lo que se conoce como sitios activos.

No obstante, existen condiciones que afectan la actividad de las enzimas durante

una reacción, que son:

Concentración de la enzima

Concentración del sustrato

pH

Temperatura

En términos generales, puede establecerse que la variación en alguna de estas

condiciones puede generar cambios en las enzimas, incluso destruirlas. Para

visualizar esto existen curvas de comportamiento específicas para cada enzima,

dado que no todas responden de igual forma bajo estas condiciones.

Inhibición de la actividad enzimática

A veces resulta de interés inhibir la actividad de una enzima, y esto es posible

gracias a los agentes químicos. En particular, se hace énfasis en aquellas

sustancias químicas que inhiben de forma más sutil que la desnaturalización de la

porción proteínica de la enzima. La inhibición de las enzimas puede clasificarse en

dos tipos:

No reversible: cuando esta se da, es porque se ha modificado o destruido

uno o más de los grupos funcionales presentes en la enzima.

Reversible: se subdivide a su vez en competitiva y no competitiva, cuya

diferencia es que en la primera es posible revertirla a través del aumento en

la concentración del sustrato, mientras que en la no competitiva, no.

Cabe mencionar también que algunos agentes químicos poseen gran afinidad

por los iones metálicos, formando complejos con el metal. Esto reitera lo que se

mencionó anteriormente respecto a la necesidad de algunas enzimas para ejercer

su actividad. Este tipo de inhibición enzimática es no competitiva ya que el

inhibidor no compite con el sustrato por ocupar un sitio activo en la superficie de la

enzima. Del mismo modo, al responsable de inducir la formación de una enzima

es conocido como inductor.

Métodos para la detección y medición de la actividad enzimática

Esto se logra mediante varias técnicas, algunas de ellas requieren instrumentos

muy sofisticados, mientras que otras necesitan únicamente tubos de ensayo y

algunos reactivos. Es necesario conocer algunos aspectos, previo a realizar dicho

análisis, que incluyen:

La naturaleza de la reacción catalizada

Cofactor y coenzima necesarios

Concentraciones necesarias para el sustrato y para el cofactor o coenzima

El pH óptimo

La temperatura óptima

Un método analítico simple para determinar la desaparición del sustrato o la

aparición de los productos en la reacción

Dentro de los métodos más comúnmente empleados figuran la

espectrofotometría, los métodos por radioisótopos y la cromatografía.

Preparación de las enzimas

La fuente de enzimas en cualquier experimento microbiológico debe ser una de

las siguientes:

Células de un cultivo en desarrollo

Células tomadas de un cultivo en desarrollo y re suspendidas en una

solución no nutritiva

Enzimas extraídas de células

Estas fuentes pueden obtenerse en distintos grados de pureza. De igual forma,

las técnicas utilizadas para realizar esto son:

Del cultivo en desarrollo

De las células inactivas

De las enzimas libres de células

Regulación de la actividad enzimática

Por último, es necesario conocer el control del metabolismo de las células para

la regulación de su actividad enzimática. En general, las enzimas son controladas

o reguladas de dos formas: control genético y control directo de catálisis. Esto es

de suma importancia para que todas las actividades químicas dentro de la célula

se integren unas a otras, para permitir la síntesis del material necesario para

desarrollar su metabolismo y así mismo su crecimiento personal. El control del

metabolismo celular requiere de la regulación de la actividad enzimática.

Conclusiones

1. Las enzimas pueden clasificarse según el sitio en el que actúan en

intracelulares y extracelulares.

2. La semejanza entre enzimas y proteínas permite establecer una similitud

entre sus propiedades físicas y químicas.

3. Las condiciones que pueden afectar a la actividad enzimática son la

concentración de la enzima y del sustrato, el pH y la temperatura.

4. La importancia de la regulación de la actividad enzimática radica

principalmente en que permite controlar el metabolismo de las enzimas, lo

que repercute en una buena ejecución de sus funciones.

5. Los métodos actuales para la detección y medición de la actividad

enzimática son la cromatografía, los métodos por radioisótopos y

espectrofotometría.

6. En una reacción enzimática intervienen una enzima y un sustrato, que se

unen para formar un complejo, el cual posteriormente se desintegra para

dar lugar al producto.

7. Las principales fuentes de enzimas son células de un cultivo en desarrollo,

células tomadas de un cultivo en desarrollo y re suspendidas en una

solución no nutritiva y enzimas extraídas de células.

Bibliografía

1. Pelczar, Michael J. “Microbiología”. Segunda edición en español. McGraw-Hill: México: 1982. ISBN: 968-6064-65-8.

Anexos

Figura 1. Reacción enzimática

Figura 2. Inhibición competitiva.