INVESTIGACION #2 CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS SEGÚN LA UNIÓN INTERNACIONAL DE BIOQUÍMICA Y BIOLOGÍA MOLECULAR Un comité de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología molecular (IUBMB, de International Unión of Biochemistry and Molecular Biology) mantiene un esquema de clasificación que asigna categorías a las enzimas de acuerdo con la clase general de reacción química orgánica que si es catalizada. Las seis categorías son: Oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas, y ligasas. La IUBMB también asigna un nombre sistemático a cada enzima. Las Oxidorreductasas se catalizan las reacciones de oxidación-reducción. La mayor parte de esas enzimas se llaman, deshidrogenasas. También hay otras enzimas de esta clase que se llaman oxidasas, peroxidasas, oxigenasas o reductasas. En bioquímica hay cada vez más la tendencia a citar esas enzimas por su nombre formal, Oxidorreductasas, y no por los nombres más comunes de las publicaciones no muy recientes de bioquímica. Un ejemplo de una Oxidorreductasas es el lactato deshidrogenasa, llamado también lactato: NAD Oxidorreductasas. Esta enzima cataliza la conversión reversible de L-lactato en piruvato. La oxidación de L-lactato se acopla a la reducción de la coenzima nicotinamida adenina di nucleótido (NAD+) Las transferasas catalizan las reacciones de transferencia de un grupo y pueden necesitar la presencia de enzimas. En las reacciones de transferencia de grupo, una parte de la molécula del sustrato se suele enlazar en forma covalente con la enzima o con su coenzima. Este grupo incluye las cinasas, enzimas que catalizan la transferencia de un grupo fosforilo del ATP. La alanina transaminasa, cuyo nombre sistemático es L-alanina: 2-oxiglutarato aminotransferasa, es un ejemplo típico de esta clase. Las hidrolasas catalizan hidrólisis. Son una clase especial de transferasas donde el agua sirve como aceptor del grupo transferido. La pirofosfatasa es un ejemplo sencillo de la hidrolasa. El nombre sistemático de esta enzima es difosfato fosfohidrolasa. Las liasas catalizan la lisis de un sustrato, al generar un enlace doble; son reacciones de eliminación, no hidrolíticas y no oxidantes. En dirección inversa, las liasas catalizan la adición de un sustrato a un doble enlace de un segundo sustrato. Una liasa que cataliza una reacción de adición en las células es frecuentemente llamada sintasa. El piruvato descarboxilasa pertenece a esta clase de enzimas ya que descompone al piruvato en acetaldehído y dióxido de carbono. El nombre sistemático del piruvato descarboxilasa, 2-oxo-ácido carboxi-liasa. Las isomerasas catalizan cambios estructurales dentro de una misma molécula (reacciones de isomerización). Como estas reacciones solo tienen un sustrato y un producto son de las reacciones enzimáticas más simples. La alanina racemasa es una isomerasa que cataliza la Inter conversión de Lalanina y D-alanina. El nombre común es igual al nombre sistemático. Las ligasas catalizan la ligadura o unión de dos sustratos. Estas reacciones necesitan un suministro de energía potencial química de un nucleósido trifosfato, como el ATP. Las ligasas son usualmente llamadas sintetasas. La glutamina sintetasa, o L-glutamato; amoniaco ligasa (formadora de ADP). Usa la energía de la hidrólisis del ATP para unir glutamato y amoniaco para producir glutamina. Es posible ver que la mayor parte de las enzimas tienen más de un sustrato, aunque el segundo sustrato pueda ser solo una molécula de agua. Aunque las enzimas catalizan las reacciones tanto directas como inversas, se usan flechas de una dirección. En el equilibrio, una enzima cataliza las reacciones directa e inversa con la misma velocidad. ISOENZIMAS: DEFINICION, CARACTERÍSTICAS Y FUNCION. Las isoenzimas son formas diversas de una enzima que les confieren peculiaridades metabólicas a los tejidos del organismo. En este tipo de enzimas se presenta una situación que las diferencias de los casos anteriores. Las isoenzimas son proteínas que catalizan la misma reacción, con los mismos requerimientos, pero con propiedades cinéticas y fisicoquímicas diferentes, lo cual permitió su descubrimiento y estudio. Aunque existen numerosas enzimas que presentan formas isoenzimáticas, el primer caso conocido y el más estudiado es el lactato deshidrogenasa (LDH); esta enzima existe en todos los tejidos y en todos estos cataliza la misma reacción. En este caso el NAD+ es un cofactor que acepta los átomos de hidrógeno separados del lactato por la enzima. La isoenzima presente en el corazón tiene una mayor afinidad por el lactato y está favorecida la reacción de izquierda a derecha, mientras que la isoenzima del músculo esquelético tiene mayor afinidad por el piruvato, lo que favorece la reacción contraria.La respuesta a esta situación surgió cuando se descubrió que la LDH está formada por dos tipos de cadenas polipeptídicas y que la molécula contiene en total cuatro cadenas. Como la isoenzima del corazón contiene un solo tipo de cadena, se le denominó H (heart = corazón) y al darse la misma situación en el músculo sus cadenas se designaron M (muscle = músculo). La fórmula su unitaria de estas dos isoenzimas será por tanto H4 y M4 respectivamente; las procedentes de otros tejidos son híbridos que contienen los dos tipos de cadenas cuyas fórmulas subunitarias serán H3M, H2M2 y HM3, y sus propiedades cinéticas y fisicoquímicas son intermedias entre las otras dos primeras, lo que permite separarlas en una muestra donde exista una mezcla de todas estas. Isoenzimas de la lactato-deshidrogenasa. Las isoenzimas de la LDH están formadas por dos tipos de cadenas, H y M, que, de acuerdo con la proporción en que aparezca cada una de estas en el tetrámero, darán origen a las diferentes formas de la enzima. CARACTERISTICAS Y FUNCION La existencia de múltiples formas moleculares para las enzimas es común en los organismos vivos. Las isoenzimas frecuentemente son específicos de ciertas células o tejidos. La heterogeneidad molecular de los enzimas confiere a los organismos plasticidad, versatilidad y precisión en sus funciones metabólicas. Existe un debate abierto sobre si la variación isoenzimáticas es neutra o no desde el punto de vista de la adaptación al medio. Las isoenzimas son útiles para analizar la variabilidad genética en una población. Las isoenzimas más importantes que han sido estudiadas para aplicaciones clínicas son: Creatín fosfo quinasa o CPK: Aparece en forma de dímero con dos tipos de subunidades, la M (tipo músculo) y la B (tipo cerebro). En el cerebro, ambas subunidades son, desde el punto de vista electroforético del mismo tipo y se designan B. En el músculo esquelético, las subunidades son ambas del tipo M. Las isoenzimas que contienen las subunidades del tipo B y del tipo M (MB) sólo se encuentran en el corazón (miocardio). Otros tejidos contienen cantidades variables de las isoenzimas MM y BB. Lactato deshidrogenasa o LDH: Es una enzima tetramérica que contiene solo dos subunidades distintas: las designadas H del corazón (miocardio) y las M del músculo. Estas dos subunidades se pueden combinar de 5 formas diferentes. Transaminasas o Aminotransferasas GOT o AST y GPT o ALT: Actualmente se determina por separado la glutámico oxalacético transaminasa o GOT, llamada también aspartato aminotransferasa o AST, y la glutámico pirúvica transaminasa o GPT o alanín aminotransferasa o ALT. En el suero normal abunda más la primera que la segunda. En el hepatocito, la GPT es una enzima citoplasmática, mientras que la GOT es bilocular: se encuentra tanto el citoplasma como en las mitocondrias. Fosfatasa Alcalina o Fal: En el suero humano existen varios tipos de fosfatasa alcalina, una enzima derivada de la membrana celular cuya función fisiológica no es conocida y que hidroliza ésteres fosfóricos sintéticos a pH 9. Esta actividad enzimática está ubicada en hueso, intestino delgado, hígado y placenta. Aumenta generalmente la fosfatemia en los períodos de crecimiento y reparación ósea. Amilasa: Existen dos isoenzimas de la amilasa: la “P” o pancreática, que pasa más fácilmente a la orina y la “S” o salival, más rápida en la electroforesis. Su distinta proporción tiene interés diagnóstico, especialmente en las parotiditis para confirmar o descartar la complicación pancreática. Normalmente existe una proporción de las isoenzimas P (40%) y S (60%). METALOENZIMAS Las metaloenzimas tienen una característica en común, que el ion metálico se une a la proteína con un sitio coordinación lábil. Como ocurre con todas las enzimas, la forma del sitio activo es crucial; el metal normalmente se encuentra en un bolsillo, cuya forma se adapta el sustrato. Las metaloenzimas tienen una característica en común, que el ion metálico se une a la proteína con un sitio coordinación lábil. Como ocurre con todas las enzimas, la forma del sitio activo es crucial; el metal normalmente se encuentra en un bolsillo, cuya forma se adapta el sustrato. Los iones metálicos catalizan reacciones que son difíciles de lograr en la química orgánica. ESTRUCTURA Y FUNCION DE LAS ENZIMAS ALOSTERICAS Las enzimas alostéricas son máquinas moleculares inteligentes y por lo general están constituidas por más de una cadena polipeptídica, y tienen estructura cuaternaria. Unas unidades son las que llevan a cabo el acto de catálisis y son las que portan el sitio activo; por lo tanto, son las que reconocen al sustrato. Otros polipéptidos, que forman parte de la enzima, no tienen actividad catalítica, pero tienen uno o varios sitios, también altamente específicos, los que reconocen y unen al modulador, formando un complejo enzima modulador, que puede tener más, o menos actividad catalítica, dependiendo de si el modulador es positivo o negativo. A este sitio se le llama sitio alostérico. El sitio alostérico tiene todas las propiedades del sitio activo, solamente que en este caso el modulador no es transformado químicamente. La unión de la enzima con el modulador es reversible. Otra característica de las enzimas alostéricas es que no siguen la cinética de Michaelis - Menten. O sea que, si se hacen experimentos como los que se describieron en la sección en la que se estudian los inhibidores, pero usando ahora moduladores positivos o negativos y una enzima alostérica, al graficar los puntos obtenidos ([S], v 0), no se obtiene la curva clásica de saturación que se muestra en la Figura 6.10, en su lugar se obtienen curvas sigmoides como las que se muestran en la Figura 6.24: Figura 6.24 Cinética de las enzimas alostéricas sin modulador o con la presencia de moduladores positivos o negativos. Para analizar los cambios tan dramáticos que ocurren sobre la velocidad de reacción de una enzima alostérica, en la Figura 6.24 se ha tomado en el eje de las abscisas, una determinada concentración de sustrato [Sx] y en las ordenadas se observan las velocidades de reacción de la enzima a la misma concentración de sustrato, pero, sin modulador, con modulador negativo o positivo. Note cómo cuando hay un modulador negativo la velocidad de reacción v 01 se hace muy pequeña, comparada con la que se observa cuando existe en el medio un modulador positivo v03. FUNCION A nivel global, las enzimas alostéricas se denominan como aquellas moléculas de origen orgánico, en las cuales pueden afectar los enlaces bioquímicos entre las proteínas y las enzimas. La acción de estas enzimas alostéricas se desarrolla mediante una infiltración en el núcleo molecular, por lo que dentro del organismo es responsable de la catálisis digestiva. Gracias a ella se amplían diversos procesos relacionados con el tracto gastrointestinal, sobre todo en la gestión del metabolismo. Por consiguiente, la función primordial de las enzimas alostéricas es la de encargarse de facilitar la digestión en el organismo. Esto sucede porque el proceso de enlaces al que son sometidas permite que se favorezca tanto la asimilación de los nutrientes como la eliminación de los desechos en la estructura del organismo. Por ello, la catálisis del sistema digestivo se desarrolla continuamente en un entorno equilibrado en el que hay cada modulador tiene un sitio alostérico específico. Además, las enzimas alostéricas son, desde una perspectiva metabólica, las que consiguen que la actividad enzimática sea controlada a través de fluctuaciones que se perciben a nivel del estrato. Mientras menores sean los cambios efectuados en la concentración de ese sustrato, mayores serán las transformaciones que sufrirán la actividad de las enzimas, y viceversa. Por otro lado, los valores de las enzimas alostéricas K pueden incrementarse con una dosis mínima del modulador de inhibición. Puede ocurrir que en su desempeño, las enzimas alostéricas queden inhibidas al final del proceso metabólico, algo que pasa en algunos sistemas multienzimáticos (tienen muchos tipos de enzimas), siendo mucho más si se exceden las capacidades celulares. Cuando esto pasa, las enzimas alostéricas se aseguran que se disminuya la actividad catalítica; en caso contrario, el sustrato hace que se active la actividad enzimática en vez de regularla. La regulación alostérica Se conoce como aquellos procesos celulares en los que la actividad enzimática es regulada mediante un proceso de ajuste. Esto es posible gracias a que se produce una retroalimentación que puede ser positiva (es decir, de activación) o negativa (inhibición). La regulación puede darse de diversas maneras, sea a escala orgánica (supracelular, por encima de la célula), por transducción de señales y por modificación covalente de las enzimas. La fijación del sustrato puede darse normalmente en el centro activo cuando no está el inhibidor. Sin embargo, si ese centro alostérico es ocupado por el inhibidor, este primer elemento cambia en su estructura y por ello el sustrato no puede fijarse.