vitaminas y coenzimas Liliana López 2-6

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universidad autónoma de sinaloa
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICO-BIOLÓGICAS
"Coenzimas y vitaminas"
Asignatura: Bioquímica estructural
Docente: Eduardo Armienta Aldana
Alumna: Liliana Emayanin López García
Grado y grupo: 2-6
Grado y grupo: 2-6
 
ÍNDICE
PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS	1
CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS	3
CATÁLISIS	4
VITAMINAS Y COENZIMAS	6
REGULACIÓN ENZIMÁTICA	8
CONTROL GENÉTICO	8
MODIFICACIÓN COVALENTE	8
REGULACIÓN ALOSTÉRICA	9
COMPARTIMENTACIÓN	9
BIBLIOGRAFÍA	11
PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS
Las enzimas poseen varias propiedades notables. En primer lugar, las velocidades de las reacciones catalizadas por enzimas a menudo son espectacularmente elevadas. Se han observado aumentos de la velocidad de 107 a 1019 veces. En segundo lugar, en marcado contraste con los catalizadores inorgánicos las enzimas son sumamente específicas para las reacciones que catalizan, y rara vez forman productos secundarios. Por último, debido a sus estructuras relativamente grandes y complejas, las enzimas pueden regularse. Esto es en particular importante en los seres vivos, que deben conservar energía y materias primas.
 Por definición, un catalizador aumenta la velocidad de una reacción química, pero no se altera de forma permanente por la reacción. Los catalizadores realizan esta hazaña debido a que disminuyen la energía de activación que se requiere para una reacción química. Los catalizadores realizan esta hazaña debido a que disminuyen la energía de activación que se requiere para una reacción química. En otras palabras, los catalizadores ofrecen una vía de reacción alterna que requiere menos energía. En el ápice de ambas vías de reacción se produce un estado de transición. La energía libre de activación, ∆G‡, se define como la cantidad de energía para convertir 1 mol de moléculas de sustrato (reactivo) desde el estado basal (la forma estable de baja energía de una molécula) al estado de transición.
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La especificidad enzimática es una propiedad de las enzimas que se explica en parte por el modelo de llave y cerradura propuesto por Emil Fischer en 1890. Cada enzima se une a un solo tipo de sustrato debido a que el sitio activo y el sustrato poseen estructuras complementarias. La forma global del sustrato y su distribución de carga le permiten entrar e interactuar con el sitio activo de la enzima. En una variante moderna del modelo de llave y cerradura propuesta por Daniel Koshland, denominada modelo de ajuste inducido se toma en cuenta la estructura flexible de las proteínas. En este modelo, el sustrato no se ajusta con precisión a un sitio activo rígido. En vez de ello, las interacciones no covalentes entre la enzima y el sustrato modifican la estructura tridimensional del sitio activo, adecuando la forma de éste a la del sustrato en su conformación de estado de transición. Aunque la actividad catalítica de algunas enzimas sólo depende de las interacciones entre los aminoácidos del sitio activo y el sustrato, otras enzimas requieren componentes no proteínicos para realizar sus actividades.
Los cofactores enzimáticos pueden ser iones, como el Mg2+ o el Zn2+, o moléculas orgánicas complejas denominadas coenzimas. El componente proteínico de una enzima que carece de un cofactor esencial se denomina apoenzima. Las enzimas intactas con sus cofactores unidos se denominan holoenzimas. Las actividades de algunas enzimas pueden regularse. Los ajustes de la velocidad de las reacciones catalizadas por las enzimas permiten a las células responder con eficacia a los cambios en el ambiente. Los organismos pueden controlar las actividades enzimáticas de forma directa, principalmente mediante la unión de activadores o inhibidores, la modificación covalente de las moléculas enzimáticas, o de manera indirecta regulando la síntesis de enzimas. 
CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS
Las seis categorías principales de enzimas son las siguientes:
1. Oxidorreductasas. Las oxidorreductasas catalizan reacciones redox en las cuales cambia el estado de oxidación de uno o más átomos en una molécula. La oxidación-reducción en los sistemas biológicos implica reacciones de transferencia de uno o dos electrones acompañadas del cambio compensatorio en la cantidad de hidrógeno y de oxígeno en la molécula. Son ejemplos notables las reacciones redox facilitadas por las deshidrogenasas y las reductasas. Por ejemplo, el alcohol deshidrogenasa cataliza la oxidación de etanol y de otros alcoholes, y la reductasa de ribonucleótido cataliza la reducción de ribonucleótidos para formar desoxirribonucleótidos. Las oxigenasas, las oxidasas y las peroxidasas se encuentran entre las enzimas que utilizan O2 como aceptor de electrones. 
2. Transferasas. Las transferasas transfieren grupos moleculares de una molécula donadora a una aceptora. Entre tales grupos están el amino, el carboxilo, el carbonilo, el metilo, el fosforilo y el acilo (RC=O). Los nombres comunes de las transferasas a menudo incluyen el prefijo trans; son ejemplos las transcarboxilasas, las transmetilasas y las transaminasas. 
3. Hidrolasas. Las hidrolasas catalizan reacciones en las que se logra la rotura de enlaces como C—O, C—N y O—P por la adición de agua. Entre las hidrolasas están las esterasas, las fosfatasas y las proteasas. 
4. Liasas. Las liasas catalizan reacciones en las que ciertos grupos (p. ej., H2O, CO2 y NH3) se eliminan para formar un doble enlace, o se añaden a un doble enlace. Son ejemplos de liasas las descarboxilasas, las hidratasas, las deshidratasas, las desaminasas y las sintasas.
5. Isomerasas. Las isomerasas, un grupo heterogéneo de enzimas, catalizan varios tipos de reordenamientos intramoleculares. Las isomerasas de los azúcares interconvierten aldosas (azúcares que contienen aldehídos) en cetosas (azúcares que contienen cetona). Las epimerasas catalizan la inversión de átomos de carbono asimétricos y las mutasas catalizan la transferencia intramolecular de grupos funcionales.
6. Ligasas. Las ligasas catalizan la formación de enlaces entre dos moléculas de sustrato. Por ejemplo, la DNA ligasa une fragmentos de cadenas de DNA. Los nombres de muchas ligasas incluyen el término sintetasa. Varias otras ligasas se denominan carboxilasas.
CATÁLISIS
A pesar de lo valiosos que son los estudios cinéticos, no aclaran los mecanismos catalíticos de las enzimas. [Un mecanismo debe describir cómo se rompen los enlaces y se forman nuevos en la conversión de sustrato(s) a producto(s).] Las investigaciones de los mecanismos enzimáticos buscan relacionar la actividad enzimática con la estructura y función del sitio activo. En el estudio de estos mecanismos se utilizan métodos como la cristalografía de rayos X, la inactivación química de las cadenas laterales del sitio activo y el modelado con compuestos simples como sustratos y como inhibidores.
A pesar de una extensa investigación, sólo se conocen en detalle los mecanismos de unas pocas enzimas. Se sabe que éstas logran velocidades catalíticas mucho más altas que otros catalizadores porque sus sitios activos poseen estructuras singularmente aptas para promover la catálisis. Varios factores contribuyen a la catálisis enzimática; los más importantes son los efectos de proximidad y de tensión, los efectos electrostáticos, la catálisis acido básica y la catálisis covalente. La canalización cuántica, que ocurre cuando se transfiere el hidrógeno, se revisa en un ensayo en línea denominado Biochemistry in Perspective. Se debe advertir que ninguno de estos factores catalíticos excluye a cualquiera de los demás. En grados variables, todos participan en cada tipo de mecanismo catalítico.
EFECTOS DE PROXIMIDAD Y DE TENSIÓN: Para que ocurra una reacción bioquímica, el sustrato debe aproximarse mucho a los grupos funcionales catalíticos (grupos de las cadenas laterales que participan en un mecanismo catalítico) dentro del sitio activo. Además, el sustrato debe orientarse de forma precisa hacia los grupos catalíticos. Una vez situado el sustrato de manera correcta, un cambio de la conformación enzimática puede originar uncomplejo enzima-sustrato tenso. Esta tensión ayuda a llevar al complejo enzima-sustrato al estado de transición.
EFECTOS ELECTROSTÁTICOS: Recuérdese que la fuerza de las interacciones electrostáticas es inversamente proporcional a la hidratación de las especies participantes. Las capas de hidratación aumentan la distancia entre los centros de carga y reducen la atracción electrostática. Debido a que el agua es excluida en gran medida del sitio activo cuando el sustrato se une, a menudo la constante dieléctrica local es baja.
CATÁLISIS ACIDOBÁSICA: La catálisis acido básica (transferencia de protones) es un factor importante en las reacciones químicas. Dado que el agua es un nucleófilo débil, la hidrólisis de ésteres es relativamente lenta en solución neutra, pero se realiza mucho más rápido si se eleva el pH. Cuando el ion hidróxido ataca al átomo de carbono polarizado del grupo carbonilo, se forma un intermediario tetraédrico. Cuando éste se descompone, se transfiere un protón desde una molécula de agua cercana. La reacción culmina cuando se libera el alcohol.
CATÁLISIS COVALENTE: En algunas enzimas un grupo de cadena lateral nucleófila forma un enlace covalente inestable con un grupo electrófilo en el sustrato. Como recién se describió, las proteasas de serina utilizan el grupo —CH2—OH de la serina como un nucleófilo para hidrolizar enlaces peptídicos. Durante el primer paso, el nucleófilo (p. ej., el oxígeno de la serina) ataca al grupo carbonilo del sustrato peptídico. Cuando se forma el enlace estérico, el enlace peptídico se rompe. El intermediario aciloenzima resultante es hidrolizado por el agua en una segunda reacción.
VITAMINAS Y COENZIMAS
Las coenzimas son moléculas orgánicas que dan versatilidad química a las enzimas porque aportan grupos reactivos que no están presentes en las cadenas laterales de sus aminoácidos o porque pueden actuar como transportadoras de moléculas de sustrato. Algunas coenzimas sólo se unen de manera transitoria a la enzima y son esencialmente cosustratos, mientras que otras están unidas con firmeza por medio de enlaces covalentes o no covalentes. A diferencia de los catalizadores ordinarios, la estructura de las coenzimas sí es modificada por las reacciones en las que participan. Sus formas catalíticamente activas deben regenerarse antes de que pueda ocurrir otro ciclo catalítico.
 Las coenzimas unidas de forma transitoria suelen regenerarse mediante una reacción catalizada por otra enzima, mientras que las coenzimas firmemente unidas se regeneran durante una etapa del ciclo catalítico. La mayoría de las coenzimas derivan de las vitaminas. Las vitaminas (nutrientes orgánicos que se requieren en cantidades pequeñas en la alimentación del ser humano) se dividen en dos clases: hidrosolubles y liposolubles. Además, existen determinadas sustancias semejantes a las vitaminas que los organismos pueden sintetizar en cantidades suficientes para facilitar reacciones catalizadas por enzimas. Algunos ejemplos son el ácido lipoico, la carnitina, la coenzima Q, la biopterina, la S-adenosilmetionina y el ácido p-aminobenzoico.
Las coenzimas pueden clasificarse conforme a su función en tres grupos: de transferencia de electrones, de transferencia de grupos y con potencial de transferencia de alta energía. Entre las coenzimas que participan en reacciones redox (transferencia de electrones o de hidrógeno) se incluyen el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+), el fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADP+), el dinucleótido de fl avina y adenina (FAD), el mononucleótido de flavina (FMN), la coenzima Q (CoQ) y la tetrahidrobiopterina (BH4). Coenzimas como el pirofosfato de tiamina (TPP), la coenzima A (CoASH) y el fosfato de piridoxal intervienen en la transferencia de grupos aldehído, acilo y amino, respectivamente. 
Las transferencias de un carbono, que constituyen un grupo diverso de reacciones en las que se transfieren átomos de carbono en diversos estados de oxidación entre sustratos, requieren biotina, tetrahidrofolato (TH4) o S-adenosilmetionina (SAM). Los nucleótidos, conocidos por su potencial de transferencia de alta energía, funcionan como coenzimas en el sentido de que activan intermediarios metabólicos o sirven como donadores de fosfato o como transportadores de moléculas pequeñas, o ambas cosas. Son ejemplos de estos últimos la UDP-glucosa, un intermediario en la síntesis de glucógeno, y el CDP (difosfato de citidina)-etanolamina, un intermediario en la síntesis de ciertos lípidos. En tales casos el nucleótido funciona como transportador molecular y como un buen grupo saliente en reacciones subsecuentes. 
Los numerosos enlaces no covalentes que se forman cuando se une al sitio activo de la enzima garantizan que el metabolito capturado se posicione de forma correcta. Obsérvese que las estructuras de coenzimas como el NAD+, el NADP+, el FAD, el FMN y la CoASH también contienen componentes de nucleótidos de adenina.
REGULACIÓN ENZIMÁTICA
Los seres vivos tienen mecanismos sofisticados para regular sus extensas redes de vías bioquímicas. La regulación es esencial por varias razones: 
· Mantenimiento de un estado ordenado. La regulación de cada vía da lugar a la producción de las sustancias que se requieren para mantener la estructura y la función celulares de forma oportuna y sin desperdiciar recursos. 
· Conservación de la energía. Las células se aseguran de consumir sólo los nutrientes suficientes para satisfacer sus requerimientos de energía mediante un control constante de las reacciones que la generan.
· Capacidad de respuesta a los cambios ambientales. Las células pueden realizar ajustes relativamente rápidos a los cambios de temperatura, pH, fuerza iónica y concentración de nutrientes, debido a que pueden aumentar o disminuir las velocidades de reacciones específicas.
CONTROL GENÉTICO
La síntesis de enzimas en respuesta a variaciones de las necesidades metabólicas, un proceso que se denomina inducción enzimática, permite a las células responder de forma eficiente a los cambios en su ambiente. Por ejemplo, las células de E. coli cultivadas sin el azúcar lactosa no pueden metabolizar al principio este nutriente cuando se introduce en el medio de cultivo de la bacteria. Sin embargo, la introducción de lactosa en ausencia de glucosa activa los genes que codifican las enzimas necesarias para utilizar la lactosa como fuente de energía. Tras consumirse toda la lactosa, se interrumpe la síntesis de estas enzimas.
MODIFICACIÓN COVALENTE
Algunas enzimas son reguladas por la interconversión reversible entre sus formas activa e inactiva. Estos cambios de función son producidos por varias modificaciones covalentes. Muchas de estas enzimas poseen residuos específicos que pueden ser fosforilados y desfosforilados. Por ejemplo, la fosforilasa de glucógeno (cap. 8) cataliza la primera reacción de la degradación del glucógeno, una molécula que almacena energía en forma de carbohidratos. En un proceso controlado por hormonas, la forma inactiva de la enzima (fosforilasa de glucógeno b) se convierte a la forma activa (fosforilasa de glucógeno a) por adición de un grupo fosfato a un residuo específico de serina. Otros tipos de modificación covalente reversible son la metilación, la acetilación y la nucleotidilación (la adición covalente de un nucleótido). Varias enzimas se sintetizan y almacenan en forma de precursores inactivos denominados proenzimas o zimógenos. Éstos se convierten en las enzimas activas por la rotura irreversible de uno o varios enlaces peptídicos. Por ejemplo, el quimotripsinógeno se produce en el páncreas. Tras ser secretado hacia el intestino delgado, se convierte en su forma activa que se encarga de digerir las proteínas de los alimentos en varios pasos.
REGULACIÓN ALOSTÉRICA
En cada vía bioquímica hay una o más enzimas cuya actividad catalítica puede modularse (p. ej., aumentarse o reducirse) mediante unión de moléculas efectoras. Esta unión de ligandos a los sitios alostéricos de tales enzimas induce rápidos cambios de conformación quepueden incrementar o reducir su velocidad de unión al sustrato. La gráfica de una reacción catalizada por una enzima alostérica difiere de las que corresponden a enzimas que siguen la cinética de Michaelis-Menten. En lugar de ello, la curva de velocidad es sigmoidea. Si el ligando es el mismo que el sustrato (p. ej., si la unión de un sustrato favorece la unión de más sustrato), se dice que los efectos alostéricos son homotrópicos. En los efectos heterotrópicos intervienen ligandos moduladores, que son diferentes del sustrato. La mayoría de las enzimas alostéricas son enzimas multisubunitarias con múltiples sitios de unión a sustratos y efectores. Dos modelos teóricos, el concertado y el secuencial, intentan explicar el comportamiento de las enzimas alostéricas. En el modelo concertado (o simétrico), se supone que la enzima sólo existe en dos estados: T (tenso) y R (relajado). Los activadores se unen a la conformación R y la estabilizan, mientras que los inhibidores hacen lo propio con la conformación T. El modelo concertado explica algunas propiedades de las enzimas alostéricas, pero no todas. Por ejemplo, explica la cooperatividad positiva, en la cual el primer ligando incrementa la unión de ligandos subsiguientes, pero no la cooperatividad negativa, un fenómeno observado en enzimas en las que la unión de un primer ligando reduce la afinidad de la enzima por ligandos semejantes. Además, el modelo concertado no permite conformaciones híbridas. Dos ejemplos de enzimas cuyo comportamiento parece ser consistente con el modelo concertado son la transcarbamoilasa de aspartato (ATCasa) de E. coli y la fosfofructocinasa (PFK).
COMPARTIMENTACIÓN
La compartimentación, creada por la infraestructura celular, es un recurso importante para regular reacciones bioquímicas, porque la separación física hace posible el control independiente. La intrincada arquitectura interna de las células contiene compartimentos (p. ej., los organelos de las eucariotas) y micro compartimentos de diversos tipos (p. ej., enzimas individuales o complejos multiproteínicos unidos a membranas o a fi lamentos citoesqueléticos). La compartimentación celular resuelve varios problemas interrelacionados: 
1. División y control. La separación física de reacciones en mutua competencia (p. ej., aquellas en las que una revierte lo hecho por otra, como en el caso de las cinasas y las fosfatasas) permite una regulación coordinada que impide el derroche de recursos. 
2. Barreras a la difusión. En el interior hacinado de las células, la difusión de moléculas de sustrato es un factor potencialmente limitante de las velocidades de reacción. Las células evitan este problema creando microambientes en los que se concentran las enzimas y sus sustratos, y mediante la canalización de metabolitos, que es la transferencia de moléculas de producto de una enzima a la siguiente en un complejo multienzimático.
3. Condiciones de reacción especializadas. Determinadas reacciones requieren de un ambiente con propiedades únicas. Por ejemplo, el bajo pH dentro de los lisosomas facilita las reacciones hidrolíticas. 4. Control de daños. La segregación de productos potencialmente tóxicos de las reacciones protege a otros componentes celulares. El control metabólico global requiere la integración de todas las vías bioquímicas de la célula, lo que se logra en parte mediante mecanismos de transporte que transfieren metabolitos y moléculas de señal entre los compartimentos.
BIBLIOGRAFÍA
Trudy McKee, J. T. (2015). Bioquímica. Las bases moleculares de la vida (Vol. Quinta edición). México: McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C. V.
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