QB-2020-GUIA DE ESTUDIO 2-BIOCATALIZADORES

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GUÍA DE ESTUDIO 2 
BIOCATALIZADORES 
OBJETIVOS 
− Comprender en que consiste la actividad enzimática y que factores afectan su cinética. 
− Identificar la importancia del estudio de la cinética enzimática y de sus parámetros. 
− Identificar los diferentes tipos de enzimas mediante su código y su tipo de actividad enzimática. 
− Conocer y comprender los mecanismos de regulación de las enzimas. 
INTRODUCCIÓN 
Hay dos condiciones fundamentales para la vida: a) El organismo debe ser capaz de autorreplicarse y b) 
debe ser capaz de catalizar reacciones químicas de manera eficiente y selectiva. Los sistemas vivos utilizan la 
energía del medio ambiente, muchos de los cuales consumen cantidades sustanciales de sacarosa, como un 
tipo de combustible. La conversión de sacarosa en CO2 y H2O en presencia de oxígeno es un proceso 
altamente exergónico que libera energía libre que los organismos pueden usar para moverse, reproducirse 
defenderse etc. Sin embargo, una bolsa de azúcar puede permanecer en el estante durante años sin una 
conversión obvia en CO2 y H2O. Aunque este proceso químico es termodinámicamente favorable, es muy 
lento. Sin embargo, cuando la sacarosa es consumida por un ser vivo, libera su energía química en segundos. 
La diferencia es la catálisis. Sin catálisis, las reacciones químicas como la oxidación de la sacarosa no podrían 
ocurrir en una escala de tiempo útil y, por lo tanto, no podrían mantener la vida. 
Las enzimas que son por excelencia los catalizadores de las reacciones de los sistemas vivos, son proteínas 
elaboradas por las células fundamentales para todos los procesos bioquímicos. Tienen una capacidad 
catalítica, a menudo mucho mayor que el de los catalizadores sintéticos o inorgánicos (aceleran las 
reacciones incrementando su velocidad entre 106 y 1012 veces). Tienen un alto grado de especificidad por sus 
sustratos, son susceptibles de ser reguladas y funcionan en soluciones acuosas en condiciones muy 
específicas de temperatura y pH. Actuando en secuencias organizadas, catalizan los cientos de reacciones 
escalonadas que degradan las moléculas de nutrientes, conservan y transforman la energía química y 
producen macromoléculas biológicas a partir de precursores simples. 
El estudio de las enzimas tiene una importancia inmensa, por un lado, su estudio es esencial para la 
investigación en las áreas de biología, medicina, veterinaria, agricultura, etc.; y por otro lado como 
herramientas prácticas importantes en biología molecular, biotecnología, ingeniería ambiental, entre otras. 
Como ejemplo en el área médica: en algunas enfermedades, especialmente los trastornos genéticos 
hereditarios, puede haber una deficiencia o incluso una ausencia total de una o más enzimas. Otras 
enfermedades pueden deberse a la actividad excesiva de una enzima. Las mediciones de las actividades de 
las enzimas en el plasma sanguíneo, los eritrocitos o las muestras de tejido son importantes para diagnosticar 
ciertas enfermedades. Muchos fármacos actúan mediante interacciones con enzimas. 
Las enzimas deben cumplir con las siguientes condiciones: 
1. Ser eficaces en cantidades muy pequeñas. 
2. No deben sufrir modificaciones permanentes como consecuencia de la reacción. Pueden sufrir 
cambios transitorios durante el ciclo catalítico, pero al final de la reacción deben quedar química y 
físicamente inalteradas. 
3. No deben afectar la posición de equilibrio de la reacción que cataliza y, por ende, no alterar la 
variación de energía libre de la reacción. Es decir que se llega al mismo equilibrio que se llegaría en 
ausencia de catalizador, pero mucho más rápido. 
En cuanto a la especificidad, las enzimas son específicas tanto en la reacción que cataliza como en la 
selección de las sustancias reaccionantes. Catalizan solo una reacción o un grupo de reacciones 
estrechamente relacionadas. Es ésta una propiedad de notable significación biológica, pues hace posible la 
coexistencia de diversas vías metabólicas perfectamente diferenciadas dentro de un mismo medio. 
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Las enzimas actúan disminuyendo la energía de activación de las sustancias reaccionantes (sustratos) y 
favorecen así su transformación a productos. Todas estas reacciones implican la unión transitoria entre 
sustrato y la enzima (complejo enzima-sustrato): 
La velocidad total de la reacción dependerá de la formación del complejo enzima-sustrato (E-S) y de la 
facilidad con que pueda escindirse en enzima libre (E) y productos (P). 
 
FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LA REACCIÓN CATALIZADA POR UNA ENZIMA 
Concentración de enzima 
La velocidad de una reacción es directamente proporcional a la concentración de enzima. Un aumento en la 
concentración de enzima desplazará el equilibrio hacia la derecha de la reacción antes planteada, 
favoreciendo la formación del complejo [E-S], y aumentando la velocidad máxima. Concentración de sustrato 
A medida que su concentración aumenta, la formación del complejo se incrementa y por lo tanto la velocidad 
de reacción es directamente proporcional a la concentración de sustrato. A concentraciones altas toda la 
enzima estará saturada con moléculas de sustrato y no se formarán nuevas moléculas del complejo, en estas 
condiciones, la velocidad de reacción se hace máxima (para una determinada concentración de enzima) y no 
se modifica por más que se aumente la concentración de sustrato. 
 
Temperatura 
Todas las enzimas tienen una temperatura a la cual la velocidad de reacción es máxima (“temperatura 
óptima”). En general al aumentar la temperatura se incrementa la velocidad de reacción hasta un límite de 
40 °C, ya que las enzimas al ser proteínas se desnaturalizan por encima de los 40 °C (hay excepciones). 
pH 
Las enzimas poseen un sitio activo donde se fija el sustrato. Hay un determinado pH en el cual la disociación 
de grupos funcionales libres de los aminoácidos en el sitio activo es la más adecuada para la unión con el 
sustrato. Ese pH es designado “pH óptimo”, a este pH la velocidad de reacción será la máxima. 
Iones 
Muchas enzimas requieren la presencia de aniones o cationes específicos para desarrollar su acción catalítica. 
Al eliminar los iones activadores se reduce la actividad enzimática. 
Inhibidores 
Los inhibidores enzimáticos son moléculas que interfieren con la catálisis, ralentizando o deteniendo las 
reacciones enzimáticas. Hay dos clases amplias de inhibidores de enzimas: reversibles e irreversibles. Dentro 
de los inhibidores reversibles hay tres tipos principales: competitivos (se unen a la enzima en el mismo sitio, 
“sitio activo”, donde se une el sustrato impidiendo la formación de [E-S]), no competitivos (se unen a la 
enzima en un sitio diferente al que lo hace el sustrato), la formación del complejo no es afectada, pero sí su 
descomposición, y anticompetitivos (Los inhibidores a competitivos sólo se unen al ES y no a la enzima libre; 
la actividad es disminuida por que el complejo ES unido al inhibidor es inefectivo). 
 
 
PROPIEDADES CINÉTICAS DE LAS ENZIMAS 
La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas enzimáticamente, definiendo 
principalmente dos parámetros: 
a. Velocidad: el conocimiento de la velocidad nos permite conocer el mecanismo de las reacciones 
enzimáticas y así comprender las rutas metabólicas. La velocidad o catálisis enzimática mide su 
concentración. Para estudiar una reacción química podemos medir rigurosamente el aumento de 
concentración de producto formado, o la disminución de reactivos en función del tiempo. Durante 
la etapa inicial, cuando sólo una pequeña cantidad de sustrato se ha convertido en producto, la curva 
es lineal. La pendiente a tiempo cercano a cero, es la velocidad y es igual a lo que se denomina 
Velocidad Inicial (V0). Se observa que a medida que transcurre la reacción, el producto se acumula y 
la velocidad comienzaa disminuir (Figura 1). 
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Esto es debido a que: 
• Disminuye la concentración de sustratos que al consumirse deja de ser saturante. 
• Se acumulan productos tendientes a establecer el equilibrio de la reacción. 
• Los productos pueden inhibir la enzima como un tipo de inhibición competitiva o alostérica. 
• La enzima o coenzima participante puede sufrir alguna inactivación a la temperatura o pH de la 
reacción debido a su inestabilidad. 
Por todo esto en el estudio de la acción enzimática se adopta la medida de la V0 donde estos factores 
no han tenido tiempo de actuar. Esto permite determinar qué efecto produce sobre la velocidad 
inicial la variación de un solo factor, manteniendo el resto constante. 
Para determinar la velocidad, hay que efectuar la medición haciendo el análisis en tiempos tan 
pequeños en que no exista una acumulación de productos. 
Si mantenemos constante la concentración de Enzima, podemos determinar el efecto de la 
concentración de sustrato inicial sobre la Velocidad inicial. 
Mientras tanto, la Velocidad Máxima (Vmáx) de una reacción enzimática, es la velocidad que se 
alcanza a niveles saturantes de sustrato. 
 
Figura 1. Curva de avance de la reacción catalizada por una enzima a dos concentraciones distintas. A 
concentración de sustrato saturante se mide la cantidad de producto por unidad de tiempo y se calcula la 
velocidad inicial (V0). 
 
b. Km: representa una constante útil que relaciona la velocidad de una reacción enzimática con la 
concentración de sustrato. Podemos decir que: 
• Los valores de Km de muchas enzimas son próximos a los de la concentración fisiológica de sus 
sustratos. 
• Km es constante para una enzima dada, al conocer el Km se puede determinar si una enzima es 
idéntica a otra, o si son diferentes proteínas que catalizan una misma reacción (isoenzimas). 
• Si los Km en diferentes tejidos son iguales, significa que la enzima que cataliza dicha reacción es 
la misma. Si son Km distintos, la misma reacción es catalizada por diferentes enzimas. 
• Si conocemos Km podemos ajustar las condiciones de ensayo de forma que la concentración de 
sustrato sea mucho mayor que Km y con eso optimizar la actividad de la enzima. 
• Km indica la afinidad de la enzima por un sustrato, el sustrato con el menor valor de Km es el que 
tiene más afinidad por la enzima. 
La velocidad de una reacción enzimática es función de la concentración de sustratos. 
Curva de avance de una reacción 
catalizada por enzima. [P] es la 
concentración de producto y 
aumenta a medida que avanza la 
reacción. La velocidad inicial de la 
reacción, V0, es la pendiente de la 
parte lineal inicial de la curva. 
Nótese que la velocidad de reacción 
se incrementa al doble cuando se 
agrega el doble de enzima (2E, curva 
superior) a una mezcla de reacción 
que, por lo demás, es idéntica. 
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A concentraciones de sustratos iniciales muy pequeñas, la velocidad de reacción es directamente 
proporcional a la concentración de sustrato, y por lo tanto en la región se aproxima a una reacción de primer 
orden en el sustrato. A concentraciones iniciales de sustrato altas, todos los centros catalíticos están 
ocupados por el sustrato y por lo tanto la velocidad de reacción es independiente de la concentración de 
sustrato. En este punto, un aumento de la concentración de sustrato no puede aumentar la velocidad y por 
eso la velocidad es máxima. 
La ecuación de Michaelis-Menten (M-M) explica las curvas hiperbólicas que se obtienen cuando la velocidad 
es función de la concentración de sustrato (Figura 2 A). Como la curva de V en función de [S] es una hipérbola, 
se hace difícil determinar Vmáx y Km a partir de la gráfica directa pues involucra medir un valor asintótico de 
Vmáx, en general prácticamente imposible. Reestructurando la ecuación de M-M se logra transformarla en 
una ecuación lineal que tiene la forma: y = a x + b. El método más utilizado es el de los dobles recíprocos de 
Lineweaver-Burk en el que se representan las inversas de las velocidades en función de las inversas de las 
concentraciones de sustrato, resultando la gráfica de la Figura 2 B. 
 
Figura 2. Relación entre la velocidad de una reacción enzimática en función de la concentración del sustrato 
de acuerdo a la ecuación de Michaelis-Menten. A) Representación directa. B) Representación doble 
recíproca para el cálculo gráfico de Km y Vmáx. 
 
REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMATICA 
En el metabolismo celular, las enzimas trabajan juntas en rutas secuenciales para llevar a cabo un proceso 
metabólico determinado, como la degradación multireacción que ocurre en la fermentación de glucosa a 
lactato. En tales sistemas enzimáticos, el producto de reacción de una enzima se convierte en el sustrato de 
la siguiente. Cada vía incluye una o más enzimas reguladoras que exhiben una actividad catalítica aumentada 
o disminuida en respuesta a ciertas señales. Los ajustes en la velocidad de las reacciones catalizadas por 
enzimas reguladoras y, por tanto, en la velocidad de secuencias metabólicas completas, permiten que la 
célula satisfaga las necesidades cambiantes de energía y biomoléculas necesarias para el crecimiento y la 
reparación. En la mayoría de los sistemas multienzimáticos, la primera enzima de la secuencia es una enzima 
reguladora. Este es un lugar excelente para regular una vía, porque la catálisis de incluso las primeras 
reacciones de una secuencia que conduce a un producto innecesario desvía energía y metabolitos de 
procesos más importantes. 
En general, las enzimas reguladoras se vuelven catalizadores más activos cuando aumenta la concentración 
de sus sustratos o cuando disminuyen las concentraciones de los productos de sus rutas metabólicas. Al 
contrario, se vuelven menos activas cuando disminuyen las concentraciones de sus sustratos o cuando se 
acumulan los productos de sus rutas metabólicas. Las actividades de las enzimas reguladoras se modulan 
mediante mecanismos rápidos de dos maneras principales, la modulación alostérica no covalente y la 
regulación por modificación covalente: 
a. Las enzimas alostéricas funcionan mediante la unión reversible no covalente de compuestos 
reguladores llamados moduladores alostéricos o efectores alostéricos, que generalmente son 
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pequeños metabolitos o cofactores. Hasta cierto punto, la regulación alostérica (no covalente) puede 
permitir el ajuste fino de las vías metabólicas que se requieren de forma continua, pero en diferentes 
niveles de actividad a medida que cambian las condiciones celulares. 
b. Otras enzimas están reguladas por modificación covalente reversible. Se realiza por fijación o 
eliminación de grupos de la proteína. Suelen requerir de otras enzimas para su activación o 
inactivación y este tipo de regulación suele ser más lenta que la regulación alostérica. La proteólisis 
parcial y la fosforilación, por ejemplo, se emplean a menudo para regular la actividad catalítica de 
enzimas. 
También existen otros mecanismos de regulación como por ejemplo la inactivación permanente por 
modificación covalente irreversible, dado que la barrera entrópica alta evita la reunificación de las dos 
porciones de una proteína producida por hidrólisis de un enlace peptídico, la proteólisis constituye una 
modificación fisiológicamente irreversible. Otra forma de regulación enzimática opera mediante inducción o 
represión de la actividad mediada por mensajeros químicos como son las hormonas. En conclusión, los 
sistemas vivos para ajustar y coordinar todas las vías metabólicas que conforman su metabolismo, regulan a 
sus catalizadores las enzimas mediante múltiples mecanismos de regulación. 
Para realizar esta guía, puede ver las clases teóricas y consultar en alguno de los libros de Bioquímicarecomendados en la bibliografía del Aula Moodle o en cualquier otro. 
PROBLEMAS 
1) Definir y distinguir entre los siguientes términos: 
a. Catalizador y biocatalizador 
b. Enzima y sustrato 
c. Cinética enzimática y parámetros enzimáticos 
d. Cofactor enzimático e inhibidor enzimático 
 
2) Energía libre estándar y energía de activación: 
a. Indique qué modifica la actividad enzimática en una reacción: i) el cambio de energía libre 
estándar (ΔG°) de la reacción, ii) la energía de activación (ΔG°‡), iii) o ambas. 
b. Explique la diferencia que hay entre ΔG° de una reacción y ΔG°‡, realice un diagrama de 
perfil de energía (energía libre vs. progreso de la reacción). 
 
3) Completar la tabla sobre la nomenclatura de las siguientes enzimas. Puede utilizar el siguiente 
portal para realizar la búsqueda https://www.enzyme-database.org/ 
Nombre trivial 
Código 
numérico 
(EC) 
Nombre sistemático 
(Tipo de reacción 
catalizada) 
Sustratos Productos 
 4.2.1.2 
 2.4.1.1 
 5.3.1.9 
Glutamina sintetasa 
(Glutamine synthetase) 
 
 ADP + fosfato + 
L-glutamina 
 1.1.1.1 
Alanina transaminasa 
(Alanine transaminase) 
 
 piruvato + 
L-glutamato 
 6.4.1.2 
 
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4) Considerando la siguiente cadena de reacciones en la que la Enzima 1 (Enz1) cataliza el paso desde 
el sustrato A hacia B, la Enz2 catalizar el paso de B a C y la Enz3 cataliza el paso del sustrato C hacia 
el producto D: 
 
 
a. Explique que debería ocurrir para que haya un efecto alostérico negativo y sobre que 
enzima ocurriría. 
b. ¿Por qué no sería conveniente que el efecto alostérico se realice sobre la Enz3? 
 
5) La fosfofructoquinasa-1 de la bacteria Escherichia coli es un buen ejemplo de inhibición y activación 
alostérica. 
a. ¿Por qué el ADP actúa como un activador alostérico de la fosfofructoquinasa-1? 
b. Identifique cual es el inhibidor alostérico de la fosfofructoqinasa-1 y por qué ocurre el 
incremento del mismo. 
c. Diferencie sitio activo, de sitio alostérico (o sitio regulador). 
d. En esta enzima ¿dónde se unen el activador y el inhibidor alostérico? 
e. Realice un esquema mostrando la unión a la enzima de los sustratos y el activador 
alostérico. 
f. Existen dos estados en los que se pueden encontrar las enzimas alostéricas: la 
conformación T y la conformación R. Explique en qué consisten y cuando la 
fosfofructoquinasa-1 se encuentra en una u otra conformación. 
 
6) Teniendo en cuenta la siguiente tabla: 
Fumarato (mM) 1/[S] Vi (mM/min) 1/[Vi] 
2,0 2,5 
3,3 3,1 
5,0 3,6 
10,0 4,2 
100,0 - - 
 
a. Graficar V en función de [S]. 
b. Graficar 1/V en función de 1/[S] y calcular Km para el sustrato y Vmáx de la reacción. 
c. Calcule la Vi considerando la [S]=100mM y verifique si se alcanza la Vmáx. ¿Por qué ocurre 
esto? 
 
7) Responda las siguientes preguntas referidas a la inhibición enzimática: 
 
a. ¿Cómo puede distinguirse entre la inhibición competitiva de la no competitiva en 
términos de Km? 
b. ¿Por qué un inhibidor competitivo no cambia la Vmáx? 
c. ¿Por qué un inhibidor no competitivo cambia la Vmáx? 
 
 
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8) Teniendo en cuenta el siguiente gráfico: 
 
 
a. ¿De qué tipo de inhibición se trata? Explique en que consiste y cuál es el comportamiento 
de los parámetros enzimáticos. 
b. Si la recta de color negro corresponde a la actividad enzimática sin inhibición (Control), que 
representan las otras dos rectas. 
 
9) Teniendo en cuenta el siguiente cuadro: 
Hipurato de p-
nitrofenilo 
(mM) 
1/[S] 
Vi (mmol L-1 min. –1) 
Sin inhibidor 
1/Vi 
Vi (mmol L-1 min. –1) 
Con inhibidor 
1/Vi 
0,040 0,069 0,0417 
0,066 0,095 0,0570 
0,099 0,118 0,0771 
0,285 0,166 0,1250 
0,400 0,181 0,1430 
a. Graficar en el mismo eje de coordenadas, V en función de [S] y 1/V en función de 1/[S], 
con y sin inhibidor. 
b. Calcular Km para el sustrato para las reacciones con y sin Inhibidor. 
c. Calcular Vmáx de la reacción. 
d. ¿De qué tipo de inhibición se trata? Explique por qué. 
 
BIBLIOGRAFÍA 
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Interamericana, España. 
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