INST JOSE MARTI BIOCATALIZADORES BCM

1. BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR
UNIDAD NO. 1. INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGÍA CELULAR Y
MOLECULAR. BASES MOLECULARES DE LA VIDA.
TEMA 5: Otras biomoléculas de
importancia biológica.
Biocatalizadores.
• Introducción al estudio de los
biocatalizadores.
• Teoría del centro activo.
• Enzimas y Cinética enzimática.

2. ENERGÍA EN LOS SERES VIVOS
Trabajo químico Trabajo
químico
NUTRIENTES
O
X
I Trabajo mecánico
D ENERGÍA
A
C
I
Ó
N
Trabajo osmótico
CO2 + H2O

3. CONDICIONES NECESARIAS PARA QUE SE
PRODUZCA UNA REACCIÓN QUÍMICA
 Que los reactivos se pongan en
contacto.
 Que por su naturaleza química
sean capaces de reaccionar.
 Que choquen sus moléculas con la
fuerza suficiente y en la dirección
adecuada.

4. DIAGRAMA ENERGÉTICO DE LA REACCIÓN
V Complejo activado
A p/reacción
L directa
O
E1
R E3 = E2 Para que los reactivos
- E1
E alcancen la etapa de
p/reacción
S transición y la reacción
inversa se produzca, es
E2 necesario
E suministrarles una
N cierta cantidad de
Energía energía. A esta energía
E A+B de se la denomina
R reacción ENERGÍA DE
G ACTIVACIÓN.
Í
E3 C
Mientras mayor sea la
A energía de activación,
menor será la velocidad
Curso de la reacción de reacción.

5. CATALIZADORES
Son sustancias que tienen en
común la propiedad de aumentar
la velocidad de las reacciones
químicas, sin que su estructura o
concentración se modifique como
resultado de la reacción.

6. ¿CÓMO ACTÚAN LOS CATALIZADORES?
 Fijan y concentran sobre su superficie las
sustancias reaccionantes y las orientan en el
espacio.
 Interactúan con las sustancias
reaccionantes, creando tensiones en su
interior, que debilitan sus enlaces de modo
que es más fácil romperlos.

7. CATALIZADORES
 Abióticos (Ej: H2SO4, Pt, NAOH).
 Bióticos o biocatalizadores (Ej: enzimas).
Producida por bacterias
para defenderse de
ENZIMAS antibióticos betalactámicos
(penicilina, cefalosporina)
• Naturaleza proteica.
• Específicas.
• Versátiles.
• Gran eficiencia catalítica.
• Actividad susceptible de
regulación.

8. COMPARACIÓN ENTRE
CATALIZADORES
ASPECTOS ABIÓTICOS BIÓTICOS
Complejidad Menor Mayor
Estructural complejidad complejidad
estructural estructural
Especificidad Menor Mayor
especificidad especificidad
Eficiencia Menor eficiencia Mayor eficiencia
catalítica catalítica catalítica
FUNCIÓN Ambos aceleran la velocidad de
reacción.

9. DIAGRAMA ENERGÉTICO DE LA
REACCIÓN NORMAL Y
CATALIZADA
V
A
L Reacción no catalizada
O
E1
R
E
S
Reacción catalizada
E E2
N
E A+B
R
G C
E3
Í
A Curso de la
reacción
Los catalizadores facilitan y aceleran las reacciones químicas, porque disminuyen la cantidad de
energía de activación que se necesita para que estas ocurran.

10. ¿QUÉ SON LAS ENZIMAS?
Catalizadores bióticos con naturaleza proteica que presentan
especificidad de reacción tanto para la reacción en sí como
para el reactante (sustrato).

11. MECANISMO BÁSICO DE ACCIÓN
DE LAS ENZIMAS
S
E
E ES
Etapa de Etapa de P
unión transformación
La unión enzima sustrato se logra mediante:
 Acoplamiento espacial (las superficies moleculares de ambos tienen
formas complementarias).
 Acoplamiento químico (grupos funcionales complementarios del enzima y
el (los) sustrato(s) establecen diferentes tipos de interacciones débiles
entre sí).

12. CENTRO ACTIVO
Es una concavidad o hendidura en la superficie
de las proteínas enzimáticas donde el sustrato
se une por fuerzas no covalentes de forma
específica a la enzima.
Centro
activo

13. ESTRUCTURA DEL CENTRO ACTIVO
E  S; por tanto sólo entra en
contacto con el sustrato en una
pequeña zona específica de su
Función estructura.
enlazante
+ y Las proteínas enzimáticas
-OH catalítica presentan 2 regiones o sitios
-
CH -
3
importantes:
• Ligando (sitio de reconocimiento)
• Catalítico (cataliza la reacción
cuando el sustrato se ha unido).
Estos 2 sitios están adyacentes
uno al otro y en conjunto reciben
el nombre de centro activo.
Bioquímica Médica. Cap. 15: Págs. 267-270 y 272

14. COMPONENTES DEL CENTRO ACTIVO
Son cadenas laterales de a.a. de
Formado por la parte monótona naturaleza apolar. Contribuyen a
de la estructura polipeptídica; sus que éste no permita la entrada del
pliegues y repliegues contribuyen agua, permitiendo que se
de manera importante a dar la refuercen las interacciones
forma tridiniensional del centro débiles entre la enzima y el
activo. sustrato.
EJE GRUPOS DE
PEPTÍDICO AMBIENTACIÓN
GRUPOS DE GRUPOS DE
FIJACIÓN CATÁLISIS
Cadenas laterales de a.a. con grupos Cadenas laterales de a.a. que
funcionales capaces de establecer están implicadas de forma
interacciones específicas con el directa en la transformación
sustrato (ptes de H, uniones salinas del sustrato.
y fuerzas de Van der Waals).

15. UNIÓN ENZIMA-SUSTRATO
En la actualidad se habla de la teoría “mano-guante”.

16. FACTORES QUE MODIFICAN LA
ESTRUCTURA DEL CENTRO ACTIVO
 Modificadores de la distribución eléctrica del centro
activo, como el pH del medio.
 Análogos estructurales a los sustratos no
susceptibles de ser transformados ocasionan la
pérdida de la actividad enzimática al “entretener” al
centro activo.
 Sustancias capaces de reaccionar específicamente
con grupos del centro activo y modificarlo (en los
casos en que esta sustancia anula la actividad
catalítica de la enzima se denomina “sustrato
suicida”).
Modificaciones drásticas, como por ejemplo la desnaturalización,
conllevan a alteraciones que afectan las uniones enzima-sustrato

17. CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS
 Oxidorreductasas.
 Transferasas.
 Hidrolasas.
 Liasas.
 Isomerasas.
 Ligasas.
Bioquímica Médica. Cap. 15: Págs. 276-281

18. CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS
Clase I. Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de
oxido-reducción o redox.
La oxidación-reducción se puede producir de 3 formas:
Oxidación Reducción
1- Ganancia de oxígeno 1- Pérdida de oxígeno.
2- Pérdida de hidrógeno 2- Ganancia de hidrógenos
3- Pérdida de electrones 3- Ganancia de electrones
Ej: enzimas deshidrogenasas y
oxidasas como la succínico
deshidrogenasa.

19. CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS
 Clase II. Transferasas: Catalizan reacciones en las
que se transfieren grupos funcionales de un compuesto
a otro. Ej: quinasas: catalizan reacciones
de transferencia de grupos
fosfatos donde intervienen
nucleósidos di o trifosfatados.
 Clase III. Hidrolasas: Catalizan reacciones de
hidrólisis, es decir de ruptura de enlaces con la
intervención del agua. A este grupo pertenecen las
enzimas digestivas.
Ej: Arginasa

20. CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS
Clase IV. Liasas: Catalizan la adición y
separación de grupos químicos funcionales a
dobles enlaces (Ej: fumárico hidratasa)
Clase V. Isomerasas: Catalizan reacciones de
isomerización, que producen reordenaciones
de los átomos dentro de la molécula.
Clase VI. Ligasas o sintetasas:
Catalizan la unión de dos moléculas
para sintetizar una mayor. Obtienen la
energía necesaria para crear el enlace
de la hidrólisis del ATP.

21. EJEMPLOS DE CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS
Clase de enzima Ejemplo Reacción catalizada
Dinucleótido
Etanol nicotidamina
adenina
(participa en una de las
reacciones de la glucólisis)
Acetaldehído
(unir moléculas en
presencia de ATP)
(Gluconeogénesis)

22. IMPORTANCIA DE LAS ENZIMAS
Enzimas digestivas: metabolizan los alimentos. Proteasa (proteínas), amilasa
(almidones) y lipasa (grasas).
Enzimas metabólicas: presentes en cada célula del cuerpo. Ayudan a limpiar el
organismo de deshechos metabólicos y toxinas, proveen energía, reparan las
células y luchan en contra de la infección.
Enzimas de los alimentos: presentes en comidas crudas (mayor concentración en
brotes, granos y legumbres). Ayudan en la digestión y aumentan el funcionamiento
de enzimas metabólicas y digestivas (en su mayoría destruidas cuando los
alimentos son cocinados).
Estudios científicos en tejidos de personas jóvenes y personas de edad avanzada
muestran que los tejidos y células de la gente joven, tienen 10 veces más enzimas
que los tejidos y células de la gente mayor. Si los niveles de enzimas están
disminuidos, los procesos de reparación celular y de defensa (sistema inmune) no
se llevan a cabo eficientemente y el proceso de envejecimiento celular se acelera.

23. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD
DE LAS REACCIONES ENZIMATICA
 Concentración de enzimas.
 Concentración de sustrato.
 Temperatura.
 pH del medio.
 Presencia de activadores.
 Presencia de inhibidores.
Bioquímica Médica. Cap. 16: Págs. 283-284

24. DEFINICIÓN DE PARÁMETROS
CINÉTICOS
 Velocidad de reacción:
Cantidad de sustrato que se transforma en
producto en la unidad de tiempo.
 Velocidad inicial de la reacción:
Es la velocidad de la reacción cuando aún
no se ha consumido el 10 % del sustrato
inicial.

25. CONCENTRACIÓN DE ENZIMA
V
e
l Evidencia la
o relación de
c proporcionalidad
i directa entre la
d velocidad de la
a reacción y la
d concentración de
I la enzima, lo cual
n es el fundamento
i de toda la cinética
c Enzimática.
i
a
l Concentración de enzima
La actividad catalítica de las enzimas se expresa en unidades de enzima, y ésta es igual
a la cantidad de enzima que cataliza la transformación de 1 micromol de sustrato por
minuto, bajo condiciones específicas.

26. CONCENTRACIÓN DE SUSTRATO
Saturación de la enzima
V V máxima por el sustrato
e
l
 A mayor c(S) mayor velocidad de
o reacción.
c  Los incrementos en la velocidad no
i son uniformes, sino cada vez
menores; cuando se alcanza un
d
determinado valor de la c(S), la
a velocidad se hace prácticamente
d
Vmáx/2 constante (Vmáx).
 La concentración de sustrato para la
I cual la velocidad de la reacción es
n igual a la mitad de Vmáx es la
i constante de Michaelis-Menten (Km),
que constituye un índice de afinidad
c de la enzima por el sustrato (a mayor
i Km menor afinidad).
a
l Km Concentración de sustrato

27. PARÁMETROS CINÉTICOS
• VELOCIDAD MÁXIMA (VMAX):
 Es la velocidad de la reacción
cuando la enzima está saturada de
sustrato.
 Refleja la capacidad catalítica total
de la enzima.
 Se relaciona con la etapa de
transformación del mecanismo
básico de acción de las enzimas.

28. PARÁMETROS CINÉTICOS
• CONSTANTE DE MICHAELIS-MENTEN (KM):
 Es la concentración de S a la cual se
alcanza la mitad de la Vmáx.
 Indicador de la afinidad de la enzima por
el sustrato.
 Se relaciona con la etapa de unión del
mecanismo básico de acción de las
enzimas.

29. EFECTO DE LA TEMPERATURA
 El aumento de la temperatura
refleja un aumento de la
energía cinética de las
moléculas, lo cual favorece la
colisión entre las moléculas de
V enzima y sustrato.
e I  Mientras mayor sea la
l n temperatura, mayor es el
número de choques y mayor la
o i velocidad de la reacción.
c c  A partir de un valor de
i i temperatura comienza la
d a desnaturalización de la proteína
a l
Cap. 16: Pág. 292
enzimática y con ello la pérdida
de su actividad.
d
Temperatura

30. EFECTO DEL pH
Gráfica en forma de
campana en la que se
puede determinar la
V zona de pH óptimo.
e I Cap.aumento o disminución
Un
16: Pág. 291
l n del pH en relación con el
o i pH óptimo provoca una
c c disminución de la
i velocidad de la reacción.
i
d a
a l
d
pH óptimo
pH al que la enzima alcanza su pH
conformación más activa

31. EFECTO DE INHIBIDORES
ENZIMÁTICOS
• INHIBIDORES:
 Son sustancias que disminuyen la
velocidad de las reacciones catalizadas
por enzimas.
 Pueden ser:
 Competitivos.
 No competitivos.
Cap. 16: Págs. 292-295

32. INHIBICIÓN COMPETITIVA
Estructura del inhibidor
semejante a la del sustrato
Sustrato
Enzima
Inhibidor Producto
Ocupa el centro activo de la enzima
haciéndolo inaccesible al sustrato

33. Velocidad de reacción
El aumento de
VM
Km indica que
VM existe una
2 disminución de
la afinidad de la
KM KM’ enzima por el
[S [
sustrato.
Reacción no inhibida
Reacción inhibida competitivamente
Los inhibidores competitivos no afectan la VMáx,
pero si aumentan el valor de KM (c (S) a la que se alcanza la Vm).
El aumento de la concentración del sustrato hasta valores elevados
puede impedir la entrada del inhibidor.

34. INHIBICIÓN NO COMPETITIVA
No son análogos
estructurales
Complejo
Enzima
Sustrato
Inhibidor
Sustrato
Producto
El inhibidor no competitivo no se aloja en el
centro activo y no puede impedir la entrada del
Inhibidor sustrato, pero sí dificulta su transformación,
inhibiendo la capacidad catalítica de la enzima.

35. Velocidad de reacción
VM
KM [S [
KM’
Reacción no inhibida
Reacción inhibida no competitivamente
En la inhibición no competitiva la KM no se modifica
y la velocidad máxima ( VM) se hace menor.

36. ALGUNOS USOS O APLICACIONES DE
INHIBIDORES
Algunos medicamentos utilizados diariamente en la práctica médica
son inhibidores enzimáticos (Ej: las sulfamidas que se emplea en el
tratamiento de infecciones bacterianas al detener el crecimiento de
colonias bacterianas).
En la industria armamentista química se emplean inhibidores
enzimáticos que al bloquear determinadas reacciones pueden
dañar un órgano o tejido específico si la enzima que resulta
inhibida está presente sólo en él, o al organismo en su totalidad
si la enzima inhibida está muy distribuida en el mismo. Ej:
compuestos con estructura organofosforada actúan inhibiendo
enzimas implicadas en las funciones nerviosas
(acetilcolinesterasa) que cataliza la hidrólisis de la acetilcolina
(neurotransmisor). Los síntomas finales corresponden a
bloqueos del sistema nervioso central, con asfixia y pérdida de
visión.
La lucha contra la producción, almacenamiento y utilización de las armas químicas
debe constituir una posición de principio de todo científico, pues es parte del
comportamiento ético impedir el uso de los avances de la ciencia en perjuicio de la
humanidad.