Generalidades Enzimas

 GENERALIDADES SOBRE ENZIMAS

LAS ENZIMAS COMO CATALIZADORES BIOLÓGICOS.

 Definiciones y Unidades de actividad 

Las enzimas son biocatalizadores complejos de gran especificidad y eficiencia, producidos por las células de organismos vivos, que aumentan la velocidad de las reacciones biológicas a través de vías bien definidas y cuya actividad está sujeta a regulación. Las sustancias sobre las que actúan las enzimas, transformándolas, se denominan substratos.La actividad de las enzimas se expresa generalmente por la, velocidad de la reacción catalizada, a través de las siguientes

UNIDADES:

UNIDAD INTERNACIONAL DE ACTIVIDAD ENZIMÁTICA: Es la cantidad de enzima que cataliza la transformación de 1 micromol de substrato por minuto, bajo condiciones bien definidas (condiciones estándar). Esta es la expresión básica de la velocidad de la reacción. Se ha sugerido que la temperatura debe ser, en lo posible, de 30°C y que las otras condiciones, tales como pH y concentraciones de substratos, debieran ser las óptimas para la actividad enzimática.

KATAL (símbolo: kat):

Es la cantidad de enzima que cataliza la transformación de 1 mol de substrato por segundo. Esta unidad ha sido introducida recientemente por la Unión Internacional de Bioquímica 1 kat = 6 x unidades internacionales.
La Unidad Anson se ocupa cuando se usa hemoglobina como substrato: 1 Unidad Anson = aquella cantidad de enzima que, bajo las condiciones del test, libera 1 mmol (1 milimol = mol) de aminoácidos positivos al reactivo de Folin por minuto, calculados como tirosina. La miliunidad Anson corresponde a 1 mol (= mol) de tirosina.
(El R. de Folin - Ciocalteu para fenoles contiene tungstato y molibdato de sodio, sulfato de litio, HC1, y bromo y da color violeta con los aminoácidos fenólicos) (36,76).

ACTIVIDAD ESPECÍFICA:

Es el número de unidades de enzima por mg de proteína. Es una medida muy utilizada para expresar la actividad de preparaciones enzimáticas.

ACTIVIDAD MOLECULAR

(número de recambio): Es el número de moléculas de substrato, transformadas, por minuto, por una molécula de enzima. Se calcula dividiendo la velocidad máxima de la enzima por el peso molecular; es una característica de las enzimas individuales y no refleja la pureza de la preparación.

Si la enzima respectiva contiene un grupo prostético, una coenzima o un centro catalítico (véanse éstos más adelante), cuya concentración sea medible, la actividad enzimática puede expresarse también por el número de moléculas de substrato, transformadas por minuto, por cada centro catalítico (10).

. Estructura de las enzimas.

Son proteínas cuyo peso molecular cubre un amplio rango. Por ej., La ribonucleasa, que hidroliza los ácidos ribonucleicos, tiene un PM de 13.700 daltons y está constituida por una sola cadena polipeptídica de 124 aminoácidos. En cambio, la aldolasa, una enzima implicada en el metabolismo de la glucosa, está constituida por 4 subunidades de 40.000 daltons cada una.

 Cofactores y Coenzimas (4-9).

Existen enzimas cuya función catalítica se debe exclusivamente a su naturaleza proteica, pero hay otras en que sus propiedades catalíticas, aunque relacionadas con su naturaleza proteica, dependen para su actividad óptima de la presencia de una estructura no proteica y termoestable llamada cofactor. Los cofactores pueden ser simples iones inorgánicos
o sustancias orgánicas más o menos complejas. Cuando los cofactores orgánicos están fuertemente unidos a la proteína enzimática (por enlace covalente) y son específicos para esa enzima, se denominan grupos prostéticos (p. ej., el grupo de la hemoglobina). Si los cofactores orgánicos están más débilmente unidos (interacción no covalente) a la proteína y por ello no se asocian a ella permanentemente (generalmente se unen sólo en el curso de la reacción), se denominan coenzimas. La mayoría de estas coenzimas derivan de las vitaminas, especialmente las del complejo B. Muchas dishidrogenasas requieren la coenzima nicotinamida-adenina-dinucleótido (NAD⁺) o su derivado de fosfato (NADP⁺), las cuales provienen de la niacina.

 

El ácido pantoténico es un componente esencial de la coenzima A, la cual funciona como un transportador transitorio de grupos acilo en el metabolismo. La biotina es un transportador de en las enzimas que catalizan ciertas reacciones de carboxilación y decarboxilación. El ácido tetrahidrofólico, una forma reducida de la vitamina, el ácido fálico, participa en las reacciones de transferencia de grupos de un átomo. La vitamina B12, en su forma de coenzima, funciona en la transferencia de grupos alquilo de ciertas reacciones enzimáticas.
En el lenguaje corriente de la enzimología, el componente proteico se denomina apoenzima y el complejo completo de proteína y cofactor se llama holoenzima. Generalmente la apoenzima es inactiva como catalizador. Algunas enzimas requieren dos o tres cofactores distintos y corrientemente uno de ellos es un ion metálico.

 Substratos de Enzimas.

 

Constituyen las sustancias que son transformadas específicamente por las enzimas.
Se usan para medir la actividad catalítica de las enzimas y, secundariamente, también para determinar el carácter especifico de una acción enzimática.
Para que una sustancia sea apropiada como substrato de una enzima debe reunir los siguientes requisitos:
a) Que experimente una transformación bien definida por la acción catalítica de la enzima;
b) Que sea específica para la enzima respectiva o el grupo muy restringido de enzimas. Ej.: el almidón para las alfa- y beta- amilasas;
c) Que según las condiciones del ensayo, previamente fijadas, no sufra una descomposición espontánea o produzca otras reacciones no catalizadas por la enzima;
d) Que la transformación del substrato que es catalizada por la enzima. Sea fácilmente medible. Ejemplos son los siguientes:
- formación estequiométrica de un producto coloreado;
- una modificación definida en la absorción al ultravioleta (ej.: NADH;
- liberación de un ácido o de un álcali que sean medibles por titulación (ej.: liberación de carboxilos en la pectina por la pectino-estearasa);
- si no se dan estas posibilidades, por acoplamiento con otras reacciones químicas o enzimáticas, llamadas reacciones indicadoras (por ej.: la reacción química (de fosfatasa en leche), del fenol liberado con la dibromoquinon-clorimida para dar indofenol, de color azul).

Otro ejemplo de una segunda reacción enzimática acoplada es la transformación específica de la glucosa por la glucosa-oxidasa en D-glucono-delta-lactona y peróxido de hidrógeno. Este último es desdoblado por adición de peroxidasa con liberación de oxígeno, reconocible por un reactivo cromógeno, que actúa como donador de hidrógeno, como la orto-toluidina o la paraanisidina; midiéndose, finalmente, la intensidad de la coloración resultante.

Los substratos enzimáticos pueden tener dos orígenes:

- Substratos naturales de las respectivas enzimas, como por ej., El almidón (para amilasas) o el etanol (para la alcohol dehidrogenasa);
- Derivados de substratos naturales, obtenidos por síntesis con una estructura química tal que aún son reconocidos y transformados por la respectiva enzima con formación de productos, ya sea coloreados o fácilmente medibles por otro mecanismo. Ejemplos son: 4-nitroanilidas de aminoácidos, para proteasas, y
- nitrofenil-derivados de azúcares, para glucosidasas.

Las reacciones químicas se realizan en los seres vivos a gran velocidad, en condiciones muy moderadas de temperatura, pH, presión, etc., gracias a la existencia de catalizadores denominados enzimas.  Las enzimas se caracterizan por su notable eficiencia y su extraordinaria especificidad.

      La gran mayoría de las enzimas son proteínas, también existe ARN con actividad catalítica (ribozimas). Algunas enzimas son proteínas simples y otras, proteínas conjugadas asociadas con otra molécula no proteica, de pequeño tamaño, la coenzima o cofactor. En función de su naturaleza se denominan:

1. Cofactor. Cuando se trata de iones o moléculas inorgánicas. (Cofactores). Algunos cofactores entran a formar parte del sitio activo y son integrantes de la proteína enzima (metaloproteínas) ; otros al parecer, establecen un enlace entre la enzima y el sustrato.
2. Coenzima. Cuando es una molécula orgánica. Aquí se puede señalar, que muchas vitaminas funcionan como coenzimas; y realmente las deficiencias producidas por la falta de vitaminas responde más bien a que no se puede sintetizar una determinada enzima en el que la vitamina es la coenzima.

 

Bibliografia:
PROF. DR. MARIO SAPAG-HAGAR
PROF. DR. HERMANN SCHMIDT-HEBBEL
 http://catbioqmed.bravehost.com/contenzi.htm
http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/lb/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/schmidth02/parte02/01.html

Clasificación de las Enzimas

CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS 

 

Actualmente, mas de mil enzimas han sido aisladas y clasificadas de acuerdo con el substrato específico sobre el cual actúan.

Entre las numerosas clasificaciones, algunas se basan en las reacciones que catalizan las enzimas, otras en el substrato sobre el que actúan e incluso muchas enzimas se designan con nombres triviales de origen histórico.

La comisión de Enzimas de la Unión Internacional de Bioquímica introdujo en 1964, para uniformar la nomenclatura, la siguiente clasificación sistemática, en la cual se consideran 6 grupos principales de enzimas de acuerdo al tipo reacción implicada:

1. Oxidorreductasas:

Catalizan una amplia variedad de reacciones de óxido-reducción, empleando coenzimas, tales como NAD⁺ y NADP⁺, como aceptor de hidrógeno. Este grupo incluye las enzimas denominadas comúnmente como deshidrogenasas, reductasas, oxidasas, oxigenasas, hidroxilasas y catalasas.

2. Transferasas:

Catalizan varios tipos de transferencia de grupos de una molécula a. otra (transferencia de grupos amino, carboxilo, carbonilo, metilo, glicosilo, acilo, o fosforilo). Ej.: aminotransferasas (transaminasas).

3. Hidrolasas:

Catalizan reacciones que implican la ruptura hidrolítica de enlaces químicos, tales como C=O, C-N, C-C. Sus nombres comunes se forman añadiendo el sufijo -asa al nombre de substrato. Ejs.: lipasas, peptidasas, amilasa, maltasa, pectinoesterasa, fosfatasa, ureasa. También pertenecen a este grupo la pepsina, tripsina y quimotripsina.

4. Liasas:

También catalizan la ruptura de enlaces (C-C, C-S y algunos C-N, excluyendo enlaces peptídicos), pero no por hidrólisis. Ejs.: decarboxilasas, citrato-liasa, deshidratasas y aldolasas.

5. Isomerasas:

Transforman sus substratos de una forma isomérica en otra. Ejs.: Epimerasas, racemasas y mutaras.

6. Ligaras:

Catalizan la formación de enlace entre C y O, S, N y otros átomos. Generalmente, la energía requerida para la formación de enlace deriva de la hidrólisis del ATP. Las sintetasas y carboxilasas están en este grupo.

CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS DE LOS ALIMENTOS

Braverman (4) distingue dos importantes grupos de enzimas de los alimentos: las Hidrolasas y las Desmolasas o Enzimas Oxidantes (3, 14).

1. LAS HIDROLASAS comprenden las:

1.1. ESTERASAS, entre las cuales son de importancia en los alimentos:

a) Lipasas, que hidrolizan los ésteres de ácidos grasos;
b) Fosfatasas, que hidrolizan los ésteres fosfóricos de muchos compuestos orgánicos, como, por ejemplo, glicerofosfatos, almidones fosforilados:c) Clorofilasas. En la industria alimentaría debe tratarse de retener el color verde de la clorofila, en el caso de los vegetales deshidratados o en conservas. Por ello puede protegerse el color natural (retención de clorofila de hasta 60%) por los siguientes tratamientos:

- Pretratamiento por inmersión (ej., Arvejas), a temperatura ambiente, en solución de bicarbonato de sodio al 2% por espacio de 30 a 40 min.- Escaldado en solución de hidróxido de calcio 0,005 M.- Procesamiento en salmuera, que lleva adicionada hidróxido de magnesio (0,020-0,025 M.) .

El pH en estos casos se eleva a 8 en el primer tiempo y se mantiene durante el escaldado y la esterilización posterior.

d) Pectino-esterara, enzima importante en la industria de derivados de frutas (véanse éstas) .

1.2 CARBOHIDRASAS, que se clasifican en:

a) Hexosidasas, entre las que interesan la invertasa y la lactasa; yb) Poliasas, que comprenden las amilasas, las celulasas y la poligalacturinasa o pectinasa, que actúa sobre el ácido péctico o poligalacturónico, dando moléculas de ácido galacturónico, carentes de poder gelificante; de importancia en la elaboración de zumos y néctares de frutas.

1.3 PROTEASAS, que se clasifican en:

a) Proteinasas, endoenzimas que rompen las uniones peptídicas: -CO-NH de las proteínas, algunas de las cuales son muy resistentes al ataque de la enzima proteolítica, en su estado nativo; por el calor u otros agentes se puede abrir la molécula proteica, de modo que entonces las uniones peptídicas pueden ser atacadas por estas enzimas;
b) Peptidasas, que rompen las uniones de los péptidos hasta la liberación final de moléculas de aminoácidos;
c) Catepsinas, a cuya acción en el músculo proteico se deben los procesos autolíticos en la maduración de la carne. El tejido vivo tiene un pH desfavorable para la acción de estas enzimas, pero a la muerte del animal baja el pH al acumularse ácido láctico por degradación del glicógeno. Al alcanzar un pH 4,5 se hace óptimo para la liberación y acción de la enzima, apareciendo los respectivos cambios en la textura y demás caracteres de la carne, yd) Renina, Quimosina o Fermento Lab, que se encuentra en el cuarto estómago del ternero alimentado sólo con leche materna y que causa la coagulación de la leche (Véase en "Aplicación de enzimas en la Industria Lechera") .

2. DESMOLASAS O ENZIMAS OXIDANTES.

Entre ellas son de interés en alimentos:

2.1 Oxidasas, que comprenden:

a) Las Oxidasas Férricas:
Catalasa, responsable de la pérdida de color y olor de vegetales congelados, y
Peroxidasa, que se encuentra en verduras y frutas cítricas. Su estudio es de gran interés en la industria de alimentos por ser una de las enzimas más estables al calor y requerir mayor tiempo de inactivación, con el agravante de que en ciertas condiciones puede regenerar su actividad con el tiempo;b) A las Oxidasas Cúpricas pertenecen la poli fenol-oxidasa, tirosinasa, catecolasa, relacionadas con el Pardeamiento Enzimático (véase éste) y la ascórbico-oxidasa.

2.2 Dehidrogenasas.

Entre éstas se encuentran las enzimas siguientes:

Xantino-oxidasa, que es una flavoproteína con molibdeno y cataliza la oxidación de xantina y aldehídos como el fórmico, actuando como aceptor de H el azul de metileno, al transformarse en su leuco-derivado; en esto se basa su aplicación analítica en el control térmico de la leche y en la detección de leche de vaca en leche humana, pues esta última no contiene esta enzima;

Lipoxidasa, que cataliza la oxidación de ácidos grasos poliinsaturados y secundariamente también al caroteno de frutas y verduras deshidratadas, a través de los peróxidos formados.

Importancia de las enzimas

IMPORTANCIA DE LAS ENZIMAS EN LA INDUSTRIA

  

  

La importancia de las enzimas para la ciencia de los alimentos esta determinada por las condiciones que prevalecen en el interior y en el exterior del producto. Para regular la actividad enzimática durante la conservación y procesado, es necesario controlar tales condiciones.

Temperatura

En general las enzimas operan muy lentamente a temperaturas de coagulación y su actividad aumenta cuando lo hace la temperatura .

La mayor parte de las enzimas presentan su actividad máxima en el intervalo de 30 a 40 °C y por encima de 45°C comienzan a desnaturalizarse.

La inactivación de las enzimas por el calor esta relacionada con la química de las proteínas y su desnaturalización térmica .

La desnaturalización de una proteínas se ha definido como:

“Un cambio de importancia en la estructura original, sin rotura de ninguno de los enlaces químicos primarios que unen entre sí a los aminoácidos “

El término inactivación de una enzima se refiere a la pérdida de la actividad.

El tratamiento térmico de los alimentos suele tener como objetivo la inactivación de las enzimas de manera enzimas irreversiblemente.

DESNATURALIZACIÓN

 

La mayoría de las enzimas se desnaturalizan fácilmente por el calor; a temperaturas de 70 y 80 °C se impide la actividad enzimático.

De aquí que se conserven mejor los alimentos cocinados que los crudos.

Por ejemplo: de continuar la presencia de enzimas en un alimento lo que tendríamos es cambios en la clorofila o en los carotenos o una modificación en el sabor de las grasas( rancidez) o un cambio en el valor nutritivo de las proteínas o vitaminas o simplemente una modificación en la textura de los alimentos.

El calentamiento es un método conveniente para destruir a los microorganismos de los alimentos de aquí que con el mismo procedimiento se logran dos objetivos diferentes

1- La preservación microbiológica

2- La estabilización enzimático de los alimentos (inactivación enzimático).

 

Sin embargo se dan casos en que las enzimas después del calentamiento se regeneran .

La in activación térmica se basa a la pérdida de la estructura y por tanto de los sitios activos.

La regeneración se debería, entonces a un proceso de reorganización de la molécula de proteína que conduce a la restauración de los sitios activos

La estabilidad de los alimentos frente a la acción enzimática depende de la temperatura, pH, del estado físico de la enzima.

Conservación por frío

La principal razón por la que los alimentos se exponen a bajas temperaturas , especialmente los productos congelados, es la de evitar el crecimiento de microorganismos manteniendo en lo posible atributos de calidad del alimento así como una perdida parcial de la actividad enzimática.

Algunas enzimas se desnaturalizan en un grado significativo durante la congelación y descongelación muchas otras no se ven afectadas.

Un mayor descenso en la temperatura da como resultado una reducción de la actividad enzimático.

Efecto del pH

Los pH extremos suelen inactivar a las enzimas por lo general, las enzimas presentan una máxima actividad a un valor determinado de pH, al que se le denomina “pH óptimo”.

La mayor parte de las enzimas presentan su actividad máxima a pH entre (4,5- .

Existen, sin embargo , enzimas con un pH óptimo extremo , como la pepsina , que presenta tiene un pH de 1,8 o la arginasa cuyo pH es de 10.

A pHs extremos, la actividad enzimática suele decaer irreversiblemente debido a procesos de desnaturalización proteica.

En un proceso industrial , el pH puede ser controlado para evitar inhibir o potenciar al máximo una reacción enzimática. Por ejemplo puede impedirse la actividad de la fenolasa reduciendo el pH del sistema por debajo de tres. En los frutos suele conseguirse esto por el efecto de acidificantes naturales , como el ácido cítrico, málico o fosfórico.

Al comprobar experimentalmente la influencia del pH en la velocidad de las reacciones enzimáticas se obtienen curvas que indican que los enzimas presentan un pH óptimo de actividad. El pH puede afectar de varias maneras:

1) El centro activo puede contener aminoácidos con grupos ionizados que pueden variar con el pH.

2) La ionización de aminoácidos que no están en el centro activo puede provocar modificaciones en la conformación de la enzima.

3) El sustrato puede verse afectado por las variaciones del pH.

Algunos enzimas presentan variaciones peculiares. La pepsina del estómago, presenta un óptimo a pH=2, y la fosfatasa alcalina del intestino en pH= 12

Los pH extremos suelen inactivar a las enzimas por lo general, las enzimas presentan una máxima actividad a un valor determinado de pH al que denominamos pH óptimo.

La mayor parte de las enzimas presentan actividad máxima a intervalo de pH de 4.5 – 8.0

Tipos de enzimas digestivas

  

Existen más de 20 enzimas diferentes que permiten la digestión de los alimentos y la asimilación de los nutrientes a lo largo del sistema digestivo.

La mayor parte se forman en el interior de células presentes en la boca, el estómago, el páncreas y el intestino delgado, es decir, a lo largo del tubo digestivo y en glándulas anejas. Los tres grupos principales de enzimas son los siguientes:

Proteolíticas: Descomponen las proteínas en sus fracciones más simples, los aminoácidos.

Lipasas: Son las enzimas que disgregan las grasas o lípidos en sus componentes más simples para que estos puedan ser utilizados.

Amilasas: Son necesarias para la digestión y el aprovechamiento de los hidratos de carbono.

¿Y si no se producen suficientes?

Cuando el organismo no produce en cantidad adecuada ciertas enzimas digestivas, se producen unas consecuencias concretas y conocidas:

1.- La digestión de los nutrientes no es completa y, en consecuencia, puede producirse una carencia o déficit nutricional, al margen de que la

dieta aporte teóricamente lo que el organismo necesita.

2.- Puesto que los alimentos sólo se digieren parcialmente, las bacterias que pueblan nuestro intestino realizan procesos de fermentación, y los alimentos a medio digerir sufren además reacciones de putrefacción, lo que se asocia a hinchazón, gases, malestar, pesadez, y a una acumulac

ión de productos tóxicos que pueden pasar al torrente sanguíneo, dando un trabajo extra a los sistemas de eliminación de deshechos del organismo.

3.- La carencia de enzimas también se relaciona con ciertos problemas de piel, fatiga, dolores musculares o articulares e incluso con alergias e intolerancia de origen alimentario.

En nuestra dieta hay alimentos que son fuente de enzimas digestivas; en particular las hortalizas, los germinados -brotes de soja, de alfalfa,

etc.-, ciertos alimentos fermentados como el miso y las frutas frescas de consumo en crudo. No obstante, cuando se produce la carencia significativa de enzimas es preciso recurrir a preparados especiales que ayuden a la digestión, además de cuidar la dieta para poder gozar de una buena salud.

Los preparados enzimáticos suelen incluir enzimas digestivas proteolíticas como la bromelina o bromelaína y la papa

ína, extraídos de la piña y de la papaya respectivamente. Así mismo hay preparados específicos de lactasa, enzima que descompone la lactosa de la leche en sus componentes más simples: la glucosa y la galactosa. Muchos de los preparados que se comercializan hoy día incorporan además de los enzimas descritos, otros enzimas similares a los que produce el páncreas -proteolíticas, lipasas y amilasas-, así como antioxidantes y aminoácidos.

La deficiencia de enzimas puede emperorar algunos padecimientos:

• Amilasa: cambios de humor, fatiga, alergias, depresión
• Proteasa: cándida, gingivitis, insomnio
• Lipasa: acné, psoriasis
• Combinación de las anteriores: fatiga crónica, alergias, frecuentes resfriados

La única manera de recibir las enzimas es a través de los alimentos, preferiblemente frutas y vegetales crudos o cocinados al vapor por corto tiempo y los jugos de frutas y vegetales en su forma natural.

Las enzimas tomadas como suplemento son destruidas en el estómago y el intestino delgado, digeridas como cualquier otra proteína. La única excepción a esas son las enzimas digestivas indicadas a veces a personas con problemas de la digestión.