Diferencia entre revisiones de «Enzima»
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[[Archivo:TPI1_structure.png|thumb|310px|Estructura de la [[triosafosfato isomerasa]]. Conformación en forma de [[Estructura de las proteínas|diagrama de cintas]] rodeado por el modelo de relleno de espacio de la proteína. Esta [[proteína]] es una eficiente enzima involucrada en el proceso de transformación de [[azúcar]]es en [[energía]] en las células.]] |
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Los mexicas (náhuatl mēxihcah [meː'ʃiʔkaʔ][1] ) —llamados en la historiografía occidental aztecas— fueron un pueblo indígena de filiación nahua que fundó México-Tenochtitlan y hacia el siglo XV en el periodo Posclásico tardío se convirtió en el centro de uno de los Estados más extensos que conoció Mesoamérica asentados en un islote al poniente del Lago de Texcoco hoy prácticamente desecado, sobre el que se asienta la actual Ciudad de México. Aliados con otros pueblos de la cuenca lacustre del valle de México —Tlacopan y Texcoco—, los mexicas sometieron a varios pueblos indígenas que se asentaron en el centro y sur del territorio actual de México agrupados territorialmente en altépetl. |
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En [[bioquímica]], se llaman '''enzimas''' las sustancias de naturaleza [[proteína|proteica]] que [[catálisis|catalizan]] [[reacción química|reacciones químicas]], siempre que sea [[termodinámica]]mente posible (si bien no pueden hacer que el proceso sea más termodinámicamente favorable). En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas [[molécula]]s denominadas [[Sustrato (bioquímica)|sustratos]], las cuales se convierten en diferentes moléculas, los productos. Casi todos los procesos en las [[célula]]s necesitan enzimas para que ocurran en tasas significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas. |
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Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos y su velocidad crece sólo con algunas reacciones de entre otras posibilidades, el conjunto (''set'') de enzimas sintetizadas en una célula determina el [[metabolismo]] que ocurre en cada célula. A su vez, esta síntesis depende de la regulación de la expresión [[gen|génica]]. |
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Los mexicas fueron el último pueblo mesoamericano que condensó una rica y compleja tradición religiosa, política, civilizatoria, cosmológica, astronómica, filosófica y artística aprendida y desarrollada por los pueblos de Mesoamérica a lo largo de muchos siglos. Junto con los mayas son el tema más estudiado de la historia mesoamericana dado que se conservan fuentes documentales y arqueológicas, así como numerosos testimonios hechos en su mayoría de forma posterior por sobrevivientes de la Conquista de México. La numerosa cantidad de estudios sobre los mexicas hechos por investigadores de todo el mundo hace difícil una síntesis o un panorama general por la especialización de los estudios y las numerosas polémicas, que han permitido desechar conceptos y términos indígenas inadecuados apoyados en la lingüística, la antropología y la arqueología, los cuales durante muchos años fueron usados por estudiosos de los mexicas, basados en interpretaciones modernas y en muchos casos eurocentristas. |
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Como todos los [[Catalizador|catalizadores]], las enzimas funcionan aumentando y disminuyendo la energía de activación (ΔG<sup>‡</sup>) de una reacción, de forma que se acelera sustancialmente la tasa de reacción. Las enzimas no alteran el balance energético de las reacciones en que intervienen, ni modifican, por lo tanto, el equilibrio de la reacción, pero consiguen acelerar el proceso incluso millones de veces. Una reacción que se produce bajo el control de una enzima, o de un catalizador en general, alcanza el equilibrio mucho más deprisa que la correspondiente reacción no catalizada. |
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La mitología mexica, hecha bajo el mandato virtual de Tlacaélel, situó el origen mítico en Chicomóztoc (náhuatl: chicome-oztotli-co, 'Lugar de las siete cuevas' )?, sitio relacionado con Aztlán —de donde viene el etnónimo azteca—, aunque no existe consenso sobre el punto exacto donde se encuentre el sitio por tratarse de un sitio mítico. La lengua de los mexicas era el náhuatl clásico, que actualmente es la lengua indígena con la mayor comunidad lingüística en México. El etnónimo azteca fue popularizado por investigadores muy posteriores a su tiempo. Sin embargo, cabe mencionar que los mexicas no se llamaban a sí mismos de esa forma, sino que fue resultado de una mala designación posterior; y que las crónicas posteriores los nombraron en todo momento como «mexicanos» o «los de México». |
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Al igual que ocurre con otros catalizadores, las enzimas no son consumidas por las reacciones que ellas catalizan, ni alteran su equilibrio químico. Sin embargo, las enzimas difieren de otros catalizadores por ser más específicas. Las enzimas catalizan alrededor de 4.000 reacciones bioquímicas distintas.<ref>{{Cita publicación|url=http://www.expasy.org/NAR/enz00.pdf|autor= Bairoch A.|año= 2000|título= The ENZYME database in 2000 |revista=Nucleic Acids Res|volumen=28|páginas=304-305|id= PMID 10592255 }}</ref> No todos los catalizadores bioquímicos son proteínas, pues algunas moléculas de [[ARN]] son capaces de catalizar reacciones (como el fragmento 16S de los [[ribosoma]]s en el que reside la actividad [[peptidil transferasa]]). |
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A la llegada de los españoles, los mexicas mantenían relaciones de tensión con los altépetl sometidos, a los que les imponían fuertes cargas tributarias. Esta situación fue aprovechada por los recién llegados en 1519, que rápidamente establecieron alianzas con los zempoaltecas y los tlaxcaltecas. Tras la caída de México-Tenochtitlan, la élite gobernante mexica fue sometida e integrada gradualmente a la sociedad colonial, recuperando muchos de ellos cargos y privilegios. El resto de la sociedad mexica sufrió una serie de colapsos -principalmente el demográfico- en todas sus estructuras pero fueron muchas las continuidades y resistencias que permanecieron por mucho tiempo y hasta nuestros días en los pueblos indígenas de México, aunque el grueso de la población entró en un proceso de una caída demográfica histórica en menos de un siglo sufrida por todos los pueblos indígenas por las nuevas enfermedades europeas y la explotación española. |
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La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras moléculas. Los [[Inhibidor enzimático|inhibidores enzimáticos]] son moléculas que disminuyen o impiden la actividad de las enzimas, mientras que los activadores son moléculas que incrementan la actividad. Asimismo, gran cantidad de enzimas requieren de [[cofactor]]es para su actividad. Muchas [[droga]]s o fármacos son moléculas inhibidoras. Igualmente, la actividad es afectada por la [[temperatura]], el [[pH]], la [[concentración]] de la propia enzima y del sustrato y otros factores físico-químicos. |
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--[[Usuario:Guzman m|Guzman m]] ([[Usuario Discusión:Guzman m|discusión]]) 22:56 5 sep 2009 (UTC)[http://www.cultura azteca.com |
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Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la síntesis de [[antibiótico]]s y productos domésticos de limpieza. Además, ampliamente utilizadas en variados procesos industriales, como son la fabricación de alimentos, destinción de [[jeans]] o producción de [[biocombustible]]s. |
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== Etimología e historia == |
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[[Archivo:Eduardbuchner.jpg|thumb|175px|right|[[Eduard Buchner]].]] |
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Desde finales del [[siglo XVIII]] y principios del [[siglo XIX]], se conocía la digestión de la carne por las secreciones del estómago<ref name="Reaumur1752">{{Cita publicación| apellido= de Réaumur | nombre= RAF | enlaceautor= René Antoine Ferchault de Réaumur | año= 1752 | título= Observations sur la digestion des oiseaux | revista= Histoire de l'academie royale des sciences | volumen= 1752|páginas= 266, 461}}</ref> y la conversión del [[almidón]] en [[azúcar]] por los extractos de plantas y la saliva. Sin embargo, no había sido identificado el mecanismo.<ref>[http://etext.lib.virginia.edu/toc/modeng/public/Wil4Sci.html Williams, H. S. (1904) A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences Harper and Brothers (New York)]</ref> |
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En el [[siglo XIX]], cuando se estaba estudiando la [[fermentación]] del azúcar en el [[alcohol]] con [[levadura]]s, [[Louis Pasteur]] llegó a la conclusión de que esta fermentación era catalizada por una fuerza vital contenida en las células de la levadura, llamadas fermentos, e inicialmente se pensó que solo funcionaban con organismos vivos. Escribió que "la fermentación del alcohol es un acto relacionado con la vida y la organización de las células de las levaduras, y no con la muerte y la putrefacción de las células".<ref>{{Cita publicación|autor=Dubos J.|año= 1951|título= Louis Pasteur: Free Lance of Science, Gollancz. Quoted in Manchester K. L. (1995) Louis Pasteur (1822–1895)--chance and the prepared mind.|revista= Trends Biotechnol|volumen=13|número=12|páginas=511-515|id= PMID 8595136}}</ref> |
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En [[1878]] el fisiólogo [[Wilhelm Kühne]] (1837–1900) acuñó el término ''[[wiktionary:enzima|enzima]]'', que viene del [[Idioma griego|griego]] ''ενζυμον'' "en levadura", para describir este proceso. La palabra enzima fue usada después para referirse a sustancias inertes como el pepsin. Por otro lado, la palabra "fermento" solía referirse a la actividad química producida por organismos vivientes. |
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En [[1897]] [[Eduard Buchner]] comenzó a estudiar la habilidad de los extractos de levadura para fermentar azúcar debido a la ausencia de células vivientes de levadura. En una serie de experimentos en la [[Universidad Humboldt de Berlín]], encontró que el azúcar era fermentada inclusive cuando no había elementos vivos en los cultivos de células de levaduras.<ref>[http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1907/buchner-bio.html Nobel Laureate Biography of Eduard Buchner at nobelprize.org]</ref> Llamó a la enzima que causa la fermentación de la [[sacarosa]], “[[zimasa]]”.<ref>[http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1907/buchner-lecture.html Text of Eduard Buchner's 1907 Nobel lecture at nobelprize.org]</ref> En [[1907]] recibió el [[Anexo:Premio Nobel de Química|Premio Nobel de Química]] "por sus investigaciones bioquímicas y el haber descubierto la fermentación libre de células". Siguiendo el ejemplo de Buchner, las enzimas son usualmente nombradas de acuerdo a la reacción que producen. Normalmente, el sufijo "-asa" es agregado al nombre del sustrato (p. ej., la [[lactasa]] es la enzima que degrada [[lactosa]]) o al tipo de reacción (p. ej., el [[ADN polimerasa]] forma polímeros de [[ADN]]). |
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Tras haber mostrado que las enzimas pueden funcionar fuera de una célula viva, el próximo paso era determinar su naturaleza bioquímica. En muchos de los trabajos iniciales se notó que la actividad enzimática estaba asociada con proteínas, pero algunos científicos (como el premio Nobel [[Richard Willstätter]]) argumentaban que las proteínas eran simplemente el transporte para las verdaderas enzimas y que las proteínas ''per se'' no eran capaces de realizar catálisis." Sin embargo, en [[1926]], [[James B. Sumner]] demostró que la enzima [[ureasa]] era una proteína pura y la cristalizó. Summer hizo lo mismo con la enzima [[catalasa]] en [[1937]]. La conclusión de que las proteínas puras podían ser enzimas fue definitivamente probada por [[John Howard Northrop]] y [[Wendell Meredith Stanley]], quienes trabajaron en diversas enzimas digestivas como la [[pepsina]] (1930), la [[tripsina]] y la [[quimotripsina]]. Estos tres científicos recibieron el Premio Nobel de Química en [[1946]].<ref>[http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1946/ 1946 Nobel prize for Chemistry laureates at nobelprize.org]</ref> |
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El descubrimiento de que las enzimas podían ser cristalizadas permitía que sus estructuras fuesen resueltas mediante técnicas de [[cristalografía]] y [[difracción de rayos X]]. Esto se llevó a cabo en primer lugar con la [[lisozima]], una enzima encontrada en las lágrimas, la saliva y los huevos, capaces de digerir la pared de algunas bacterias. La estructura fue resuelta por un grupo liderado por [[David Chilton Phillips]] y publicado en 1965.<ref>{{Cita publicación|autor=Blake CC, Koenig DF, Mair GA, North AC, Phillips DC, Sarma VR.|año= 1965|título= Structure of hen egg-white lysozyme. A three-dimensional Fourier synthesis at 2 Angstrom resolution. |revista= Nature |volumen=22|número=206|páginas=757-761|id= PMID 5891407}}</ref> Esta estructura de alta resolución de lisozimas, marcó el comienzo en el campo de la biología estructural y el esfuerzo por entender cómo las enzimas trabajan a un nivel molecular. |
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== Estructuras y mecanismos == |
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[[Archivo:Carbonic anhydrase.png|thumb|right|300px|Diagrama de cintas que representa la estructura de una [[anhidrasa carbónica]] de tipo II. La esfera gris representa al [[cofactor]] [[zinc]], situado en el centro activo.]] |
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Las enzimas son generalmente proteínas globulares que pueden presentar tamaños muy variables, desde 62 aminoácidos como en el caso del monómero de la [[4-Oxalocrotonato tautomerasa|4-oxalocrotonato tautomerasa]],<ref>{{Cita publicación|autor=Chen LH, Kenyon GL, Curtin F, Harayama S, Bembenek ME, Hajipour G, Whitman CP |título=4-Oxalocrotonate tautomerase, an enzyme composed of 62 amino acid residues per monomer |revista=J. Biol. Chem. |volumen=267 |número=25 |páginas=17716-21 |año=1992 |pmid=1339435}}</ref> hasta los 2.500 presentes en la [[sintasa de ácidos grasos]].<ref>{{Cita publicación|autor=Smith S |título=The animal fatty acid synthase: one gene, one polypeptide, seven enzymes |url=http://www.fasebj.org/cgi/reprint/8/15/1248 |revista=FASEB J. |volumen=8 |número=15 |páginas=1248–59 |año=1994 |pmid=8001737}}</ref> |
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Las actividades de las enzimas vienen determinadas por su estructura tridimensional.<ref>{{Cita publicación|autor=Anfinsen C.B.|año= 1973|título= Principles that Govern the Folding of Protein Chains|revista= Science|páginas= 223-230|id= PMID 4124164}}</ref> Casi todas las enzimas son mucho más grandes que los sustratos sobre los que actúan, y solo una pequeña parte de la enzima (alrededor de 3 a 4 [[aminoácido]]s) están directamente involucrados en la catálisis.<ref>[http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/CSA/ The Catalytic Site Atlas at The European Bioinformatics Institute]</ref> La región que contiene estos residuos encargados de catalizar la reacción es conocida como centro activo. Las enzimas también pueden contener sitios con la capacidad de unir [[cofactor]]es, necesarios a veces en el proceso de [[catálisis]], o de unir pequeñas moléculas, como los sustratos o productos (directos o indirectos) de la reacción catalizada. Estas uniones pueden incrementar o disminuir la actividad enzimática, dando lugar así a una regulación por [[retroalimentación]]. |
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Al igual que las demás proteínas, las enzimas se componen de una cadena lineal de aminoácidos que se [[plegamiento de proteínas|pliegan]] durante el proceso de [[síntesis proteica|traducción]] para dar lugar a una [[estructura terciaria]] tridimensional de la enzima, susceptible de presentar actividad. Cada secuencia de aminoácidos es única y por tanto da lugar a una estructura única, con propiedades únicas. En ocasiones, proteínas individuales pueden unirse a otras proteínas para formar complejos, en lo que se denomina estructura cuaternaria de las proteínas. |
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La mayoría de las enzimas, al igual que el resto de las proteínas, pueden ser desnaturalizadas si se ven sometidas a agentes [[desnaturalización|desnaturalizantes]] como el [[calor]], los [[pH]]s extremos o ciertos compuestos como el [[SDS]]. Estos agentes destruyen la estructura terciaria de las proteínas de forma reversible o irreversible, dependiendo de la enzima y de la condición. |
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=== Especificidad === |
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Las enzimas suelen ser muy específicas tanto del tipo de reacción que catalizan como del [[sustrato]] involucrado en la reacción. La forma, la carga y las características [[hidrófilo|hidrofílicas]]/[[hidrófobo|hidrofóbicas]] de las enzimas y los sustratos son los responsables de dicha especificidad. Las enzimas también pueden mostrar un elevado grado de [[estereoespecificidad]], [[regioselectividad]] y [[quimioselectividad]].<ref>{{Cita publicación|autor= Jaeger KE, Eggert T.|año= 2004|título= {{lang|en|Enantioselective biocatalysis optimized by directed evolution.}}| journal=Curr Opin Biotechnol.|volume= 15(4)|pages= 305-313|id= PMID 15358000}}</ref> |
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Algunas de estas enzimas que muestran una elevada especificidad y precisión en su actividad son aquellas involucradas en la [[replicación]] y [[biosíntesis|expresión]] del [[genoma]]. Estas enzimas tienen eficientes sistemas de comprobación y corrección de errores, como en el caso de la [[ADN polimerasa]], que cataliza una reacción de replicación en un primer paso, para comprobar posteriormente si el producto obtenido es el correcto.<ref>{{Cita publicación|autor= Shevelev IV, Hubscher U.|año= 2002|título= {{lang|en|The 3' 5' exonucleases.}}| journal= Nat Rev Mol Cell Biol.|volume= 3|issue= 5|pages= 364-376|id= PMID 11988770}}</ref> Este proceso, que tiene lugar en dos pasos, da como resultado una media de tasa de error increíblemente baja, en torno a 1 error cada 100 millones de reacciones en determinadas polimerasas de [[mamífero]]s.<ref>Berg J., Tymoczko J. and Stryer L. (2002) ''Biochemistry.'' W. H. Freeman and Company ISBN 0-7167-4955-6</ref> Este tipo de mecanismos de comprobación también han sido observados en la [[ARN polimerasa]],<ref>{{Cita publicación|autor= Zenkin N, Yuzenkova Y, Severinov K.|año= 2006|título= {{lang|en|Transcript-assisted transcriptional proofreading.}}| journal= Science.|volume= 313|pages= 518-520|id= PMID 16873663}}</ref> en la ARNt aminoacil sintetasa<ref>{{Cita publicación|autor= Ibba M, Soll D.|año= 2000|título= {{lang|en|Aminoacyl-tRNA synthesis.}}| journal= Annu Rev Biochem.|volume= 69|pages= 617-650|id= PMID 10966471}}</ref> y en los [[ribosoma]]s.<ref>{{Cita publicación|autor= Rodnina MV, Wintermeyer W.|año= 2001|título= {{lang|en|Fidelity of aminoacyl-tRNA selection on the ribosome: kinetic and structural mechanisms.}}| journal= Annu Rev Biochem.|volume= 70|pages= 415-435|id= PMID 11395413}}</ref> |
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Aquellas enzimas que producen [[metabolito secundario|metabolitos secundarios]] son denominadas promiscuas, ya que pueden actuar sobre una gran variedad de sustratos. Por ello, se ha sugerido que esta amplia especificidad de sustrato podría ser clave en la evolución y diseño de nuevas rutas biosintéticas.<ref>{{Cita web |url=http://www-users.york.ac.uk/~drf1/rdf_sp1.htm |título={{lang|en|The Screening Hypothesis - a new explanation of secondary product diversity and function}} |accessdate=11 de septiembre de 2006 |last=Firn |first=Richard }}</ref> |
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==== Modelo de la "llave-cerradura" ==== |
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Las enzimas son muy específicas, esto fue sugerido por [[Emil Fisher]] en [[1894]]. Con base en sus resultados dedujo que ambas moléculas (enzima y sustrato) poseen complementariedad geométrica, cuyas formas encajan exactamente una con otra.<ref>{{Cita publicación|autor= Fischer E.|año= 1894|título= {{lang|en|Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme}}| journal=Ber. Dt. Chem. Ges.|volume=27|pages=2985-2993|url = http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k90736r/f364.chemindefer }}</ref> Esto es citado comúnmente como "la llave-cerradura", refiriéndose a la enzima como una especie de cerradura y al sustrato como una llave que encaja de forma perfecta en la cerradura. Sin embargo, si bien este modelo explica la especificidad de las enzimas, falla al explicar la estabilización del [[estado de transición]] que las enzimas logran. |
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==== Modelo del encaje inducido ==== |
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En 1958 [[Daniel Koshland]] sugiere una modificación al modelo de la llave-cerradura: las enzimas son estructuras bastante flexibles, el sitio activo puede ser reformado por la interacción con el sustrato.<ref>{{Cita publicación|url=http://www.pnas.org/cgi/reprint/44/2/98|autor=Koshland D. E.|año= 1958|título= {{lang|en|Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis}}|journal=Proc. Natl. Acad. Sci.|volume=44|issue=2|pages=98-104|id= PMID 16590179}}</ref> Como resultado de ello, la [[proteína|cadena aminoacídica]] que compone el sitio activo es moldeada en posiciones precisas que permite a la enzima llevar a cabo su función catalítica. En algunos casos, como en las glicosidasas, el sustrato cambia ligeramente de forma para entrar en el sitio activo.<ref>{{Cita publicación|autor=Vasella A, Davies GJ, Bohm M.|año= 2002|título= {{lang|en|Glycosidase mechanisms.}}|journal=Curr Opin Chem Biol.|volume=6|issue=5|pages=619-629|id= PMID 12413546}}</ref> |
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=== Modulación alostérica === |
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Los cambios [[Regulación alostérica|alostéricos]] (zonas de la enzima diferentes al sitio activo) permiten un cambio estructural de la proteína en respuesta a la unión de efectores. La modulación puede ser directa, cuando el efector se une directamente a sitios de unión en la enzima, o indirecta, donde el efector se une a otra proteína o a una subunidad proteíca que interactúa con la enzima alostérica y que influencia la actividad catalítica. |
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===Mechanisms=== |
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Enzymes can act in several ways, all of which lower ΔG<sup>‡</sup>:<ref>Fersht, A (1985) ''Enzyme Structure and Mechanism'' (2nd ed) p50-52 W H Freeman & co, New York ISBN 0-7167-1615-1</ref> |
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*Lowering the [[activation energy]] by creating an environment in which the transition state is stabilized (e.g. straining the shape of a substrate - by binding the transition-state conformation of the substrate/product molecules, the enzyme distorts the bound substrate(s) into their transition state form, thereby reducing the amount of energy required to complete the transition). |
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*Providing an alternative pathway (e.g. temporarily reacting with the substrate to form an intermediate which would be impossible in the absence of the enzyme). |
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*Reducing the reaction entropy change by bringing substrates together in the correct orientation to react. Considering ΔH<sup>‡</sup> alone overlooks this effect. |
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====Dynamics and function==== |
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Recent investigations have provided new insights into the connection between internal dynamics of enzymes and their mechanism of catalysis.<ref> Eisenmesser EZ, Bosco DA, Akke M, Kern D. ''Enzyme dynamics during catalysis.'' Science. 2002 February 22;295(5559):1520-3. PMID: 11859194 </ref><ref> Agarwal PK. ''Role of protein dynamics in reaction rate enhancement by enzymes.'' J Am Chem Soc. 2005 November 2;127(43):15248-56. PMID: 16248667</ref><ref>Eisenmesser EZ, Millet O, Labeikovsky W, Korzhnev DM, Wolf-Watz M, Bosco DA, Skalicky JJ, Kay LE, Kern D. ''Intrinsic dynamics of an enzyme underlies catalysis.'' Nature. 2005 November 3;438(7064):117-21. PMID: 16267559</ref> |
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An enzyme's internal dynamics are described as the movement of internal parts (''e.g.'' amino acids, a group of amino acids, a loop region, an alpha helix, neighboring beta-sheets or even entire domain) of these biomolecules, which can occur at various time-scales ranging from [[femtoseconds]] to seconds. Networks of protein residues throughout an enzyme's structure can contribute to catalysis through dynamic motions.<ref>{{cite journal|url=http://www.structure.org/content/article/abstract?uid=PIIS096921260500167X|author=Yang LW, Bahar I.|title={{lang|en|Coupling between catalytic site and collective dynamics: A requirement for mechanochemical activity of enzymes.}}| journal=Structure.|year=2005|month=junio|day=5|volume=13|pages=893-904|id=PMID 15939021}}</ref><ref>{{cite journal|url=http://www.pnas.org/cgi/content/full/99/5/2794|author=Agarwal PK, Billeter SR, Rajagopalan PT, Benkovic SJ, Hammes-Schiffer S.|title={{lang|en|Network of coupled promoting motions in enzyme catalysis.}}| journal=Proc. Natl. Acad. Sci. U S A.|year=2002|month=marzo|day=5|volume=99|pages=2794-9|id=PMID 11867722}}</ref><ref>Agarwal PK, Geist A, Gorin A. ''Protein dynamics and enzymatic catalysis: investigating the peptidyl-prolyl cis-trans isomerization activity of cyclophilin A.'' Biochemistry. 2004 August 24;43(33):10605-18. PMID: 15311922 </ref><ref>{{cite journal|url=http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6VRP-4D4JYMC-6&_coverDate=08%2F31%2F2004&_alid=465962916&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_qd=1&_cdi=6240&_sort=d&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=613585a6164baa38b4f6536d8da9170a|author=Tousignant A, Pelletier JN.|title={{lang|en|Protein motions promote catalysis.}}|journal=Chem Biol.|year=2004|month=agosto|volume=11|issue=8|pages=1037-42|id=PMID 15324804}}</ref> Protein motions are vital to many enzymes, but whether small and fast vibrations or larger and slower conformational movements are more important depends on the type of reaction involved. These new insights also have implications in understanding allosteric effects, producing designer enzymes and developing new drugs. |
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==Cofactors and coenzymes== |
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{{main|Cofactor (biochemistry)|Coenzyme}} |
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===Cofactors=== |
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Some enzymes do not need any additional components to show full activity. However, others require non-protein molecules to be bound for activity. Cofactors can be either [[inorganic]] (''e.g.'', metal ions and [[iron-sulfur cluster]]s) or [[organic molecules|organic compounds]], (e.g., [[flavin]] and [[heme]]). Organic cofactors (coenzymes) are usually [[prosthetic groups]], which are tightly bound to the enzymes that they assist. These tightly-bound cofactors are distinguished from other coenzymes, such as [[Nicotinamide adenine dinucleotide|NADH]], since they are not released from the active site during the reaction. |
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An example of an enzyme that contains a cofactor is [[carbonic anhydrase]], and is shown in the ribbon diagram above with a zinc cofactor bound in its active site.<ref>{{cite journal |author= Fisher Z, Hernandez Prada JA, Tu C, Duda D, Yoshioka C, An H, Govindasamy L, Silverman DN and McKenna R.|year= 2005|title= {{lang|en|Structural and kinetic characterization of active-site histidine as a proton shuttle in catalysis by human carbonic anhydrase II.}}| journal=Biochemistry.|volume= 44(4)|pages= 1097-115|id= PMID 15667203}}</ref> These tightly-bound molecules are usually found in the active site and are involved in catalysis. For example, flavin and heme cofactors are often involved in [[redox]] reactions. |
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Enzymes that require a cofactor but do not have one bound are called apoenzymes. An apoenzyme together with its cofactor(s) is called a holoenzyme (''i.e.'', the active form). Most cofactors are not covalently attached to an enzyme, but are very tightly bound. However, organic prosthetic groups can be covalently bound (''e.g.'', [[thiamine pyrophosphate]] in the enzyme [[pyruvate dehydrogenase]]). |
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===Coenzymes=== |
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[[Archivo:NADH-3D-vdW.png|thumb|left|150px|[[Molecular_graphics#Space-filling_models|Space-filling model]] of the coenzyme NADH]] |
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Coenzymes are small molecules that transport chemical groups from one enzyme to another.<ref>AF Wagner, KA Folkers (1975) ''Vitamins and coenzymes.'' Interscience Publishers New York| ISBN 0-88275-258-8</ref> Some of these chemicals such as [[riboflavin]], [[thiamine]] and [[folic acid]] are [[vitamins]], this is when these compounds cannot be made in the body and must be acquired from the diet. The chemical groups carried include the [[hydride]] ion (H<sup>-</sup>) carried by [[nicotinamide adenine dinucleotide|NAD or NADP<sup>+</sup>]], the acetyl group carried by [[coenzyme A]], formyl, methenyl or methyl groups carried by [[folic acid]] and the methyl group carried by [[S-adenosylmethionine]]. |
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Since coenzymes are chemically changed as a consequence of enzyme action, it is useful to consider coenzymes to be a special class of substrates, or second substrates, which are common to many different enzymes. For example, about 700 enzymes are known to use the coenzyme NADH.<ref>[http://www.brenda.uni-koeln.de/ BRENDA The Comprehensive Enzyme Information System]</ref> |
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Coenzymes are usually regenerated and their concentrations maintained at a steady level inside the cell: for example, NADPH is regenerated through the [[pentose phosphate pathway]] and ''S''-adenosylmethionine by methionine adenosyltransferase. |
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==Thermodynamics== |
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{{main |Activation energy|Thermodynamic equilibrium|Chemical equilibrium}} |
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[[Archivo:Activation2_updated.svg|thumb|300px|Diagram of a catalytic reaction, showing the energy ''niveau'' at each stage of the reaction. The substrates usually need a large amount of energy to reach the transition state, which then decays into the end product. The enzyme stabilizes the transition state, reducing the energy needed to form this species and thus reducing the energy required to form products.]] |
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As all catalysts, enzymes do not alter the position of the chemical equilibrium of the reaction. Usually, in the presence of an enzyme, the reaction runs in the same direction as it would without the enzyme, just more quickly. However, in the absence of the enzyme, other possible uncatalyzed, "spontaneous" reactions might lead to different products, because in those conditions this different product is formed faster. |
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Furthermore, enzymes can couple two or more reactions, so that a thermodynamically favorable reaction can be used to "drive" a thermodynamically unfavorable one. For example, the hydrolysis of [[Adenosine triphosphate|ATP]] is often used to drive other chemical reactions. |
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Enzymes catalyze the forward and backward reactions equally. They do not alter the equilibrium itself, but only the speed at which it is reached. For example, [[carbonic anhydrase]] catalyzes its reaction in either direction depending on the concentration of its reactants. |
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: <math>\mathrm{CO_2 + H_2O |
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{}^\mathrm{\quad Carbonic\ anhydrase} |
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\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! |
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\overrightarrow{\qquad\qquad\qquad\qquad} |
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H_2CO_3}</math> (in [[Biological tissue|tissue]]s; high CO<sub>2</sub> concentration) |
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: <math>\mathrm{H_2CO_3 |
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{}^\mathrm{\quad Carbonic\ anhydrase} |
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\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\! |
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\overrightarrow{\qquad\qquad\qquad\qquad} |
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CO_2 + H_2O}</math> (in [[lung]]s; low CO<sub>2</sub> concentration) |
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Nevertheless, if the equilibrium is greatly displaced in one direction, that is, in a very [[exergonic]] reaction, the reaction is ''effectively'' irreversible. Under these conditions the enzyme will, in fact, only catalyze the reaction in the thermodynamically allowed direction. |
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== Kinetics == |
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{{main|Enzyme kinetics}} |
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[[Archivo:Simple mechanism.svg|thumb|left|300px|Mechanism for a single substrate enzyme catalyzed reaction. The enzyme (E) binds a substrate (S) and produces a product (P).]] |
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Enzyme kinetics is the investigation of how enzymes bind substrates and turn them into products. The rate data used in kinetic analyses are obtained from [[enzyme assay]]s. In 1913 [[Leonor Michaelis]] and [[Maud Menten]] proposed a quantitative theory of enzyme kinetics, which is referred to as [[Michaelis-Menten kinetics]].<ref>{{cite journal|author=Michaelis L., Menten M.|year=1913|title= {{lang|en|Die Kinetik der Invertinwirkung}}|journal=Biochem. Z.|volume= 49|pages= 333-369}}</ref> Their work was further developed by [[George Edward Briggs|G. E. Briggs]] and [[J. B. S. Haldane]], who derived kinetic equations that are still widely used today.<ref> {{cite journal|url=http://www.biochemj.org/bj/019/0338/bj0190338_browse.htm|author=Briggs G. E., Haldane J. B. S.|year=1925|title= {{lang|en|A note on the kinetics of enzyme action}}|journal=Biochem. J.|volume=19|pages=339-339|id= PMID 16743508}}</ref> |
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The major contribution of Michaelis and Menten was to think of enzyme reactions in two stages. In the first, the substrate binds reversibly to the enzyme, forming the enzyme-substrate complex. This is sometimes called the Michaelis-Menten complex in their honor. The enzyme then catalyzes the chemical step in the reaction and releases the product. |
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[[Archivo:MM curve.png|thumb|300px|right|Saturation curve for an enzyme reaction showing the relation between the substrate concentration (S) and rate (''v'').]] |
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Enzymes can catalyze up to several million reactions per second. For example, the reaction catalyzed by [[orotidine 5'-phosphate decarboxylase]] will consume half of its substrate in 78 million years if no enzyme is present. However, when the decarboxylase is added, the same process takes just 25 milliseconds.<ref>{{cite journal |author=Radzicka A, Wolfenden R.|year= 1995|title= {{lang|en|A proficient enzyme. }}|journal= Science |volume=6|issue=267|pages=90-931|id= PMID 7809611}}</ref> Enzyme rates depend on solution conditions and substrate concentration. Conditions that denature the protein abolish enzyme activity, such as high temperatures, extremes of pH or high salt concentrations, while raising substrate concentration tends to increase activity. To find the maximum speed of an enzymatic reaction, the substrate concentration is increased until a constant rate of product formation is seen. This is shown in the saturation curve, shown on the right. Saturation happens because, as substrate concentration increases, more and more of the free enzyme is converted into the substrate-bound ES form. At the maximum velocity (''V''<sub>max</sub>) of the enzyme, all enzyme active sites are saturated with substrate, and the amount of ES complex is the same as the total amount of enzyme. |
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However, ''V''<sub>max</sub> is only one kinetic constant of enzymes. The amount of substrate needed to achieve a given rate of reaction is also important. This is given by the [[Michaelis-Menten constant]] (''K''<sub>m</sub>), which is the substrate concentration required for an enzyme to reach one-half its maximum velocity. Each enzyme has a characteristic ''K''<sub>m</sub> for a given substrate, and this can show how tight the binding of the substrate is to the enzyme. Another useful constant is ''k''<sub>cat</sub>, which is the number of substrate molecules handled by one active site per second. |
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The efficiency of an enzyme can be expressed in terms of ''k''<sub>cat</sub>/''K''<sub>m</sub>. This is also called the specificity constant and incorporates the [[rate constant]]s for all steps in the reaction. Because the specificity constant reflects both affinity and catalytic ability, it is useful for comparing different enzymes against each other, or the same enzyme with different substrates. The theoretical maximum for the specificity constant is called the diffusion limit and is about 10<sup>8</sup> to 10<sup>9</sup> (M<sup>-1</sup> s<sup>-1</sup>). At this point every collision of the enzyme with its substrate will result in catalysis, and the rate of product formation is not limited by the reaction rate but by the diffusion rate. Enzymes with this property are called ''[[catalytically perfect enzyme|catalytically perfect]]'' or ''kinetically perfect''. Example of such enzymes are [[triosephosphateisomerase|triose-phosphate isomerase]], [[carbonic anhydrase]], [[acetylcholinesterase]], [[catalase]], fumarase, ß-lactamase, and [[superoxide dismutase]]. |
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Some enzymes operate with kinetics which are faster than diffusion rates, which would seem to be impossible. Several mechanisms have been invoked to explain this phenomenon. Some proteins are believed to accelerate catalysis by drawing their substrate in and pre-orienting them by using dipolar electric fields. Other models invoke a quantum-mechanical [[quantum tunneling|tunneling]] explanation, whereby a proton or an electron can tunnel through activation barriers, although for proton tunneling this model remains somewhat controversial.<ref>{{cite journal|author= Garcia-Viloca M., Gao J., Karplus M., Truhlar D. G.|year= 2004|title= {{lang|en|How enzymes work: analysis by modern rate theory and computer simulations.}}|journal= Science|volume=303|issue=5655|pages=186 - 195|id= PMID 14716003}}</ref><ref> |
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{{cite journal|author=Olsson M. H., Siegbahn P. E., Warshel A.|year= 2004|title= {{lang|en|Simulations of the large kinetic isotope effect and the temperature dependence of the hydrogen atom transfer in lipoxygenase}}|journal = J. Am. Chem. Soc.|volume=126|issue=9|pages=2820-1828|id= PMID 14995199}}</ref> Quantum tunneling for protons has been observed in [[tryptamine]].<ref>{{cite journal|author=Masgrau L., Roujeinikova A., Johannissen L. O., Hothi P., Basran J., Ranaghan K. E., Mulholland A. J., Sutcliffe M. J., Scrutton N. S., Leys D.|year= 2006|title= {{lang|en|Atomic Description of an Enzyme Reaction Dominated by Proton Tunneling}}|journal= Science| volume=312|issue=5771|pages=237-241|id= PMID 16614214}}</ref> This suggests that enzyme catalysis may be more accurately characterized as "through the barrier" rather than the traditional model, which requires substrates to go "over" a lowered energy barrier. |
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==Inhibition== |
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[[Archivo:Competitive inhibition.svg|thumb|400px|Competitive inhibitors bind reversibly to the enzyme, preventing the binding of substrate. On the other hand, binding of substrate prevents binding of the inhibitor. Substrate and inhibitor compete for the enzyme.]] |
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{{main|Enzyme inhibitor}} |
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Enzyme reaction rates can be decreased by various types of [[enzyme inhibitor]]s. |
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===Reversible inhibitors=== |
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'''Competitive inhibition''' |
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In competitive inhibition the inhibitor binds to the substrate binding site (figure ''right'', top, thus preventing substrate from binding (EI complex). Often competitive inhibitors strongly resemble the real substrate of the enzyme. For example, [[methotrexate]] is a competitive inhibitor of the enzyme [[dihydrofolate reductase]], which catalyzes the reduction of [[folic acid|dihydrofolate]] to [[folic acid|tetrahydrofolate]]. The similarity between the structures of folic acid and this drug are shown in the figure to the ''right'' bottom. |
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'''Non-competitive inhibition''' |
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Non-competitive inhibitors can bind either to the active site, or to other parts of the enzyme far away from the substrate-binding site. Moreover, non-competitive inhibitors bind to the enzyme-substrate (ES) complex and to the free enzyme. Their binding to this site changes the shape of the enzyme and stops the active site binding substrate(s). Consequently, since there is no direct competition between the substrate and inhibitor for the enzyme, the extent of inhibition depends only on the inhibitor concentration and will not be affected by the substrate concentration. |
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===Irreversible inhibitors=== |
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Some enzyme inhibitors react with the enzyme and form a [[covalent bond|covalent]] adduct with the protein. The inactivation produced by this type of inhibitor is irreversible. A class of these compounds called [[suicide inhibitor]]s includes [[eflornithine]] a drug used to treat the parasitic disease [[sleeping sickness]]. [[Penicillin]] and its derivatives also act in this manner. With these drugs, the compound is bound in the active site and the enzyme then converts the inhibitor into an activated form that reacts irreversibly with one or more with amino acid residues. |
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[[Archivo:Methotrexate and folic acid compared.png||thumb|400px|right|The coenzyme folic acid (left) and the anti-cancer drug methotrexate (right) are very similar in structure. As a result, methotrexate is a competitive inhibitor of many enzymes that use folates.]] |
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===Uses of inhibitors=== |
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Inhibitors are often used as drugs, but they can also act as poisons. However, the difference between a drug and a poison is usually only a matter of amount, since most drugs are toxic at some level, as [[Paracelsus]] wrote, "''In all things there is a poison, and there is nothing without a poison.''"<ref>Ball, Philip (2006) ''The Devil's Doctor: Paracelsus and the World of Renaissance Magic and Science.'' Farrar, Straus and Giroux ISBN 0-374-22979-1</ref> Equally, [[antibiotics]] and other anti-infective drugs are just specific poisons that can kill a pathogen but not its host. |
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An example of an inhibitor being used as a drug is [[aspirin]], which inhibits the [[Cyclooxygenase|COX-1]] and [[Cyclooxygenase|COX-2]] enzymes that produce the [[inflammation]] messenger [[prostaglandin]], thus suppressing pain and inflammation. The poison [[cyanide]] is an irreversible enzyme inhibitor that combines with the copper and iron in the active site of the enzyme [[cytochrome c oxidase]] and blocks [[cellular respiration]].<ref>{{cite journal|url=http://www.jbc.org/cgi/reprint/265/14/7945|author=Yoshikawa S and Caughey WS.|year=1990|month=mayo|volume=265|issue=14|title= {{lang|en|Infrared evidence of cyanide binding to iron and copper sites in bovine heart cytochrome c oxidase. Implications regarding oxygen reduction.}}|journal= J Biol Chem.|pages= 7945-7958|id= PMID 2159465}}</ref> |
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In many organisms inhibitors may act as part of a [[feedback]] mechanism. If an enzyme produces too much of one substance in the organism, that substance may act as an inhibitor for the enzyme that produces it, causing production of the substance to slow down or stop when there is sufficient amount. This is a form of [[negative feedback]]. |
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== Biological function == |
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Enzymes serve a wide variety of functions inside living organisms. They are indispensable for [[signal transduction]] and cell regulation, often via [[kinase]]s and [[phosphatase]]s.<ref>{{cite journal |author= Hunter T.|year= 1995|title= {{lang|en|Protein kinases and phosphatases: the yin and yang of protein phosphorylation and signaling.}}|journal= Cell.|volume= 80(2)|pages= 225-236|id= PMID 7834742}}</ref> They also generate movement, with [[myosin]] hydrolysing ATP to generate [[muscle contraction]] and also moving cargo around the cell as part of the [[cytoskeleton]].<ref>{{cite journal |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=11294886|author= Berg JS, Powell BC, Cheney RE.|year= 2001|title= {{lang|en|A millennial myosin census.}}|journal= Mol Biol Cell.|volume= 12(4)|pages= 780-794|id= PMID 11294886}}</ref> Other ATPases in the cell membrane are [[Ion pump (biology)|ion pumps]] involved in [[active transport]]. Enzymes are also involved in more exotic functions, such as [[luciferase]] generating light in [[Firefly|fireflies]].<ref>{{cite journal |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pubmed&pubmedid=2030669|author= Meighen EA.|year= 1991|title= {{lang|en|Molecular biology of bacterial bioluminescence.}}|journal= Microbiol Rev.|volume= 55(1)|pages= 123-142|id= PMID 2030669}}</ref> |
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[[Virus|Viruses]] can contain enzymes for infecting cells, such as the [[HIV integrase]] and [[reverse transcriptase]], or for viral release from cells, like the [[influenza]] virus [[neuraminidase]]. |
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An important function of enzymes is in the [[digestive systems]] of animals. Enzymes such as [[amylases]] and [[proteases]] break down large molecules ([[starch]] or [[protein]]s, respectively) into smaller ones, so they can be absorbed by the intestines. Starch is inabsorbable in the intestine but enzymes hydrolyse the starch chains into smaller molecules such as [[maltose]] and eventually [[glucose]], which can then be absorbed. Different enzymes digest different food substances. In [[ruminants]] which have a [[herbivorous]] diets, bacteria in the gut produce another enzyme, [[cellulase]] to break down the cellulose cell walls of plant fiber. |
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Several enzymes can work together in a specific order, creating [[metabolic pathway]]s. In a metabolic pathway, one enzyme takes the product of another enzyme as a substrate. After the catalytic reaction, the product is then passed on to another enzyme. Sometimes more than one enzyme can catalyse the same reaction in parallel, this can allow more complex regulation: with for example a low constant activity being provided by one enzyme but an inducible high activity from a second enzyme. |
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Enzymes determine what steps occur in these pathways. Without enzymes, metabolism would neither progress through the same steps, nor be fast enough to serve the needs of the cell. Indeed, a metabolic pathway such as [[glycolysis]] could not exist independently of enzymes. Glucose, for example, can react directly with ATP to become [[phosphorylation|phosphorylated]] at one or more of its carbons. In the absence of enzymes, this occurs so slowly as to be insignificant. However, if [[hexokinase]] is added, these slow reactions continue to take place except that phosphorylation at carbon 6 occurs so rapidly that if the mixture is tested a short time later, [[glucose-6-phosphate]] is found to be the only significant product. Consequently, the network of metabolic pathways within each cell depends on the set of functional enzymes that are present. |
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==Control of activity== |
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There are five main ways that enzyme activity is controlled in the cell. |
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#Enzyme production ([[Transcription (genetics)|transcription]] and [[Translation (genetics)|translation]] of enzyme genes) can be enhanced or diminished by a cell in response to changes in the cell's environment. This form of [[Regulation of gene expression|gene regulation]] is called [[enzyme induction and inhibition]]. For example, bacteria may become [[Antibiotic resistance|resistant to antibiotics]] such as [[penicillin]] because enzymes called [[beta-lactamase]]s are induced that hydrolyse the crucial [[Beta-lactam|beta-lactam ring]] within the penicillin molecule. Another example are enzymes in the [[liver]] called [[cytochrome P450 oxidase]]s, which are important in [[drug metabolism]]. Induction or inhibition of these enzymes can cause [[drug interaction]]s. |
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#Enzymes can be compartmentalized, with different metabolic pathways occurring in different [[cellular compartment]]s. For example, [[fatty acids]] are synthesized by one set of enzymes in the [[cytosol]], [[endoplasmic reticulum]] and the [[Golgi apparatus]] and used by a different set of enzymes as a source of energy in the [[mitochondrion]], through [[β-oxidation]].<ref>{{cite journal |url=http://www.pubmedcentral.nih.gov/picrender.fcgi?artid=1218279&blobtype=pdf|author=Faergeman N. J, Knudsen J.|year= 1997|month=abril|title= {{lang|en|Role of long-chain fatty acyl-CoA esters in the regulation of metabolism and in cell signalling}}|journal= Biochem J|volume=323|pages=1-12|id= PMID 9173866}}</ref> |
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#Enzymes can be regulated by [[Enzyme inhibitor|inhibitors]] and activators. For example, the end product(s) of a metabolic pathway are often inhibitors for one of the first enzymes of the pathway (usually the first irreversible step, called ''committed step''), thus regulating the amount of end product made by the pathways. Such a regulatory mechanism is called a [[negative feedback|negative feedback mechanism]], because the amount of the end product produced is regulated by its own concentration. Negative feedback mechanism can effectively adjust the rate of synthesis of intermediate metabolites according to the demands of the cells. This helps allocate materials and energy economically, and prevents the manufacture of excess end products. Like other [[homeostasis|homeostatic devices]], the control of enzymatic action helps to maintain a stable internal environment in living organisms. |
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#Enzymes can be regulated through [[post-translational modification]]. This can include [[phosphorylation]], [[Myristic acid|myristoylation]] and [[glycosylation]]. For example, in the response to [[insulin]], the [[phosphorylation]] of multiple enzymes, including [[glycogen synthase]], helps control the synthesis or degradation of [[glycogen]] and allows the cell to respond to changes in [[blood sugar]].<ref>{{cite journal |url=http://jcs.biologists.org/cgi/content/full/116/7/1175|author= Doble B. W., Woodgett J. R. |year=2003|month=abril|title= {{lang|en|GSK-3: tricks of the trade for a multi-tasking kinase}}|journal=J. Cell. Sci.|volume=116|pages=1175-1186|id= PMID 12615961}}</ref> Another example of post-translational modification is the cleavage of the polypeptide chain. [[Chymotrypsin]], a digestive [[protease]], is produced in inactive form as [[chymotrypsinogen]] in the [[pancreas]] and transported in this form to the [[stomach]] where it is activated. This stops the enzyme from digesting the pancreas or other tissues before it enters the gut. This type of inactive precursor to an enzyme is known as a [[zymogen]]. |
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#Some enzymes may become activated when localized to a different environment (eg. from a reducing ([[cytoplasm]]) to an oxidising ([[periplasm]]) environment, high pH to low pH etc). For example, [[hemagglutinin]] of the [[influenza]] virus undergoes a conformational change once it encounters the acidic environment of the host cell [[Vesicle (biology)|vesicle]] causing its activation.<ref>{{cite journal|url=http://dx.doi.org/10.1016/0092-8674(93)90260-W|author=Carr C. M. , Kim P. S. |year=2003|month=abril|title= {{lang|en|A spring-loaded mechanism for the conformational change of influenza hemagglutinin}}|journal=Cell|volume=73|pages=823-832|id= PMID 8500173}}</ref> |
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==Involvement in disease== |
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[[Archivo:Phenylalanine hydroxylase brighter.jpg|thumb|200px|[[Phenylalanine hydroxylase]]. Created from [http://www.rcsb.org/pdb/explore.do?structureId=1KW0 PDB 1KW0] ]] |
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Since the tight control of enzyme activity is essential for [[homeostasis]], any malfunction (mutation, overproduction, underproduction or deletion) of a single critical enzyme can lead to a [[genetic disease]]. The importance of enzymes is shown by the fact that a lethal illness can be caused by the malfunction of just one type of enzyme out of the thousands of types present in our bodies. |
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One example is the most common type of [[phenylketonuria]]. A mutation of a single amino acid in the enzyme [[phenylalanine hydroxylase]], which catalyzes the first step in the degradation of [[phenylalanine]], results in build-up of phenylalanine and related products. This can lead to [[mental retardation]] if the disease is untreated.<ref> [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=gnd.section.234 Phenylketonuria: NCBI Genes and Disease]</ref> |
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Another example is when [[germline mutation]]s in genes coding for [[DNA repair]] enzymes cause hereditary cancer syndromes such as [[xeroderma pigmentosum]]. Defects in these enzymes cause cancer since the body is less able to repair mutations in the genome. This causes a slow accumulation of mutations and results in the development of many types of cancer in the sufferer. |
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== Naming conventions == |
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An enzyme's name is often derived from its substrate or the chemical reaction it catalyzes, with the word ending in ''-ase''. Examples are [[lactase]], [[alcohol dehydrogenase]] and [[DNA polymerase]]. This may result in different enzymes, called isoenzymes, with the same function having the same basic name. Isoenzymes have a different amino acid sequence and might be distinguished by their optimal [[pH]], kinetic properties or immunologically. Furthermore, the normal physiological reaction an enzyme catalyzes may not be the same as under artifical conditions. This can result in the same enzyme being identified with two different names. ''E.g.'' [[Glucose isomerase]], used industrially to convert [[glucose]] into the sweetener [[fructose]], is a xylose isomerase ''in vivo''. |
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The [[International Union of Biochemistry and Molecular Biology]] have developed a [[wikt:nomenclature|nomenclature]] for enzymes, the [[EC number]]s; each enzyme is described by a sequence of four numbers preceded by "EC". |
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The first number broadly classifies the enzyme based on its mechanism: |
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The top-level classification is |
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* EC 1 ''[[Oxidoreductase]]s'': catalyze [[oxidation]]/reduction reactions |
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* EC 2 ''[[Transferase]]s'': transfer a [[functional group]] (''e.g.'' a methyl or phosphate group) |
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* EC 3 ''[[Hydrolase]]s'': catalyze the [[hydrolysis]] of various bonds |
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* EC 4 ''[[Lyase]]s'': cleave various bonds by means other than hydrolysis and oxidation |
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* EC 5 ''[[Isomerase]]s'': catalyze [[isomer]]ization changes within a single molecule |
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* EC 6 ''[[Ligase]]s'': join two molecules with [[covalent bond]]s |
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The complete nomenclature can be browsed at http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/. |
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--> |
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== Clasificación == |
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Existe una clasificación normalizada con 6 categorías principales dependiendo de la reacción que catalice la enzima. Cada enzima está clasificada mediante su [[número EC]]. |
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==== [[Oxirreductasa]]s ==== |
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Catalizan reacciones de oxidorreducción o [[redox]]. Precisan la colaboración de las [[coenzima]]s de oxidorreducción ([[NAD]]<sup>+</sup>, [[NADP]]<sup>+</sup>, [[FAD]]) que aceptan o ceden los [[electrones]] correspondientes; tras la acción catalítica, estas coenzimas quedan modificadas en su grado de oxidación, por lo que deben ser transformadas antes de volver a efectuar la reacción catalítica. |
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''Ejemplos:'' [[deshidrogenasa]]s, [[peroxidasa]]s. |
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==== [[Transferasa]]s ==== |
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Transfieren [[grupo funcional|grupos activos]] (obtenidos de la ruptura de ciertas moléculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos de interconversión de [[monosacárido]]s, [[aminoácido]]s, etc. |
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''Ejemplos:'' [[transaminasa]]s, [[quinasa]]s. |
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==== [[Hidrolasa]]s ==== |
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Verifican reacciones de [[hidrólisis]] con la consiguiente obtención de [[monómero]]s a partir de [[polímero]]s. Actúan en la digestión de los alimentos, previamente a otras fases de su degradación. La palabra ''hidrólisis'' se deriva de ''hidro'' 'agua' y ''lisis'' 'disolución'. |
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''Ejemplos:'' [[glucosidasa]]s, [[lipasa]]s, [[esterasa]]s. |
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==== [[Isomerasa]]s ==== |
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Actúan sobre determinadas moléculas obteniendo de ellas sus [[isómero]]s de función o de posición, es decir, catalizan la racemizacion y cambios de posición de un grupo en determinada molécula obteniendo formas isoméricas . Suelen actuar en procesos de interconversión. |
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''Ejemplo:'' [[epimerasa]]s (mutasa). |
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==== [[Liasa]]s ==== |
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Catalizan reacciones en las que se eliminan grupos (H<sub>2</sub>O, CO<sub>2</sub> y NH<sub>3</sub>) para formar un doble enlace o añadirse a un doble enlace, capaces de catalizar la reducción en un sustrato. El sustrato es una molécula, la cual, se une al sitio activo de la enzima para la formación del complejo enzima-sustrato. El mismo, por acción de la enzima, es transformado en producto y es liberado del sitio activo, quedando libre para recibir otro sustrato. |
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''Ejemplos:'' [[descarboxilasa]]s, [[liasa]]s. |
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==== [[Ligasa]]s ==== |
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Realizan la degradación o síntesis de los enlaces denominados "fuertes" mediante al acoplamiento a sustancias de alto valor energético (como el [[Adenosín trifosfato|ATP]]). |
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''Ejemplos:'' [[sintetasa]]s, [[carboxilasa]]s. |
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== Activadores == |
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Algunas enzimas necesitan para su actividad iones inorgánicos específicos que reciben el nombre de activadores. Los activadores que se necesitan con más frecuencia son los iones de hierro, cobre, manganeso, magnesio, cobalto y zinc. De ordinario, sólo un ion funciona con una determinada enzima, pero en ciertos casos se pueden sustituir ciertos iones por otros, persistiendo una actividad enzimática satisfactoria. |
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== Inhibidores == |
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Las moléculas que regulan la actividad enzimática inhibiendo su actividad pueden clasificarse en '''reversibles''' e '''irreversibles'''. |
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Las irreversibles se unen covalentemente a la enzima y son útiles en farmacología (penicilina, aspirina). |
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Las reversibles pueden clasificarse, a su vez, en '''competitivas''' y '''no competitivas'''. Las competitivas modifican la '''Km''' del enzima ya que se unen al centro activo de éste e impiden la unión con el sustrato (se necesitará más para activar las enzimas). Las no competitivas, se unen a otro lugar de la enzima, modificando la '''Vmáx.''' (velocidad en que se forma producto por unidad de tiempo) ya que al unirse, el enzima queda inactivada. |
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== Aplicaciones industriales == |
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Las enzimas son utilizadas en la [[industria química]] y en otras aplicaciones industriales en donde se requiere el uso de catalizadores muy especializados. Una de las aplicaciones industriales en las que se usan enzimas es en la industria de los detergentes biológicos, ya que estos en su mayoría contienen enzimas tales como la [[amilasa]], la [[lipasa]] y en algunos casos la [[celulosa]], que de acuerdo a un uso específico ayudan a eliminar la gran mayoría de manchas e imperfecciones en algunas pieles. Sin embargo, las enzimas en general están limitadas en el número de reacciones que han evolucionado a catálisis y también por su falta de estabilidad en [[solvente orgánico|solventes orgánicos]] y a altas temperaturas. Consecuentemente, la [[ingeniería de las proteínas]] es un área de investigación activa que involucra intentos de crear nuevas enzimas con novedosas propiedades, ya sea por diseño racional o por evolución ''in vitro''.<ref>{{Cita publicación|autor=Renugopalakrishnan V, Garduno-Juarez R, Narasimhan G, Verma CS, Wei X, Li P.|año= 2005|título= Rational design of thermally stable proteins: relevance to bionanotechnology.|revista= J Nanosci Nanotechnol.|volumen=5|número=11|páginas= 1759-1767|id= PMID 16433409}}</ref><ref>{{Cita publicación|autor=Hult K, Berglund P.|año= 2003|título= Engineered enzymes for improved organic synthesis.|revista= Curr Opin Biotechnol.|volumen=14|número=4|páginas= 395-400|id= PMID 12943848}}</ref> |
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|width=24% align=center|'''Application''' |
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|width=38% align=center|'''Enzymes used''' |
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|width=38% align=center|'''Uses''' |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" rowspan="2" | '''[[Baking|Baking industry]]''' [[Archivo:Amylose.svg|thumb|center|180px|alpha-amylase catalyzes the release of sugar monomers from starch]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |[[Fungus|Fungal]] alpha-amylase enzymes are normally inactivated at about 50 degrees Celsius, but are destroyed during the baking process. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |Catalyze breakdown of starch in the [[flour]] to sugar. Yeast action on sugar produces carbon dioxide. Used in production of white bread, buns, and rolls. |
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| Proteases |
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| Biscuit manufacturers use them to lower the protein level of flour. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |'''[[Baby food]]s''' |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |[[Trypsin]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |To predigest baby foods. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" rowspan="6" | '''[[Brewing|Brewing industry]]''' [[Archivo:Sjb whiskey malt.jpg|thumb|center|180px|Germinating barley used for malt.]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" | Enzymes from barley are released during the mashing stage of beer production. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" | They degrade starch and proteins to produce simple sugar, amino acids and peptides that are used by yeast for fermentation. |
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| Industrially produced barley enzymes |
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| Widely used in the brewing process to substitute for the natural enzymes found in barley. |
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| Amylase, glucanases, proteases |
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| Split polysaccharides and proteins in the [[malt]]. |
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| Betaglucosidase |
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| Improve the filtration characteristics. |
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| Amyloglucosidase |
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| Low-calorie [[beer]]. |
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| Proteases |
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| Remove cloudiness produced during storage of beers. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" | '''[[Juice|Fruit juices]]''' |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" | Cellulases, pectinases |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" | Clarify fruit juices |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" rowspan="4" | '''[[Dairy|Dairy industry]]''' [[Archivo:Roquefort cheese.jpg|thumb|center|180px|Roquefort cheese]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |[[Rennin]], derived from the stomachs of young [[ruminant|ruminant animals]] (like calves and lambs). |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |Manufacture of cheese, used to [[hydrolyze]] protein. |
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| Microbially produced enzyme |
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| Now finding increasing use in the dairy industry. |
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| [[Lipase]]s |
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| Is implemented during the production of [[Roquefort cheese]] to enhance the ripening of the [[Danish Blue cheese|blue-mould cheese]]. |
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| Lactases |
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| Break down [[lactose]] to [[glucose]] and galactose. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" rowspan="2"| '''[[Starch|Starch industry]]'''{{double image|center|Glucose Haworth.png|100|Alpha-D-Fructose-structure-corrected.png|100|Glucose|Fructose}} |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" | Amylases, amyloglucosideases and glucoamylases |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" | Converts [[starch]] into [[glucose]] and various [[Inverted sugar syrup|syrups]]. |
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| Glucose isomerase |
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| Converts [[glucose]] into fructose in production of [[High-fructose corn syrup|high fructose syrups]] from starchy materials. These syrups have enhanced sweetening properties and lower [[calorie|calorific values]] than sucrose for the same level of sweetness. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |'''[[tenderizing|Meat tenderizers]]''' |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |[[Papain]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |To soften meat for cooking. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" rowspan="4" | '''[[Detergent|Biological detergent]]'''[[Archivo:Washingpowder.jpg|180px|thumb|center|Laundry soap]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |Primarily [[protease]]s, produced in an [[extracellular]] form from [[bacteria]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |Used for presoak conditions and direct liquid applications helping with removal of protein stains from clothes. |
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| [[Amylase]]s |
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| Detergents for machine dish washing to remove resistant starch residues. |
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| [[Lipase]]s |
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| Used to assist in the removal of fatty and oily stains. |
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| [[Cellulase]]s |
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| Used in biological fabric conditioners. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |'''[[Contact lens|Contact lens cleaners]]''' |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |[[Proteases]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |To remove [[proteins]] on [[contact lens]] to prevent infections. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |'''[[Rubber|Rubber industry]]''' |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |[[Catalase]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |To generate [[oxygen]] from [[peroxide]] to convert [[latex]] into foam rubber. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |'''[[Paper|Paper industry]]'''[[Archivo:InternationalPaper6413.jpg|160px|thumb|center|A paper mill in [[South Carolina]].]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |[[Amylase]]s, [[Xylanase]]s, [[Cellulase]]s and [[lignin|ligninase]]s |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |Degrade starch to lower [[viscosity]], aiding [[sizing]] and coating paper. Xylanases reduce bleach required for decolorising; cellulases smooth fibers, enhance water drainage, and promote ink removal; lipases reduce pitch and lignin-degrading enzymes remove [[lignin]] to soften paper. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |'''[[Photography|Photographic industry]]''' |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |Protease (ficin) |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |Dissolve [[gelatin]] off scrap [[Photographic film|film]], allowing recovery of its [[silver]] content. |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |'''[[Molecular biology]]''' [[Archivo:DNA123 rotated.png|180px|thumb|center|Part of the DNA [[double helix]].]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |[[Restriction enzyme]]s, [[DNA ligase]] and [[polymerases]] |
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|style="border-top: solid 3px #aaaaaa;" |Used to manipulate DNA in [[genetic engineering]], important in [[pharmacology]], [[agriculture]] and [[medicine]]. Essential for [[Restriction enzyme|restriction digestion]] and the [[polymerase chain reaction]]. Molecular biology is also important in [[forensic science]]. |
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== Véase también == |
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*[[Cinética enzimática]] |
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*[[Inhibidor enzimático]] |
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*[[Análisis cuantitativo enzimático]] |
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*[[Catálisis enzimática]] |
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*[[Enzima de restricción|Enzimas de restricción]] |
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*[[Número EC|Clasificación numérica de las enzimas]] |
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== Referencias == |
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{{listaref|2}} |
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== Lecturas suplementarias == |
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'''Etimología e historia''' |
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*[http://bip.cnrs-mrs.fr/bip10/buchner.htm New Beer in an Old Bottle: Eduard Buchner and the Growth of Biochemical Knowledge, edited by Athel Cornish-Bowden and published by Universitat de València (1997): ISBN 84-370-3328-4], Historia del inicio de la enzimología. |
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*[http://etext.lib.virginia.edu/toc/modeng/public/Wil4Sci.html Williams, Henry Smith, 1863-1943. A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences], Libro de texto del sigo XIX. |
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*Kleyn, J. and Hough J. The Microbiology of Brewing. ''Annual Review of Microbiology'' (1971) Vol. 25: 583-608 |
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'''Estructura y mecanismos de las enzimas''' |
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*Fersht, A. Structure and Mechanism in Protein Science: A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding. W. H. Freeman, 1998 ISBN 0-7167-3268-8 |
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*Walsh, C., Enzymatic Reaction Mechanisms. W. H. Freeman and Company. 1979. ISBN 0-7167-0070-0 |
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*Page, M. I., and Williams, A. (Eds.), 1987. Enzyme Mechanisms. Royal Society of Chemistry. ISBN 0-85186-947-5 |
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*Warshel, A., Computer Modeling of Chemical Reactions in enzymes and Solutions John Wiley & Sons Inc. 1991. ISBN 0-471-18440-3 |
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'''Termodinámica''' |
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*[http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookEnzym.html Reactions and Enzymes] Chapter 10 of On-Line Biology Book at Estrella Mountain Community College. |
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| width="50%" align="left" valign="top" | |
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'''Cinética e inhibición''' |
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*Athel Cornish-Bowden, ''Fundamentals of Enzyme Kinetics''. (3rd edition), Portland Press (2004), ISBN 1-85578-158-1. |
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*{{lang|en|Irwin H. Segel, ''Enzyme Kinetics: Behavior and Analysis of Rapid Equilibrium and Steady-State Enzyme Systems''. Wiley-Interscience; New Ed edition (1993), ISBN 0-471-30309-7. |
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*John W. Baynes, ''Medical Biochemistry'', Elsevier-Mosby; 2th Edition (2005), ISBN 0-7234-3341-0, p. 57.}} |
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'''Función y control de las enzimas en las células''' |
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*Price, N. and Stevens, L., Fundamentals of Enzymology: Cell and Molecular Biology of Catalytic Proteins Oxford University Press, (1999), ISBN 0-19-850229-X |
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*[http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=gnd.chapter.86 Nutritional and Metabolic Diseases] |
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'''Convenciones para asignar nombres a enzimas''' |
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*[http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/ Enzyme Nomenclature], Recommendations for enzyme names from the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology. |
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'''Aplicaciones industriales''' |
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*[http://www.mapsenzymes.com/History_of_Enzymes.asp History of industrial enzymes], artículo en inglés sobre la historia de las enzimas industriales, entre finales del siglo XX y el presente. |
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== Enlaces externos == |
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{{commonscat|Enzymes}} |
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<!--{{portal|Nutrición}}--> |
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*[http://tutor.lscf.ucsb.edu/instdev/sears/biochemistry/tw-enz/tabs-enzymes-frames.htm Structure/Function of Enzymes], Tutorial web sobre función y estructura de las enzimas. |
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* ''[http://www.maxanim.com/biochemistry/Enzyme%20Action%20and%20the%20Hydrolysis%20of%20Sucrose/Enzyme%20Action%20and%20the%20Hydrolysis%20of%20Sucrose Animación Flash de McGraw-Hill] sobre la acción enzimática y la hidrólisis de la sacarosa. |
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* [http://www.ebi.ac.uk/intenz/spotlight.jsp Enzyme spotlight] Destacado mensual de una enzima seleccionada en el Instituto Europeo de Bioinformática. |
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* [http://www.biiuk.com UK biotech and pharmaceutical industry] El ''Biosystems Informatics Institute'' (Bii) es una iniciativa del gobierno británico para fomentar la investigación y desarrollo en colaboración con la industria de biotecnología y farmaceuta del R.U. |
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* [http://www.amfep.org AMFEP], Asociación de Fabricantes y Creadores de formulaciones de productos enzimáticos |
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* [http://www.brenda-enzymes.org BRENDA] Recopilación exhaustiva de información y referencias sobre todas las enzimas conocidas; Acceso pago para uso comercial. |
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* [http://www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/enzymes/ Enzyme Structures Database] Enlaces a datos conocidos sobre la estructura 3-D de enzimas en el ''[[Protein Data Bank]]''. |
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* [http://us.expasy.org/enzyme/ ExPASy enzyme] recopilación de enlaces sobre secuencias [[Swiss-Prot]], así como bibliografía relacionada. |
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* [http://www.genome.jp/kegg/ KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes] Información gráfica e hipertextual sobre caminos bioquímicos y enzimas. |
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* [http://www-mitchell.ch.cam.ac.uk/macie MACiE] Recopilación sobre mecanismos de reacción de las enzimas. |
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* [[MetaCyc]] Recopilación sobre enzimas y caminos metabólicos. |
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* [http://www.vega.org.uk/video/programme/19 'Face-to-Face Interview with Sir John Cornforth who was awarded a Nobel Prize for work on stereochemistry of enzyme-catalyzed reactions] Video gratuito del ''Vega Science Trust.'' |
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Revisión del 23:42 5 sep 2009
En bioquímica, se llaman enzimas las sustancias de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sea termodinámicamente posible (si bien no pueden hacer que el proceso sea más termodinámicamente favorable). En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas moléculas denominadas sustratos, las cuales se convierten en diferentes moléculas, los productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para que ocurran en tasas significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas.
Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos y su velocidad crece sólo con algunas reacciones de entre otras posibilidades, el conjunto (set) de enzimas sintetizadas en una célula determina el metabolismo que ocurre en cada célula. A su vez, esta síntesis depende de la regulación de la expresión génica.
Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan aumentando y disminuyendo la energía de activación (ΔG‡) de una reacción, de forma que se acelera sustancialmente la tasa de reacción. Las enzimas no alteran el balance energético de las reacciones en que intervienen, ni modifican, por lo tanto, el equilibrio de la reacción, pero consiguen acelerar el proceso incluso millones de veces. Una reacción que se produce bajo el control de una enzima, o de un catalizador en general, alcanza el equilibrio mucho más deprisa que la correspondiente reacción no catalizada.
Al igual que ocurre con otros catalizadores, las enzimas no son consumidas por las reacciones que ellas catalizan, ni alteran su equilibrio químico. Sin embargo, las enzimas difieren de otros catalizadores por ser más específicas. Las enzimas catalizan alrededor de 4.000 reacciones bioquímicas distintas.[1] No todos los catalizadores bioquímicos son proteínas, pues algunas moléculas de ARN son capaces de catalizar reacciones (como el fragmento 16S de los ribosomas en el que reside la actividad peptidil transferasa).
La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras moléculas. Los inhibidores enzimáticos son moléculas que disminuyen o impiden la actividad de las enzimas, mientras que los activadores son moléculas que incrementan la actividad. Asimismo, gran cantidad de enzimas requieren de cofactores para su actividad. Muchas drogas o fármacos son moléculas inhibidoras. Igualmente, la actividad es afectada por la temperatura, el pH, la concentración de la propia enzima y del sustrato y otros factores físico-químicos.
Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la síntesis de antibióticos y productos domésticos de limpieza. Además, ampliamente utilizadas en variados procesos industriales, como son la fabricación de alimentos, destinción de jeans o producción de biocombustibles.
Etimología e historia
Desde finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX, se conocía la digestión de la carne por las secreciones del estómago[2] y la conversión del almidón en azúcar por los extractos de plantas y la saliva. Sin embargo, no había sido identificado el mecanismo.[3]
En el siglo XIX, cuando se estaba estudiando la fermentación del azúcar en el alcohol con levaduras, Louis Pasteur llegó a la conclusión de que esta fermentación era catalizada por una fuerza vital contenida en las células de la levadura, llamadas fermentos, e inicialmente se pensó que solo funcionaban con organismos vivos. Escribió que "la fermentación del alcohol es un acto relacionado con la vida y la organización de las células de las levaduras, y no con la muerte y la putrefacción de las células".[4]
En 1878 el fisiólogo Wilhelm Kühne (1837–1900) acuñó el término enzima, que viene del griego ενζυμον "en levadura", para describir este proceso. La palabra enzima fue usada después para referirse a sustancias inertes como el pepsin. Por otro lado, la palabra "fermento" solía referirse a la actividad química producida por organismos vivientes.
En 1897 Eduard Buchner comenzó a estudiar la habilidad de los extractos de levadura para fermentar azúcar debido a la ausencia de células vivientes de levadura. En una serie de experimentos en la Universidad Humboldt de Berlín, encontró que el azúcar era fermentada inclusive cuando no había elementos vivos en los cultivos de células de levaduras.[5] Llamó a la enzima que causa la fermentación de la sacarosa, “zimasa”.[6] En 1907 recibió el Premio Nobel de Química "por sus investigaciones bioquímicas y el haber descubierto la fermentación libre de células". Siguiendo el ejemplo de Buchner, las enzimas son usualmente nombradas de acuerdo a la reacción que producen. Normalmente, el sufijo "-asa" es agregado al nombre del sustrato (p. ej., la lactasa es la enzima que degrada lactosa) o al tipo de reacción (p. ej., el ADN polimerasa forma polímeros de ADN).
Tras haber mostrado que las enzimas pueden funcionar fuera de una célula viva, el próximo paso era determinar su naturaleza bioquímica. En muchos de los trabajos iniciales se notó que la actividad enzimática estaba asociada con proteínas, pero algunos científicos (como el premio Nobel Richard Willstätter) argumentaban que las proteínas eran simplemente el transporte para las verdaderas enzimas y que las proteínas per se no eran capaces de realizar catálisis." Sin embargo, en 1926, James B. Sumner demostró que la enzima ureasa era una proteína pura y la cristalizó. Summer hizo lo mismo con la enzima catalasa en 1937. La conclusión de que las proteínas puras podían ser enzimas fue definitivamente probada por John Howard Northrop y Wendell Meredith Stanley, quienes trabajaron en diversas enzimas digestivas como la pepsina (1930), la tripsina y la quimotripsina. Estos tres científicos recibieron el Premio Nobel de Química en 1946.[7]
El descubrimiento de que las enzimas podían ser cristalizadas permitía que sus estructuras fuesen resueltas mediante técnicas de cristalografía y difracción de rayos X. Esto se llevó a cabo en primer lugar con la lisozima, una enzima encontrada en las lágrimas, la saliva y los huevos, capaces de digerir la pared de algunas bacterias. La estructura fue resuelta por un grupo liderado por David Chilton Phillips y publicado en 1965.[8] Esta estructura de alta resolución de lisozimas, marcó el comienzo en el campo de la biología estructural y el esfuerzo por entender cómo las enzimas trabajan a un nivel molecular.
Estructuras y mecanismos
Las enzimas son generalmente proteínas globulares que pueden presentar tamaños muy variables, desde 62 aminoácidos como en el caso del monómero de la 4-oxalocrotonato tautomerasa,[9] hasta los 2.500 presentes en la sintasa de ácidos grasos.[10]
Las actividades de las enzimas vienen determinadas por su estructura tridimensional.[11] Casi todas las enzimas son mucho más grandes que los sustratos sobre los que actúan, y solo una pequeña parte de la enzima (alrededor de 3 a 4 aminoácidos) están directamente involucrados en la catálisis.[12] La región que contiene estos residuos encargados de catalizar la reacción es conocida como centro activo. Las enzimas también pueden contener sitios con la capacidad de unir cofactores, necesarios a veces en el proceso de catálisis, o de unir pequeñas moléculas, como los sustratos o productos (directos o indirectos) de la reacción catalizada. Estas uniones pueden incrementar o disminuir la actividad enzimática, dando lugar así a una regulación por retroalimentación.
Al igual que las demás proteínas, las enzimas se componen de una cadena lineal de aminoácidos que se pliegan durante el proceso de traducción para dar lugar a una estructura terciaria tridimensional de la enzima, susceptible de presentar actividad. Cada secuencia de aminoácidos es única y por tanto da lugar a una estructura única, con propiedades únicas. En ocasiones, proteínas individuales pueden unirse a otras proteínas para formar complejos, en lo que se denomina estructura cuaternaria de las proteínas.
La mayoría de las enzimas, al igual que el resto de las proteínas, pueden ser desnaturalizadas si se ven sometidas a agentes desnaturalizantes como el calor, los pHs extremos o ciertos compuestos como el SDS. Estos agentes destruyen la estructura terciaria de las proteínas de forma reversible o irreversible, dependiendo de la enzima y de la condición.
Especificidad
Las enzimas suelen ser muy específicas tanto del tipo de reacción que catalizan como del sustrato involucrado en la reacción. La forma, la carga y las características hidrofílicas/hidrofóbicas de las enzimas y los sustratos son los responsables de dicha especificidad. Las enzimas también pueden mostrar un elevado grado de estereoespecificidad, regioselectividad y quimioselectividad.[13]
Algunas de estas enzimas que muestran una elevada especificidad y precisión en su actividad son aquellas involucradas en la replicación y expresión del genoma. Estas enzimas tienen eficientes sistemas de comprobación y corrección de errores, como en el caso de la ADN polimerasa, que cataliza una reacción de replicación en un primer paso, para comprobar posteriormente si el producto obtenido es el correcto.[14] Este proceso, que tiene lugar en dos pasos, da como resultado una media de tasa de error increíblemente baja, en torno a 1 error cada 100 millones de reacciones en determinadas polimerasas de mamíferos.[15] Este tipo de mecanismos de comprobación también han sido observados en la ARN polimerasa,[16] en la ARNt aminoacil sintetasa[17] y en los ribosomas.[18]
Aquellas enzimas que producen metabolitos secundarios son denominadas promiscuas, ya que pueden actuar sobre una gran variedad de sustratos. Por ello, se ha sugerido que esta amplia especificidad de sustrato podría ser clave en la evolución y diseño de nuevas rutas biosintéticas.[19]
Modelo de la "llave-cerradura"
Las enzimas son muy específicas, esto fue sugerido por Emil Fisher en 1894. Con base en sus resultados dedujo que ambas moléculas (enzima y sustrato) poseen complementariedad geométrica, cuyas formas encajan exactamente una con otra.[20] Esto es citado comúnmente como "la llave-cerradura", refiriéndose a la enzima como una especie de cerradura y al sustrato como una llave que encaja de forma perfecta en la cerradura. Sin embargo, si bien este modelo explica la especificidad de las enzimas, falla al explicar la estabilización del estado de transición que las enzimas logran.
Modelo del encaje inducido
En 1958 Daniel Koshland sugiere una modificación al modelo de la llave-cerradura: las enzimas son estructuras bastante flexibles, el sitio activo puede ser reformado por la interacción con el sustrato.[21] Como resultado de ello, la cadena aminoacídica que compone el sitio activo es moldeada en posiciones precisas que permite a la enzima llevar a cabo su función catalítica. En algunos casos, como en las glicosidasas, el sustrato cambia ligeramente de forma para entrar en el sitio activo.[22]
Modulación alostérica
Los cambios alostéricos (zonas de la enzima diferentes al sitio activo) permiten un cambio estructural de la proteína en respuesta a la unión de efectores. La modulación puede ser directa, cuando el efector se une directamente a sitios de unión en la enzima, o indirecta, donde el efector se une a otra proteína o a una subunidad proteíca que interactúa con la enzima alostérica y que influencia la actividad catalítica.
Clasificación
Existe una clasificación normalizada con 6 categorías principales dependiendo de la reacción que catalice la enzima. Cada enzima está clasificada mediante su número EC.
Oxirreductasas
Catalizan reacciones de oxidorreducción o redox. Precisan la colaboración de las coenzimas de oxidorreducción (NAD+, NADP+, FAD) que aceptan o ceden los electrones correspondientes; tras la acción catalítica, estas coenzimas quedan modificadas en su grado de oxidación, por lo que deben ser transformadas antes de volver a efectuar la reacción catalítica.
Ejemplos: deshidrogenasas, peroxidasas.
Transferasas
Transfieren grupos activos (obtenidos de la ruptura de ciertas moléculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos de interconversión de monosacáridos, aminoácidos, etc.
Ejemplos: transaminasas, quinasas.
Hidrolasas
Verifican reacciones de hidrólisis con la consiguiente obtención de monómeros a partir de polímeros. Actúan en la digestión de los alimentos, previamente a otras fases de su degradación. La palabra hidrólisis se deriva de hidro 'agua' y lisis 'disolución'.
Ejemplos: glucosidasas, lipasas, esterasas.
Isomerasas
Actúan sobre determinadas moléculas obteniendo de ellas sus isómeros de función o de posición, es decir, catalizan la racemizacion y cambios de posición de un grupo en determinada molécula obteniendo formas isoméricas . Suelen actuar en procesos de interconversión.
Ejemplo: epimerasas (mutasa).
Liasas
Catalizan reacciones en las que se eliminan grupos (H2O, CO2 y NH3) para formar un doble enlace o añadirse a un doble enlace, capaces de catalizar la reducción en un sustrato. El sustrato es una molécula, la cual, se une al sitio activo de la enzima para la formación del complejo enzima-sustrato. El mismo, por acción de la enzima, es transformado en producto y es liberado del sitio activo, quedando libre para recibir otro sustrato.
Ejemplos: descarboxilasas, liasas.
Ligasas
Realizan la degradación o síntesis de los enlaces denominados "fuertes" mediante al acoplamiento a sustancias de alto valor energético (como el ATP).
Ejemplos: sintetasas, carboxilasas.
Activadores
Algunas enzimas necesitan para su actividad iones inorgánicos específicos que reciben el nombre de activadores. Los activadores que se necesitan con más frecuencia son los iones de hierro, cobre, manganeso, magnesio, cobalto y zinc. De ordinario, sólo un ion funciona con una determinada enzima, pero en ciertos casos se pueden sustituir ciertos iones por otros, persistiendo una actividad enzimática satisfactoria.
Inhibidores
Las moléculas que regulan la actividad enzimática inhibiendo su actividad pueden clasificarse en reversibles e irreversibles. Las irreversibles se unen covalentemente a la enzima y son útiles en farmacología (penicilina, aspirina).
Las reversibles pueden clasificarse, a su vez, en competitivas y no competitivas. Las competitivas modifican la Km del enzima ya que se unen al centro activo de éste e impiden la unión con el sustrato (se necesitará más para activar las enzimas). Las no competitivas, se unen a otro lugar de la enzima, modificando la Vmáx. (velocidad en que se forma producto por unidad de tiempo) ya que al unirse, el enzima queda inactivada.
Aplicaciones industriales
Las enzimas son utilizadas en la industria química y en otras aplicaciones industriales en donde se requiere el uso de catalizadores muy especializados. Una de las aplicaciones industriales en las que se usan enzimas es en la industria de los detergentes biológicos, ya que estos en su mayoría contienen enzimas tales como la amilasa, la lipasa y en algunos casos la celulosa, que de acuerdo a un uso específico ayudan a eliminar la gran mayoría de manchas e imperfecciones en algunas pieles. Sin embargo, las enzimas en general están limitadas en el número de reacciones que han evolucionado a catálisis y también por su falta de estabilidad en solventes orgánicos y a altas temperaturas. Consecuentemente, la ingeniería de las proteínas es un área de investigación activa que involucra intentos de crear nuevas enzimas con novedosas propiedades, ya sea por diseño racional o por evolución in vitro.[23][24]
Véase también
- Cinética enzimática
- Inhibidor enzimático
- Análisis cuantitativo enzimático
- Catálisis enzimática
- Enzimas de restricción
- Clasificación numérica de las enzimas
Referencias
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- ↑ Text of Eduard Buchner's 1907 Nobel lecture at nobelprize.org
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- ↑ Hult K, Berglund P. (2003). «Engineered enzymes for improved organic synthesis.». Curr Opin Biotechnol. 14 (4): 395-400. PMID 12943848.
Lecturas suplementarias
|
Etimología e historia
Estructura y mecanismos de las enzimas
Termodinámica
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Cinética e inhibición
Función y control de las enzimas en las células
Convenciones para asignar nombres a enzimas
Aplicaciones industriales
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Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Enzima.
- Structure/Function of Enzymes, Tutorial web sobre función y estructura de las enzimas.
- Animación Flash de McGraw-Hill sobre la acción enzimática y la hidrólisis de la sacarosa.
- Enzyme spotlight Destacado mensual de una enzima seleccionada en el Instituto Europeo de Bioinformática.
- UK biotech and pharmaceutical industry El Biosystems Informatics Institute (Bii) es una iniciativa del gobierno británico para fomentar la investigación y desarrollo en colaboración con la industria de biotecnología y farmaceuta del R.U.
- AMFEP, Asociación de Fabricantes y Creadores de formulaciones de productos enzimáticos
- BRENDA Recopilación exhaustiva de información y referencias sobre todas las enzimas conocidas; Acceso pago para uso comercial.
- Enzyme Structures Database Enlaces a datos conocidos sobre la estructura 3-D de enzimas en el Protein Data Bank.
- ExPASy enzyme recopilación de enlaces sobre secuencias Swiss-Prot, así como bibliografía relacionada.
- KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes Información gráfica e hipertextual sobre caminos bioquímicos y enzimas.
- MACiE Recopilación sobre mecanismos de reacción de las enzimas.
- MetaCyc Recopilación sobre enzimas y caminos metabólicos.
- 'Face-to-Face Interview with Sir John Cornforth who was awarded a Nobel Prize for work on stereochemistry of enzyme-catalyzed reactions Video gratuito del Vega Science Trust.