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Función de las coenzimas

Función de las coenzimas


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¿Es la función de una coenzima hacer que una reacción sea más rápida? Si los catalizadores aceleran las reacciones y las enzimas son catalizadores, y las coenzimas hacen que las enzimas funcionen mejor, ¿significa eso que las coenzimas hacen que las reacciones sean más rápidas?


Para que se produzcan reacciones químicas, las moléculas deben colisionar en las condiciones adecuadas que las enzimas pueden ayudar a crear. Por ejemplo, sin la presencia de una enzima apropiada, las moléculas de glucosa y las moléculas de fosfato en glucosa-6-fosfato permanecerán unidas. Pero cuando introduce la enzima hidrolasa, las moléculas de glucosa y fosfato se separan.

El peso molecular típico de una enzima (el peso atómico total de los átomos de una molécula) varía de aproximadamente 10,000 a más de 1 millón. Una pequeña cantidad de enzimas no son en realidad proteínas, sino que consisten en pequeñas moléculas de ARN catalítico. Otras enzimas son complejos multiproteicos que comprenden múltiples subunidades de proteínas individuales.

Si bien muchas enzimas catalizan reacciones por sí mismas, algunas requieren componentes no proteicos adicionales llamados "cofactores", que pueden ser iones inorgánicos como Fe 2+, Mg 2+, Mn 2+ o Zn 2+, o pueden consistir en compuestos orgánicos o metaloides. -moléculas orgánicas conocidas como "coenzimas".


Espectrometría de masas y metabolómica cuantitativa basada en espectroscopía de RMN

Análisis de coenzimas y antioxidantes en sangre total, tejidos y células.

Coenzimas como coenzima A, acetil coenzima A, coenzimas redox celulares: NAD + (dinucleótido de nicotinamida adenina oxidada), NADH (dinucleótido de nicotinamida adenina reducido), NADP + (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato oxidada) y NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido) coenzimas energéticas: ATP (trifosfato de adenosina), ADP (difosfato de adenosina) y AMP (monofosfato de adenosina), y antioxidantes: GSSG (glutatión oxidado) y GSH (glutatión reducido) son fundamentales para el funcionamiento de prácticamente todas las células vivas. El creciente interés por analizar estas moléculas se debe a su papel cada vez más reconocido en la salud humana, así como en las principales enfermedades. Actualmente, el análisis de estas coenzimas en un solo paso usando MS es un desafío debido a numerosos factores, incluida la supresión de iones, la fragmentación de la fuente y las diferencias de masa unitaria entre muchas coenzimas. 111 El desafío más crítico, que no está relacionado con el método analítico, es la naturaleza extremadamente inestable de las coenzimas, muchas coenzimas evaden la detección por completo o sus niveles se atenúan significativamente según el procedimiento de recolección y extracción utilizado. Los desarrollos metodológicos recientes en la recolección de muestras, el procesamiento y el análisis de RMN han aliviado estos importantes desafíos y han permitido su análisis en un solo paso en sangre total, tejido y células 111-114 (Fig. 5). Las identidades de las coenzimas y antioxidantes en estas muestras se establecieron combinando técnicas de RMN 1D / 2D, bases de datos de cambios químicos, mediciones de pH y, finalmente, enriqueciendo con compuestos auténticos. Es importante destacar que, además de las coenzimas, los nuevos métodos permiten el análisis cuantitativo de una gran cantidad de otros metabolitos utilizando los mismos espectros de RMN 1D, sin necesidad de experimentos adicionales. Esto es importante ya que, por ejemplo, la metabolómica sanguínea convencional emplea suero o plasma. Sin embargo, las concentraciones de coenzimas son muy bajas en suero o plasma, mientras que coenzimas y antioxidantes importantes están presentes en los glóbulos rojos y blancos y, por lo tanto, en la sangre completa. El método informado puede medir simultáneamente las coenzimas y los antioxidantes, además de los casi 70 metabolitos que se demostró que se cuantificaron en suero / plasma. 110

Figura 5. Porciones de espectros típicos de RMN 1H de 800 MHz de extractos de (A) plasma sanguíneo, (B) sangre completa y (C) tejido cardíaco de ratón. Está indicada la identificación de coenzimas redox y energéticas y antioxidantes en el extracto de sangre / tejido total. NAD + , dinucleótido de nicotinamida y adenina, oxidado NADH, nicotinamida adenina dinucleótido, reducido NADP + , nicotinamida adenina dinucleótido fosfato, oxidado NADPH, fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina, oxidado ATP, trifosfato de adenosina ADP, difosfato de adenosina AMPERIO, monofosfato de adenosina GSH, glutatión, reducido GSSG, glutatión, oxidado. Nota: ninguno de estos compuestos se detectó en el plasma sanguíneo.


Tipos de cofactor

Vitaminas

Las vitaminas son compuestos orgánicos que son cofactores de las reacciones bioquímicas necesarias. Por lo general, las vitaminas deben consumirse en la dieta, porque no se pueden producir dentro del cuerpo.

Muchas vitaminas son cofactores que ayudan a las enzimas a catalizar reacciones, como la producción de proteínas importantes. La vitamina C, por ejemplo, es un cofactor para la producción de colágeno del tejido conectivo.

Esta es la razón por la que las personas que contraen escorbuto, una forma grave de deficiencia de vitamina C, pueden experimentar problemas en el tejido conectivo, que incluyen debilidad muscular, dolor muscular e incluso sangrado inexplicable, ya que los tejidos conectivos de los vasos sanguíneos no se pueden reemplazar.

Las deficiencias de vitaminas son un buen ejemplo de los efectos de la deficiencia de cofactores. Así como existen muchas posibles deficiencias de vitaminas con muchos síntomas diferentes, existen muchos cofactores diferentes que nuestro cuerpo necesita para llevar a cabo sus diversas reacciones bioquímicas necesarias.

El requerimiento corporal de diversos cofactores vitamínicos es también la razón por la que los nutricionistas aconsejan a las personas que se "coman el arcoíris". asegurarnos de consumir una variedad saludable de cofactores.

Minerales

Al igual que las vitaminas, los minerales son sustancias químicas del exterior del cuerpo que deben ingerirse para permitir que nuestras células funcionen correctamente. La diferencia es que, si bien las vitaminas son moléculas orgánicas, moléculas que contienen carbono, que a menudo son fabricadas por otros seres vivos, los minerales son sustancias inorgánicas que se encuentran de forma natural y que a menudo se encuentran en las rocas y el suelo.

Los minerales a menudo ingresan a nuestra dieta de las plantas, que los extraen del suelo a través de sus raíces junto con el agua. En algunos casos raros, las personas con deficiencias de vitaminas pueden sentir la necesidad de comer ciertos tipos de suelo para obtener los minerales directamente del suelo.

Los minerales que son importantes para la salud humana incluyen el cobre, que es necesario para la función de algunas enzimas hepáticas importantes que descomponen las toxinas hierro, que es necesario para la función de algunas enzimas metabólicas importantes magnesio, que es necesario para la función de la ADN polimerasa y otras enzimas y zinc, que también es necesario para la ADN polimerasa, así como para algunas enzimas hepáticas.

Al igual que con las vitaminas, puede haber demasiadas cosas buenas: mientras que los minerales son necesarios en pequeñas cantidades para que nuestro metabolismo funcione, tomar grandes dosis de ellos puede resultar en toxicidad y muerte. De hecho, las sobredosis de multivitaminas que contienen hierro son una de las principales causas de muerte en niños menores de 4 años, que pueden confundir estas multivitaminas con dulces.

Cofactores orgánicos no vitamínicos

Algunos cofactores son sustancias orgánicas no clasificadas como enzimas. Algunos de estos pueden producirse dentro de nuestros propios cuerpos y, por lo tanto, no se califican como vitaminas.

Los cofactores orgánicos no vitamínicos incluyen ATP, un asistente esencial para muchos procesos bioquímicos, que transfiere energía a numerosas enzimas, proteínas de transporte y más coenzima Q, que desempeña un papel vital en la cadena de transporte mitocondrial y el hemo, que es un hierro complejo. que contiene un compuesto que es necesario para que nuestras células sanguíneas transporten oxígeno por todo nuestro cuerpo.


Producción de energía

La coenzima A, en forma de acetil-coenzima A, inicia el ciclo de Krebs, un proceso químico dentro del cuerpo que da como resultado la producción de dióxido de carbono y trifosfato de adenosina, según Charles E. Ophardt & # 39s & quotVirtual Chembook & quot publicado en línea. por Elmhurst College. El ATP es un importante compuesto rico en energía que proporciona el combustible y la energía necesarios para la síntesis de proteínas y ácido desoxirribonucleico, el código genético necesario para la replicación celular en el cuerpo.


Coenzimas

Además de unir sus sustratos, los sitios activos de muchas enzimas se unen a otras moléculas pequeñas que participan en la catálisis. Los grupos protésicos son pequeñas moléculas unidas a proteínas en las que desempeñan funciones funcionales críticas. Por ejemplo, el oxígeno transportado por la mioglobina y la hemoglobina está unido al hemo, un grupo protésico de estas proteínas. En muchos casos, los iones metálicos (como el zinc o el hierro) están unidos a enzimas y desempeñan funciones centrales en el proceso catalítico. Además, varias moléculas orgánicas de bajo peso molecular participan en tipos específicos de reacciones enzimáticas. Estas moléculas se denominan coenzimas porque trabajan junto con las enzimas para mejorar las velocidades de reacción. A diferencia de los sustratos, las coenzimas no se alteran irreversiblemente por las reacciones en las que están involucradas. Más bien, se reciclan y pueden participar en múltiples reacciones enzimáticas.

Las coenzimas sirven como portadores de varios tipos de grupos químicos. Un ejemplo destacado de coenzima es nicotinamida adenina dinucleótida (NAD +), que funciona como portador de electrones en reacciones de oxidación-reducción (Figura 2.27). NAD + puede aceptar un ion de hidrógeno (H +) y dos electrones (e -) de un sustrato, formando NADH. Luego, NADH puede donar estos electrones a un segundo sustrato, volviendo a formar NAD +. Por lo tanto, NAD + transfiere electrones del primer sustrato (que se oxida) al segundo (que se reduce).

Figura 2.27

Papel del NAD + en las reacciones de oxidación-reducción. (A) El dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD +) actúa como un portador de electrones en reacciones de oxidación-reducción al aceptar electrones (e -) para formar NADH. (B) Por ejemplo, NAD + puede aceptar electrones de un sustrato (más).

Varias otras coenzimas también actúan como portadores de electrones, y otras están involucradas en la transferencia de una variedad de grupos químicos adicionales (por ejemplo, grupos carboxilo y grupos acilo, Tabla 2.1). Las mismas coenzimas funcionan junto con una variedad de enzimas diferentes para catalizar la transferencia de grupos químicos específicos entre una amplia gama de sustratos. Muchas coenzimas están estrechamente relacionadas con las vitaminas, que contribuyen en parte o en su totalidad a la estructura de la coenzima. Las vitaminas no son requeridas por bacterias como E. coli pero son componentes necesarios de las dietas de humanos y otros animales superiores, que han perdido la capacidad de sintetizar estos compuestos.

Cuadro 2.1

Ejemplos de coenzimas y vitaminas.


6.5 Enzimas

Una sustancia que ayuda a que se produzca una reacción química es un catalizador, y las moléculas especiales que catalizan las reacciones bioquímicas se denominan enzimas. Casi todas las enzimas son proteínas, compuestas por cadenas de aminoácidos, y realizan la tarea crítica de reducir las energías de activación de las reacciones químicas dentro de la célula. Las enzimas hacen esto uniéndose a las moléculas reactivas y manteniéndolas de tal manera que los procesos químicos de ruptura y formación de enlaces tengan lugar más fácilmente. Es importante recordar que las enzimas no cambian la ∆G de una reacción. En otras palabras, no cambian si una reacción es exergónica (espontánea) o endergónica. Esto se debe a que no cambian la energía libre de los reactivos o productos. Solo reducen la energía de activación requerida para alcanzar el estado de transición (Figura 6.15).

Sitio activo enzimático y especificidad del sustrato

Los reactivos químicos a los que se une una enzima son los sustratos de la enzima. Puede haber uno o más sustratos, dependiendo de la reacción química particular. En algunas reacciones, un sustrato de un solo reactivo se descompone en múltiples productos. En otros, dos sustratos pueden unirse para crear una molécula más grande. Dos reactivos también pueden entrar en una reacción, ambos se modifican y dejan la reacción como dos productos. La ubicación dentro de la enzima donde se une el sustrato se denomina sitio activo de la enzima. El sitio activo es donde ocurre la "acción", por así decirlo. Dado que las enzimas son proteínas, existe una combinación única de residuos de aminoácidos (también llamados cadenas laterales o grupos R) dentro del sitio activo. Cada residuo se caracteriza por diferentes propiedades. Los residuos pueden ser grandes o pequeños, débilmente ácidos o básicos, hidrófilos o hidrófobos, cargados positiva o negativamente o neutros. La combinación única de residuos de aminoácidos, sus posiciones, secuencias, estructuras y propiedades crea un entorno químico muy específico dentro del sitio activo. Este entorno específico es adecuado para unirse, aunque sea brevemente, a un sustrato químico específico (o sustratos). Debido a esta combinación similar a un rompecabezas entre una enzima y sus sustratos (que se adapta para encontrar el mejor ajuste entre el estado de transición y el sitio activo), las enzimas son conocidas por su especificidad. El "mejor ajuste" resulta de la forma y la atracción del grupo funcional de aminoácidos hacia el sustrato. Existe una enzima específicamente adaptada para cada sustrato y, por lo tanto, para cada reacción química, sin embargo, también hay flexibilidad.

El hecho de que los sitios activos estén tan perfectamente adaptados para proporcionar condiciones ambientales específicas también significa que están sujetos a las influencias del entorno local. Es cierto que el aumento de la temperatura ambiental generalmente aumenta las velocidades de reacción, catalizadas por enzimas o de otro tipo. Sin embargo, aumentar o disminuir la temperatura fuera de un rango óptimo puede afectar los enlaces químicos dentro del sitio activo de tal manera que son menos adecuados para unir sustratos. Las altas temperaturas eventualmente harán que las enzimas, al igual que otras moléculas biológicas, se desnaturalicen, un proceso que cambia las propiedades naturales de una sustancia. Asimismo, el pH del entorno local también puede afectar la función enzimática. Los residuos de aminoácidos del sitio activo tienen sus propias propiedades ácidas o básicas que son óptimas para la catálisis. Estos residuos son sensibles a los cambios de pH que pueden afectar la forma en que se unen las moléculas del sustrato. Las enzimas son adecuadas para funcionar mejor dentro de un cierto rango de pH y, al igual que con la temperatura, los valores extremos de pH (ácido o básico) del medio ambiente pueden hacer que las enzimas se desnaturalicen.

Ajuste inducido y función enzimática

Durante muchos años, los científicos pensaron que la unión enzima-sustrato tenía lugar de una manera simple de "cerradura y llave". Este modelo afirmó que la enzima y el sustrato encajan perfectamente en un paso instantáneo. Sin embargo, la investigación actual respalda una visión más refinada llamada ajuste inducido (Figura 6.16). El modelo de ajuste inducido amplía el modelo de cerradura y llave al describir una interacción más dinámica entre la enzima y el sustrato. A medida que la enzima y el sustrato se unen, su interacción provoca un cambio leve en la estructura de la enzima que confirma una disposición de unión ideal entre la enzima y el estado de transición del sustrato. Esta unión ideal maximiza la capacidad de la enzima para catalizar su reacción.

Enlace al aprendizaje

Vea una animación de ajuste inducido en este sitio web.

Cuando una enzima se une a su sustrato, se forma un complejo enzima-sustrato. Este complejo reduce la energía de activación de la reacción y promueve su rápida progresión de una de muchas formas. En un nivel básico, las enzimas promueven reacciones químicas que involucran a más de un sustrato al juntar los sustratos en una orientación óptima. La región apropiada (átomos y enlaces) de una molécula se yuxtapone a la región apropiada de la otra molécula con la que debe reaccionar. Otra forma en que las enzimas promueven la reacción de sus sustratos es creando un ambiente óptimo dentro del sitio activo para que ocurra la reacción. Ciertas reacciones químicas pueden desarrollarse mejor en un ambiente ligeramente ácido o no polar. Las propiedades químicas que surgen de la disposición particular de los residuos de aminoácidos dentro de un sitio activo crean el ambiente perfecto para que reaccionen los sustratos específicos de una enzima.

Ha aprendido que la energía de activación requerida para muchas reacciones incluye la energía involucrada en manipular o contorsionar levemente los enlaces químicos para que puedan romperse fácilmente y permitir que otros se reforman. La acción enzimática puede ayudar en este proceso. El complejo enzima-sustrato puede reducir la energía de activación al contorsionar las moléculas del sustrato de tal manera que se facilite la ruptura de enlaces, ayudando a alcanzar el estado de transición. Finalmente, las enzimas también pueden reducir las energías de activación al participar en la reacción química en sí. Los residuos de aminoácidos pueden proporcionar ciertos iones o grupos químicos que realmente forman enlaces covalentes con moléculas de sustrato como paso necesario del proceso de reacción. En estos casos, es importante recordar que la enzima siempre volverá a su estado original al completarse la reacción. Una de las propiedades distintivas de las enzimas es que, en última instancia, permanecen inalteradas por las reacciones que catalizan. Una vez que una enzima termina de catalizar una reacción, libera su (s) producto (s).

Control del metabolismo a través de la regulación enzimática

Parecería ideal tener un escenario en el que todas las enzimas codificadas en el genoma de un organismo existieran en abundancia y funcionaran de manera óptima en todas las condiciones celulares, en todas las células, en todo momento. En realidad, esto está lejos de ser el caso. Una variedad de mecanismos aseguran que esto no suceda. Las necesidades y condiciones celulares varían de una célula a otra y cambian dentro de las células individuales con el tiempo. Las enzimas requeridas y las demandas energéticas de las células del estómago son diferentes de las de las células de almacenamiento de grasa, las células de la piel, las células sanguíneas y las células nerviosas. Además, una célula digestiva trabaja mucho más para procesar y descomponer los nutrientes durante el tiempo que sigue de cerca a una comida en comparación con muchas horas después de una comida. A medida que varían estas demandas y condiciones celulares, también varían las cantidades y la funcionalidad de las diferentes enzimas.

Dado que las velocidades de las reacciones bioquímicas están controladas por la energía de activación, y las enzimas reducen y determinan las energías de activación para las reacciones químicas, las cantidades relativas y el funcionamiento de la variedad de enzimas dentro de una célula determinan en última instancia qué reacciones se producirán y a qué velocidades. Esta determinación está estrictamente controlada. En ciertos entornos celulares, la actividad enzimática está parcialmente controlada por factores ambientales, como el pH y la temperatura. Existen otros mecanismos a través de los cuales las células controlan la actividad de las enzimas y determinan las velocidades a las que se producirán diversas reacciones bioquímicas.

Regulación de enzimas por moléculas

Las enzimas pueden regularse de manera que promuevan o reduzcan su actividad. Hay muchos tipos diferentes de moléculas que inhiben o promueven la función enzimática, y existen varios mecanismos para hacerlo. En algunos casos de inhibición enzimática, por ejemplo, una molécula inhibidora es lo suficientemente similar a un sustrato que puede unirse al sitio activo y simplemente bloquear la unión del sustrato. Cuando esto sucede, la enzima se inhibe mediante inhibición competitiva, porque una molécula inhibidora compite con el sustrato por la unión al sitio activo (Figura 6.17). Por otro lado, en la inhibición no competitiva, una molécula inhibidora se une a la enzima en una ubicación distinta a un sitio alostérico y aún logra bloquear la unión del sustrato al sitio activo.

Algunas moléculas inhibidoras se unen a enzimas en un lugar donde su unión induce un cambio conformacional que reduce la afinidad de la enzima por su sustrato. Este tipo de inhibición se denomina inhibición alostérica (figura 6.18). La mayoría de las enzimas reguladas alostéricamente están formadas por más de un polipéptido, lo que significa que tienen más de una subunidad proteica. Cuando un inhibidor alostérico se une a una enzima, todos los sitios activos de las subunidades de proteínas se modifican ligeramente de modo que se unen a sus sustratos con menos eficacia. Existen tanto activadores alostéricos como inhibidores. Los activadores alostéricos se unen a ubicaciones en una enzima alejadas del sitio activo, induciendo un cambio conformacional que aumenta la afinidad del sitio (s) activo (s) de la enzima por su (s) sustrato (s).

Conexión diaria

Descubrimiento de fármacos mediante la búsqueda de inhibidores de enzimas clave en vías específicas

Las enzimas son componentes clave de las vías metabólicas. Comprender cómo funcionan las enzimas y cómo se pueden regular es un principio clave detrás del desarrollo de muchos de los fármacos (Figura 6.19) en el mercado actual. Los biólogos que trabajan en este campo colaboran con otros científicos, generalmente químicos, para diseñar fármacos.

Considere las estatinas, por ejemplo, que es el nombre que se le da a la clase de medicamentos que reducen los niveles de colesterol. Estos compuestos son esencialmente inhibidores de la enzima HMG-CoA reductasa. La HMG-CoA reductasa es la enzima que sintetiza el colesterol a partir de los lípidos del cuerpo. Al inhibir esta enzima, se pueden reducir los niveles de colesterol sintetizados en el cuerpo. De manera similar, el acetaminofén, comercializado popularmente bajo la marca Tylenol, es un inhibidor de la enzima ciclooxigenasa. Si bien es eficaz para aliviar la fiebre y la inflamación (dolor), su mecanismo de acción aún no se comprende por completo.

¿Cómo se desarrollan los fármacos? Uno de los primeros desafíos en el desarrollo de fármacos es identificar la molécula específica a la que se destina el fármaco. En el caso de las estatinas, la HMG-CoA reductasa es el fármaco diana. Los objetivos de los fármacos se identifican mediante una minuciosa investigación en el laboratorio. Identificar el objetivo por sí solo no es suficiente, los científicos también necesitan saber cómo actúa el objetivo dentro de la célula y qué reacciones salen mal en el caso de una enfermedad. Una vez que se identifican el objetivo y la vía, comienza el proceso real de diseño del fármaco. Durante esta etapa, los químicos y los biólogos trabajan juntos para diseñar y sintetizar moléculas que pueden bloquear o activar una reacción en particular. Sin embargo, esto es solo el comienzo: si y cuando un prototipo de fármaco tiene éxito en el desempeño de su función, debe someterse a muchas pruebas, desde experimentos in vitro hasta ensayos clínicos, antes de que pueda obtener la aprobación de la FDA para su comercialización.

Muchas enzimas no funcionan de manera óptima, o incluso no funcionan en absoluto, a menos que estén unidas a otras moléculas auxiliares no proteicas específicas, ya sea temporalmente a través de enlaces iónicos o de hidrógeno o permanentemente a través de enlaces covalentes más fuertes. Dos tipos de moléculas auxiliares son los cofactores y las coenzimas. La unión a estas moléculas promueve la conformación y función óptimas de sus respectivas enzimas. Los cofactores son iones inorgánicos como el hierro (Fe ++) y el magnesio (Mg ++). Un ejemplo de una enzima que requiere un ion metálico como cofactor es la enzima que construye moléculas de ADN, la ADN polimerasa, que requiere el ion zinc unido (Zn ++) para funcionar. Las coenzimas son moléculas auxiliares orgánicas, con una estructura atómica básica formada por carbono e hidrógeno, necesarios para la acción enzimática. Las fuentes más comunes de coenzimas son las vitaminas de la dieta (Figura 6.20). Algunas vitaminas son precursoras de las coenzimas y otras actúan directamente como coenzimas. La vitamina C es una coenzima de múltiples enzimas que participan en la construcción del importante componente del tejido conectivo, el colágeno. Un paso importante en la descomposición de la glucosa para producir energía es la catálisis por un complejo multienzimático llamado piruvato deshidrogenasa. La piruvato deshidrogenasa es un complejo de varias enzimas que en realidad requiere un cofactor (un ion de magnesio) y cinco coenzimas orgánicas diferentes para catalizar su reacción química específica. Por lo tanto, la función enzimática está regulada, en parte, por una gran cantidad de varios cofactores y coenzimas, que son suministrados principalmente por las dietas de la mayoría de los organismos.

Compartimentación de enzimas

En las células eucariotas, las moléculas como las enzimas suelen estar compartimentadas en diferentes orgánulos. Esto permite otro nivel más de regulación de la actividad enzimática. Las enzimas necesarias solo para ciertos procesos celulares se pueden almacenar por separado junto con sus sustratos, lo que permite reacciones químicas más eficientes. Ejemplos de este tipo de regulación enzimática basada en la ubicación y la proximidad incluyen las enzimas involucradas en las últimas etapas de la respiración celular, que tienen lugar exclusivamente en las mitocondrias, y las enzimas involucradas en la digestión de desechos celulares y materiales extraños, ubicados dentro de los lisosomas.

Inhibición de la retroalimentación en las vías metabólicas

Las moléculas pueden regular la función enzimática de muchas formas. Sin embargo, queda una pregunta importante: ¿Qué son estas moléculas y de dónde provienen? Algunos son cofactores y coenzimas, iones y moléculas orgánicas, como ha aprendido. ¿Qué otras moléculas de la célula proporcionan regulación enzimática, como la modulación alostérica y la inhibición competitiva y no competitiva? La respuesta es que una amplia variedad de moléculas pueden realizar estas funciones. Algunas de estas moléculas incluyen medicamentos farmacéuticos y no farmacéuticos, toxinas y venenos del medio ambiente. Quizás las fuentes más relevantes de moléculas reguladoras de enzimas, con respecto al metabolismo celular, son los productos de las propias reacciones metabólicas celulares. De la manera más eficiente y elegante, las células han evolucionado para utilizar los productos de sus propias reacciones para la inhibición por retroalimentación de la actividad enzimática. La inhibición por retroalimentación implica el uso de un producto de reacción para regular su propia producción adicional (Figura 6.21). La célula responde a la abundancia de productos específicos al ralentizar la producción durante reacciones anabólicas o catabólicas. Dichos productos de reacción pueden inhibir las enzimas que catalizaron su producción a través de los mecanismos descritos anteriormente.

La producción de aminoácidos y nucleótidos se controla mediante la inhibición por retroalimentación. Además, el ATP es un regulador alostérico de algunas de las enzimas involucradas en la descomposición catabólica del azúcar, el proceso que produce ATP. De esta manera, cuando el ATP es abundante, la célula puede prevenir su producción adicional. Recuerde que el ATP es una molécula inestable que puede disociarse espontáneamente en ADP. Si hubiera demasiado ATP en una célula, gran parte se desperdiciaría. Por otro lado, el ADP sirve como un regulador alostérico positivo (un activador alostérico) para algunas de las mismas enzimas que son inhibidas por el ATP. Por lo tanto, cuando los niveles relativos de ADP son altos en comparación con el ATP, la célula se activa para producir más ATP a través del catabolismo del azúcar.


Enzima: propiedades, clasificación y funciones

La enzima es una sustancia que actúa como catalizador orgánico biológico para mejorar las reacciones químicas. Las enzimas son producidas por células pero la presencia de células no es esencial para su actividad. Todas las enzimas son proteínas por naturaleza. Muchas enzimas son proteínas simples y no requieren ningún factor adicional para su actividad. Algunas enzimas se sintetizan en una forma inactiva llamada zimógenos o proenzimas como tripsinógeno, quimotripsinógeno y pepsinógeno.

Algunas enzimas requieren factores adicionales además de la molécula de proteína para su actividad. El cofactor general se utiliza para tales agentes. Se dividen en tres grupos como:

El grupo protésico es la parte no proteica de la molécula enzimática que permanece estrechamente unida a la proteína enzimática. La coenzima representa una parte no proteica termoestable de una enzima que se puede separar fácilmente de la proteína enzimática. La eliminación de la coenzima conduce a la pérdida de poder catalítico de la enzima. La parte proteica de dicha enzima se llama apoenzima y la apoenzima junto con su coenzima se llama holoenzima.

El dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD) se sintetiza a partir de la vitamina niacina y pirofosfato de tiamina (TPF, sintetizado a partir de la vitamina B).1) son un ejemplo de tales coenzimas. Activador de iones metálicos: un gran número de enzimas requieren cationes metálicos mono o divalentes como K +, Mn ++, Mg ++, Ca ++ y Zn ++ para su activación.

Se sabe que las enzimas influyen en la velocidad de las reacciones bioquímicas de varias formas. En varios casos, la coenzima reacciona primero con el sustrato para formar un nuevo compuesto. En el siguiente paso, el compuesto intermedio así formado sufre un segundo cambio en el que la enzima se libera en su forma original y el sustrato en una forma alterada denominada producto.


Control del metabolismo a través de la regulación enzimática

Parecería ideal tener un escenario en el que todas las enzimas codificadas en el genoma de un organismo existieran en abundancia y funcionaran de manera óptima en todas las condiciones celulares, en todas las células, en todo momento. En realidad, esto está lejos de ser el caso. Una variedad de mecanismos aseguran que esto no suceda. Las necesidades y condiciones celulares varían de una célula a otra y cambian dentro de las células individuales con el tiempo. Las enzimas requeridas y las demandas energéticas de las células del estómago son diferentes de las de las células de almacenamiento de grasa, las células de la piel, las células sanguíneas y las células nerviosas. Además, una célula digestiva trabaja mucho más para procesar y descomponer los nutrientes durante el tiempo que sigue de cerca a una comida en comparación con muchas horas después de una comida. A medida que varían estas demandas y condiciones celulares, también varían las cantidades y la funcionalidad de las diferentes enzimas.

Dado que las velocidades de las reacciones bioquímicas están controladas por la energía de activación, y las enzimas reducen y determinan las energías de activación para las reacciones químicas, las cantidades relativas y el funcionamiento de la variedad de enzimas dentro de una célula determinan en última instancia qué reacciones procederán y a qué velocidades. Esta determinación está estrictamente controlada. En ciertos entornos celulares, la actividad enzimática está parcialmente controlada por factores ambientales, como el pH y la temperatura. Existen otros mecanismos a través de los cuales las células controlan la actividad de las enzimas y determinan las velocidades a las que se producirán diversas reacciones bioquímicas.


Biotecnologías agrícolas y afines

Paul A. Spagnuolo,. Matthew Tcheng, en Biotecnología integral (tercera edición), 2019

4.44.7 Coenzima Q10

La coenzima Q10 (CoQ10) o ubiquinona es un compuesto mitocondrial endógeno que consiste en un anillo de quinona con una cadena lateral de 10 unidades de isopreno. 42 La CoQ10 participa en varios procesos biológicos que incluyen la homeostasis y el metabolismo redox. 42 La suplementación con CoQ10 exógena está ampliamente disponible donde se ha comercializado para apoyar la salud cardiovascular y muscular. 43 La determinación de CoQ10 (en su forma oxidada) se logra comúnmente con un método validado por AOAC entre laboratorios. Este método utiliza RP-HPLC junto con detección UV a 275 nm para detectar CoQ10 en materias primas y suplementos dietéticos terminados. 44 La extracción de materiales se puede lograr usando una mezcla de acetonitrilo-tetrahidrofurano-agua seguida de un tratamiento con cloruro férrico para asegurar la oxidación completa de CoQ10. 44,45 Aunque el método validado por la AOAC utiliza una columna C18 y un detector UV para la separación e identificación de la CoQ10 totalmente oxidada, un estudio alternativo tuvo éxito con una columna C8 y la detección de DAD. 45 Sin embargo, dada la alta hidrofobicidad de CoQ10, las columnas C18 son más adecuadas. Se ha propuesto una alternativa a la HPLC-UV, utilizando espectrometría de infrarrojo cercano por transformada de Fourier (FT-NIR). Este método no requiere un tratamiento previo de la muestra y se encontró que cuantifica con precisión los niveles de CoQ10 en varios suplementos dietéticos cuando se combina con un modelo de regresión de mínimos cuadrados parciales. 46


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