Carbohidratos

Carbohidratos

Los glúcidos, carbohidratos, hidratos de carbono o sacáridos son biomoléculas compuestas por carbono,hidrógeno y oxígeno, cuyas principales funciones en los seres vivos son el prestar energía inmediata y estructural. La glucosa y el glucógeno son las formas biológicas primarias de almacenamiento y consumo de energía; la celulosa cumple con una función estructural al formar parte de la pared de las células vegetales, mientras que la quitina es el principal constituyente del exoesqueleto de los artrópodos.

Se pueden describir los carbohidratos por la cantidad de unidades monómeras que contienen. Los monosacáridos son las unidades más pequeñas de estructura de carbohidratos. El nombre carbohidrato, “hidrato de carbono”, indica que su fórmula empírica es (CH2O)n, donde n es 3 o más (en general n es 5 o 6, pero puede ser hasta 9). Los oligosacáridos son polímeros con dos hasta unos 20 residuos de monosacárido. Los oligosacáridos más comunes son los disacáridos, formados por dos residuos de monosacárido unidos. Los polisacáridos son polímeros que contienen muchos (en general más de 20) residuos de monosacárido. Los oligosacáridos y los polisacáridos no tienen la fórmula empírica (CH2O)n, porque durante la formación del polímero se elimina agua. El término glucano (o glicano) es uno más general que se usa para los carbohidratos polímeros. Puede indicar un polímero de azúcares idénticos (homoglicano) o de distintos azúcares (heteroglicano). Los glucoconjugados son derivados de carbohidrato en los que una o más cadenas de carbohidrato están unidas en forma covalente a un péptido, una proteína o un lípido. Esos derivados comprenden los proteoglicanos, peptidoglicanos, glucoproteínas y glucolípidos.

 - Los Monosacaridos

Los monosacáridos son sólidos blancos, cristalinos y solubles en agua que tienen sabor dulce. Entre los ejemplos están la glucosa y la fructosa. Desde el punto de vista químico, los monosacáridos son polihidroxi aldehídos o aldosas, o polihidroxi cetonas o cetosas. Se clasifican por el tipo de grupo carbonilo y por la cantidad de átomos de carbono. Como regla, se usa el sufijo -osa para dar nombre a los carbohidratos, aunque hay varias excepciones. Todos los monosacáridos tienen al menos tres átomos de carbono. Uno de ellos es el carbono carbonílico, y cada uno de los restantes tiene un grupo hidroxilo. En las aldosas, el átomo de carbono más oxidado se designa como C-1 y se pone en la parte superior de una proyección de Fischer. En las cetosas, el átomo de carbono más oxidado suele ser el C-2.

Cuando las moléculas de azúcar tienen distinta configuración sólo en uno de varios centros quirales, se llaman epímeros. 

- Ciclacion de Aldosas y Hexosas

La causa de esta asimetría adicional es una reacción de ciclación intramolecular, que produce un nuevo centro quiral en el átomo de carbono del grupo carbonilo. Esta ciclación se parece a la reacción de un alcohol con un aldehído para formar un hemiacetal, o con una cetona para formar un hemicetal. El carbono más oxidado de un monosacárido ciclado, el que está unido a dos átomos de oxígeno, se llama carbono anomérico.

- Derivados de los monosacaridos

Entre estos derivados están los monosacáridos polimerizados, como los oligosacáridos y los polisacáridos, igual que varias clases de compuestos no polimerizados. Acontinuacion se presentaran los siguientes derivados de este grupo:

A. Fosfatos de azúcar

Los monosacáridos, en las vías metabólicas, con frecuencia se convierten en ésteres de fosfato. Los fosfatos de triosa, el 5-fosfato de ribosa y el 6-fosfato de glucosa son ésteres alcohol-fosfato simples. El 1-fosfato de glucosa es un fosfato de hemiacetal, más reactivo que un fosfato de alcohol.

B. Desoxiazucares

 En estos derivados, un átomo de hidrógeno sustituye a uno de los grupos hidroxilo del monosacárido precursor. La 2-desoxi-D-ribosa es un bloque constructivo importante en el ADN. La L-fucosa (6-desoxi-L-galactosa) está muy distribuida en plantas, animales y microorganismos.

C. Aminoazucares

En varios azúcares, un grupo amino sustituye uno de los grupos hidroxilo del monosacárido precursor. A veces el grupo amino está acetilado. Los aminoazúcares de la glucosa y la galactosa se suelen presentar en glucoconjugados.

D. Azucares alcoholes

En un azúcar alcohol el oxigeno carbonilico del monosacarido precursor se ha reducido y se produce un polihidroxialcohol.

E. Azucares ácidos

Los azúcares ácidos son ácidos carboxílicos derivados de las aldosas, sea por oxidación de C-1 (el carbono aldehídico) para formar un ácido aldónico, o por oxidación del carbono con número mayor (el que tiene el alcohol primario) para formar un ácido aldurónico. Los ácidos aldónicos existen en la forma de cadena abierta, en solución alcalina, y forman lactonas (ésteres intramoleculares) al acidularlos. Los ácidos aldónicos pueden estar como piranosas, por lo que poseen un carbono anomérico.

F. Ácido ascorbico

El ácido L-ascórbico o vitamina C, es un enodiol de una lactona derivada del D-glucoronato. Los primates no pueden convertir glucoronato en ácido ascórbico, y en consecuencia deben obtenerlo en su dieta. El ácido ascórbico es un cofactor esencial para las enzimas que catalizan la hidroxilación de los residuos de prolina y lisina durante la síntesis de colágena.

- Disacáridos y otros glucósidos

El enlace glicosídico es el principal enlace estructural en todos los polímeros de los monosacáridos. Es un enlace acetal, donde el carbono anomérico de un azúcar se condensa con un alcohol, una amina o un tiol.  Los compuestos que tienen enlaces glicosídicos se llaman glicósidos. Los glucósidos son una clase especial de glicósidos, donde la glucosa aporta el carbono anomérico. Entre los glicósidos hay disacáridos, polisacáridos y algunos derivados de carbohidrato. En este grupo encontramos azucares como la maltosa, celobiosa, maltosa y sacarosa.

- Polisacáridos

Los polisacáridos se dividen dos clases extensas. Los homoglicanos (u homopolisacáridos) son polímeros que sólo contienen residuos de un tipo de monosacárido. Los heteroglicanos (o heteropolisacáridos) son polímeros que contienen residuos de más de un tipo de monosacárido. La mayor parte de los polisacáridos también se pueden clasificar de acuerdo con sus funciones biológicas. Por ejemplo, el almidón y el glucógeno son polisacáridos de almacenamiento, y la celulosa y la quitina son polisacáridos estructurales.

A. Almidon y glucogeno

El homoglicano de almacenamiento más común de la glucosa en las plantas y los hongos es el almidón; y en los animales es el glucógeno. Ambos tipos de polisacárido existen en las bacterias. En las células vegetales, el almidón existe como mezcla de amilosa y amilopectina, y se almacena en granos cuyos diámetros van de 3 a 100 mm. La amilosa es un polímero no ramificado de unos 100 a 1 000 residuos de D-glucosa unidos por enlaces glicosídicos a-(1→ 4), que se llaman específicamente enlaces glicosídicos a-(1→ 4), porque los carbonos anoméricos pertenecen a residuos de glucosa . El mismo tipo de unión conecta los monómeros de glucosa en el disacárido maltosa. Aunque no es verdaderamente soluble en agua, la amilosa forma micelas hidratadas en el agua, y puede adoptar una estructura helicoidal bajo ciertas condiciones. La amilopectina es una versión ramificada de la amilosa. Las ramas, o cadenas laterales poliméricas, están unidas mediante enlaces glicosídicos a-(1 → 6) a las cadenas lineales de residuos, unidos por enlaces glicosídicos a-(1 → 4).

B. Celulosa y quitina

La celulosa es un polisacárido estructural. Es uno de los principales componentes de las paredes celulares rígidas que rodean muchas células vegetales. Los tallos y las ramas de muchas plantas están formados principalmente por celulosa. La quitina, tal vez el segundo compuesto más abundante en la Tierra, es un homoglicano estructural que se encuentra en los exoesqueletos de los insectos y crustáceos, y también en las paredes celulares de la mayor parte de los hongos y en muchas algas. La quitina es un polímero lineal parecido a la celulosa.

- Glicoconjugados

En muchos casos, los polisacáridos consisten en varias unidades distintas de monosacárido. Por consiguiente, son heteroglicanos. (Almidón, glucógeno, celulosa y quitina son homoglicanos). Los heteroglicanos aparecen en tres tipos de glicoconjugados: proteoglicanos, peptidoglicanos y glicoproteínas. En esta sección se verá cómo las propiedades químicas y físicas de los heteroglicanos en los glicoconjugados se adecuan a diversas funciones biológicas.

A. Proteoglicanos

Los proteoglicanos son complejos de proteínas y una clase de polisacáridos llamados glicosaminoglicanos. Esos glicoconjugados se presentan principalmente en la matriz extracelular (tejido conectivo) de animales multicelulares.

B. Peptidoglicanos

Los peptidoglicanosson polisacáridos unidos a péptidos pequeños. Las paredes celulares de muchas bacterias contienen una clase especial de peptidoglicano con un componente de heteroglicano unido a un péptido de cuatro o cinco residuos.

C. Glicoproteinas

Las glicoproteínas, como los proteoglicanos, son proteínas que contienen oligosacáridos unidos en forma covalente (es decir, proteínas que están glicosiladas; los proteoglicanos son un tipo de glicoproteína). Las cadenas de carbohidrato de una glicoproteína varían de longitud, de 1 hasta más de 30 residuos, y pueden formar hasta 80% de la masa total de la molécula. Las glicoproteínas son un grupo extraordinariamente diverso de proteínas que abarca enzimas, hormonas, proteínas estructurales y proteínas de transporte. Las cadenas de oligosacárido de las glicoproteínas muestran gran variabilidad de composición. La composición de esas cadenas puede variar, aun entre moléculas de la misma proteína, fenómeno que se llama microheterogeneidad. Hay varios factores que contribuyen a la diversidad estructural de las cadenas de oligosacárido en las glicoproteínas.

- Antibiótico utilizado para inhibir la síntesis de la pared bacteriana

La Penicilina G es un antibiótico beta-lactamico de acción principalmente bactericida. Inhibe la tercera y ultima etapa de la síntesis de la pared celular bacteriana mediante la unión de determinadas proteínas en la pared celular.

- Medicamentos que contienen hidratos de carbono

1. Almiron Pepti 2

Almirón Pepti 2 es una fórmula completa para el tratamiento dietético de lactantes y niños que presentan alergia o riesgo de alergia a proteínas lácteas. Este es un hidrolizado de seroproteínas lácteas con lactosa que reducen significativamente el riesgo de desarrollar una reacción alérgica. Almirón Pepti 2 se utilizará bajo control médico.

2. Althera Sabor Neutro

Es una fórmula con proteína hidrolizada para lactantes a partir del nacimiento. Está adicionada con hierro y LC - Pufa's.

3. Dietgrif Activ protein Fibra Sabor vainilla y fresa 

Medicamento en formula para el tratamiento dietético de pacientes con requerimientos especiales de energía y/o nutrientes y en situaciones clínicas que cursan con desnutrición severa.

Importancia del metabolismo de los carbohidratos en la industria Farmacéutica

 

Entre los principales componentes que se analizan desde la bioquímica, se encuentran los carbohidratos que también son conocidos como hidratos de carbono, estos son los principales nutrientes para el aporte de energía porque se encuentran en la mayor cantidad de alimentos y también en las bebidas alcohólicas. 

La finalidad del proceso metabólico, es quemar los hidratos de carbono que proporcionan más del 50% de la energía necesaria para el crecimiento, la absorción, la excreción y el trabajo mecánico. 

Es importante destacar que el metabolismo se encuentra subdividido en diferentes rutas metabólicas, estas son una serie de reacciones consecutivas catalizadas por un enzima que produce compuestos intermedios y finalmente productos, en muchos casos el producto final de una ruta es la sustancia inicial de otra.

Coenzima y Vitaminas

Coenzimas y Vitaminas

Las coenzimas son cofactores orgánicos no proteicos, termoestables, que unidos a una apoenzima constituyen la holoenzima o forma catalitica activa de la enzima. Tienen en general baja masa molecular (al menos comparada con la apoenzima) y son claves en el mecanismo de catálisis, por ejemplo, aceptando o donando electrones o grupos funcionales, que transportan de una enzima a otra.

A diferencia de las enzimas, las enzimas se modifican durante la reacción química al actuar como coenzima.

Más de la cuarta parte de todas las enzimas conocidas requieren cationes metálicos para tener actividad catalítica total. Estas enzimas se pueden dividir en dos grupos: enzimas activadas por metal y metaloenzimas. Las enzimas activadas por metal tienen necesidad absoluta de iones metálicos adicionales, o son estimuladas por adición de iones metálicos. Algunas de esas enzimas requieren cationes monovalentes, como y otras necesitan cationes divalentes, como o Por ejemplo, las cinasas requieren iones magnesio para el complejo magnesio-ATP que usan como el sustrato donador de grupo fosforilo. El magnesio protege a los grupos fosfato, con carga negativa, del ATP, y los hace más susceptible al ataque nucleofílico. Las metaloenzimas contienen iones metálicos firmemente unidos en sus sitios activos. Los iones que más se suelen encontrar en las metaloenzimas son de metales de transición como hierro y zinc, y con menos frecuencia cobre y cobalto. 

Clasificación de las coenzimas

1. Las coenzimas de un tipo, llamadas cosustratos, con frecuencia en realidad son sustratos en reacciones catalizadas por enzimas. Un cosustrato se altera durante la reacción y se disocia del sitio activo. La estructura original del cosustrato se regenera en una reacción posterior, catalizada por otra enzima. El cosustrato se recicla en forma repetida dentro de la célula, a diferencia de un sustrato ordinario, cuyo producto, en el caso típico, sufre una transformación posterior. Los cosustratos llevan y traen grupos metabólicos entre distintas reacciones catalizadas por enzimas.

2. El segundo tipo de coenzima se llama grupo prostético.Un grupo prostético permanece unido a la enzima durante la reacción. En algunos casos, el grupo prostético se une en forma covalente a su apoenzima, en tanto que en otros casos está firmemente unido al sitio activo por muchas interacciones débiles. Igual que los residuos iónicos de aminoácido del sitio activo, un grupo prostético debe regresar a su forma original durante cada evento catalítico total, o la holoenzima no seguirá siendo catalíticamente activa. Los coCada especie viviente usa coenzimas en una cantidad variada de reacciones importantes catalizadas por enzimas. 

La mayor parte de esas especies son capaces de sintetizar sus coenzimas a partir de precursores simples. sustratos y los grupos prostéticos son parte del sitio activo de las enzimas. Suministran grupos reactivos que no están disponibles en las cadenas laterales de los residuos de aminoácido.

- Principales Coenzimas

• FAD (flavín-adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones.
• FNM (flavín mononucleótido): transferencia de electrones y protones.
• ^NAD+(nicotín-adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones.
• ^NADP+ (nicotín-adenín dinucleótido fosfato):
• Coenzima A: transferencia de grupos acetilo (por ejemplo, en la descarboxilación del ácido pirúvico) y de grupos acilo en general.
• Coenzima Q: transferencia de electrones en la cadena respiratoria.
• Coenzima B₁₂: transferencia de grupos metilo o hidrógenos entre moléculas.
• TPP (pirofosfato de tiamina): transferencia de grupos aldehído; forma parte, entre otros, del complejo piruvato deshidrogenasa.
• Vitamina C.
• PLP (fosfato de piridoxal): transferencia de grupos amino.
• PMP (fosfato de piridoxamina): transferencia de grupos amino.
• FH₄ (ácido tetrahidrofólico): transferencia de grupos formilo, metenilo y metileno.
• Biocitina: transferencia de dióxido de carbono.
• Ácido lipoico: transferencia de hidrógenos, grupos acilo y metilamina.

- Explicacion breve de vitaminas

Propiedades de las Enzimas y Mecanismo de Reaccion

Las Enzimas

Las enzimas son catalizadores biológicos selectivos de una eficiencia extraordinaria. Toda célula viva dispone de cientos de enzimas distintas que catalizan las reacciones esenciales para la vida. Estas catalizan las reacciones de las rutas metabólicas centrales, necesarias para mantener la vida. Las reacciones catalizadas por las enzimas son de 10^3 a 10^20 veces más rápidas que las mismas sin catalizar.  Las enzimas son muy específicas para los reactivos o sustratos sobre los que actúan, y varía el grado de especificidad hacia el sustrato. Algunas enzimas actúan sobre un grupos po de sustratos relacionados y otras sólo sobre un simple compuesto. Muchas enzimas poseen especificidad, ya que sólo actúan sobre un estereoisómero del sustrato. Quizá el aspecto más importante de la especificidad de una enzima es la especificidad de reacción, esto es, la falta de formación de subproductos como desperdicios. La especificidad de reacción se refleja en la pureza excepcional del producto (100% en esencia) mucho mayor que la pureza de productos de reacciones típicas catalizadas en química orgánica. La especificidad de las enzimas no sólo ahorra energía a las células sino que también evita la formación de productos metabólicos potencialmente tóxicos. 

Las propiedades principales de las enzimas son:

1.  Pueden desempeñarse como catalizadores.
2.  Catalizan reacciones muy específicas.
3. Pueden acoplar reacciones.
4. Su actividad  puede ser regulada.

Un comité de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB, de International Union of Biochemistry and Molecular Biology) mantiene un esquema de clasificación que asigna categorías a las enzimas de acuerdo con la clase general de reacción química orgánica que es catalizada. Las seis categorías son:

1. Las oxidorreductasas catalizan las reacciones de oxidación-reducción. La mayor parte de esas enzimas se llaman, en general, deshidrogenasas.

2. Las transferasas catalizan las reacciones de transferencia de un grupo y pueden necesitar la presencia de coenzimas. En las reacciones de transferencia de grupo, una parte de la molécula del sustrato se suele enlazar en forma covalente con la enzima o con su coenzima.

3.   Las hidrolasas catalizan hidrólisis. Son una clase especial de transferasas donde el agua sirve como aceptor del grupo transferido.

4.  Las liasas catalizan la lisis de un sustrato, al generar un enlace doble; son reacciones de eliminación, no hidrolíticas y no oxidantes. En dirección inversa, las liasas catalizan la adición de un sustrato a un doble enlace de un segundo sustrato. Una liasa que cataliza una reacción de adición en las células es frecuentemente llamada sintasa.

5.  Las Isomerasas catalizan cambios estructurales dentro de una misma molécula (reacciones de isomerización). Como estas reacciones sólo tienen un sustrato y un producto son de las reacciones enzimáticas más simples.

6.  Las ligasas catalizan la ligadura o unión de dos sustratos. Estas reacciones necesitan un suministro de energía potencial química de un nucleósido trifosfato, como el ATP. Las ligasas son usualmente llamadas sintetasas. 

Se han demostrado propiedades que determinan a la actividad enzimatica de la siguiente manera: 

A. La cinética química examina la relación entre la cantidad de producto (P) que se forma en una unidad de tiempo ( [P]/ t) y las condiciones experimentales bajo las que se efectúa la reacción. La base de la mayor parte de las mediciones cinéticas es la observación de la rapidez, o velocidad (v), de una reacción, la cual varía en forma directa con la concentración de cada reactante. Esta observación se expresa en una ecuación de velocidad. 

La ecuación de velocidad refleja que la velocidad de una reacción depende de la concentración del sustrato ([S]). El símbolo k es la constante de velocidad e indica la velocidad o la eficiencia de una reacción. Cada reacción tiene una constante de velocidad diferente. Las unidades de la constante de velocidad para una reacción simple son s 1. Al avanzar una reacción, la cantidad de producto ([P]) aumenta y la cantidad de sustrato ([S]) disminuye. . La velocidad es la pendiente de la curva durante determinado intervalo de tiempo. La forma de las curvas indica que la velocidad decrece respecto al tiempo, lo cual era de esperarse. 

B. La cinética enzimática fue el descubrimiento de que las enzimas se unen en forma transitoria a los sustratos, resultado de la investigación de la cinética enzimática. Emil Fischer, en 1894, propuso que una enzima presenta una plantilla rígida, o cerradura, y que el sustrato es la llave que le corresponde. Sólo los sustratos específicos se pueden ajustar a determinada enzima. Los primeros estudios de cinética enzimática confirmaron que una enzima (E) se une a un sustrato para formar un complejo enzima-sustrato (ES). Los complejos ES se forman cuando los ligandos se unen de manera no covalente a sus lugares adecuados en el sitio activo. El sustrato reacciona en forma transitoria con la proteína catalizadora (y con otros sustratos, en una reacción  multisustratos) para formar el producto de la reacción. 

Esta reacción se efectúa en dos pasos distintos: la formación del complejo enzimasustrato y la reacción química actual, acompañada por la disociación del producto. Cada paso transcurre con una velocidad característica. La velocidad total de una reacción enzimática depende de las concentraciones tanto del sustrato como del catalizador (la enzima). Cuando la cantidad de enzima es mucho menor que la cantidad de sustrato, la reacción depende de la cantidad de enzima. 

- Ecuación de Michaelis-Menten

Michaelis y Menten propusieron un modelo simple para explicar la mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas. En este modelo la enzima se combina reversiblemente con su substrato para formar el complejo enzima-sustrato (ES) que subsecuentemente se rompe para formar el producto, hecho que regenera a la enzima. El modelo  para una molécula de sustrato se muestra a continuación:

                                                        


en donde:       S es el substrato

                       E es la enzima

 ES es el complejo enzima substrato o complejo de Michaelis y Menten

 k₁,k_-1 y k₂  son las constantes de velocidad de la reacción.

- Inhibición reversibles de las enzimas

Un inhibidor de enzima (I) es un compuesto que se enlaza con una enzima e interfiere con su actividad. Los inhibidores pueden actuar evitando la formación del complejo ES o bloqueando la reacción química que lleva a la formación del producto. Por regla general, los inhibidores son moléculas pequeñas que se unen en forma reversible con la enzima que inhiben. La mayor parte de la inhibición de relevancia biológica es reversible. Los inhibidores reversibles se unen a las enzimas con las mismas fuerzas no covalentes que enlazan a sustratos y productos.  El equilibrio entre la enzima libre (E) más el inhibidor (I) y el complejo EI se caracteriza por una constante de disociación.

Los tipos básicos de inhibición reversible son competitiva, acompetitiva y no competitiva. Se pueden diferenciar de manera experimental por sus efectos sobre el comportamiento cinético de las enzimas.

A. Inhibición competitiva

Los inhibidores competitivos son los que se encuentran con más frecuencia en bioquímica. En la inhibición competitiva, el inhibidor sólo se puede unir a moléculas de enzima libre que no estén unidas a sustrato alguno. La formación de un complejo EI quita a la enzima de su ruta normal. Cuando un inhibidor competitivo se une con una molécula de enzima, una molécula de sustrato no puede unirse a esa molécula de enzima. Al revés, la unión de sustrato y una molécula de enzima evita el enlazamiento de un inhibidor. Cuando están presentes tanto I como S en una solución, la proporción de la enzima que puede formar complejos IS depende de las concentraciones de sustrato e inhibidor y de sus afinidades relativas hacia la enzima. La cantidad de EI se puede reducir aumentando la concentración de S. A concentraciones suficientemente altas, la enzima puede estar saturada con sustrato. 

E + I Δ EI Kd = Ki = [E][I]

B. Los inhibidores acompetitivos sólo se unen al ES y no a la enzima libre. En la inhibición acompetitiva disminuye la Vmáx (aumenta 1/Vmáx) por conversión de algunas moléculas de E en la forma inactiva ESI. Ya que es el complejo ES el que se enlaza con I y la disminución de Vmáx no se revierte por la adición de más sustrato. También, los inhibidores acompetitivos hacen descender la Km (vista como un aumento del valor absoluto de 1/Km en una gráfica de doble recíproco) ya que los equilibrios de formación de ES y de ESI son desplazados hacia los complejos, por la unión de I.

C. Los inhibidores no competitivos se pueden unir a la E o al ES y formar complejos inactivos EI o ESI, respectivamente. Esos inhibidores no son análogos del sustrato y no se enlazan en el mismo sitio que el S. El caso clásico de inhibición no competitiva se caracteriza por una disminución aparente de Vmáx (1/Vmáx parece aumentar) sin cambiar de la Km.

- Enzimas Alostericas

Las enzimas alostericas son enzimas cuyas propiedades son afectadas por cambios en la estructura. Los cambios estructurales son ocasionados por interacción con moléculas pequeñas. Con frecuencia, las enzimas alostéricas no presentan cinética clásica de Michaelis-Menten debido a su unión cooperativa del sustrato, como el caso de la hemoglobina, que no es enzima.

Los moduladores alostéricos se unen a las enzimas en un sitio distinto al sitio activo y alteran la actividad enzimática. Hay dos modelos, el modelo concertado y el modelo secuencial, que describen la cooperatividad de las enzimas alostéricas. La modificación covalente, por lo general fosforilación, de ciertas enzimas reguladoras también puede regular la actividad enzimática.

- Mecanismos Enzimáticos

Los mecanismos enzimáticos se representan con el mismo simbolismo que el usado en química orgánica para representar la ruptura y la formación de enlaces químicos. Estas pueden ser las siguientes:

A. Sustituciones Nucleofilicas: Un nucleófilo tiene una carga negativa o un par de electrones no compartido. Suele imaginarse que el nucleófilo ataca al electrófilo, y al mecanismo se le llama ataque nucleofílico, o sustitución nucleofílica. En la química mecanicista, el movimiento de un par de electrones se representa con una flecha curva que apunta desde los electrones disponibles en el nucleófilo hacia el centro electrofílico.

B. Reacciones de Ruptura:  En estas rescciones los enlaces covalentes se pueden romper de dos maneras: dos electrones permanecen con un átomo, o un electrón puede permanecer con cada átomo enlazado. En la mayor parte de las reacciones, ambos electrones están en un átomo, por lo que se forman un intermedio iónico y un grupo saliente. Por ejemplo, la ruptura de un enlace C—H casi siempre produce dos iones. Si el átomo de carbono retiene ambos electrones, el compuesto que lo contiene se transforma en un carbanión.

C. Reacciones de Oxido-Reducción: Las reacciones de oxido-reducción son fundamentales en el suministro de energía biológica. En una reacción de oxido-reducción (o reacción redox), los electrones de una especie se transfieren a otra. La oxidación es la pérdida de electrones: una sustancia que es oxidada tendrá menos electrones cuando se termine la reacción. La reducción es la ganancia de electrones: una sustancia que gana electrones en una reacción es reducida. Las reacciones de oxidación y reducción siempre suceden en forma simultánea. Un sustrato es oxidado y el otro es reducido. Un agente oxidante es una sustancia que produce una oxidación: toma electrones del sustrato que es oxidado. Así, los agentes oxidantes ganan electrones (es decir, se reducen). Un agente reductor es una sustancia que dona o cede electrones (y en el proceso se oxida).

- Modos químicos de la catálisis enzimática


La formación de un complejo ES coloca a los reactivos en la cercanía de residuos de aminoácidos del sitio activo de la enzima. Las cadenas laterales ionizables participan en dos clases de catálisis química: catálisis ácido-base y catálisis covalente. Son los dos modos químicos principales de catálisis.

A. Residuos de aminoácidos en sitios activos: La cavidad del sitio activo en una enzima en general está cubierta con residuos hidrofóbicos de aminoácidos. Sin embargo, también en el sitio activo hay unos pocos residuos polares, ionizables (con algunas moléculas de agua). Los residuos polares de aminoácidos (o a veces coenzimas) tienen cambios químicos durante la catálisis enzimática. Esos residuos forman gran parte del centro catalítico de la enzima.

B. Catálisis Acido-Base: En la catálisis ácido-base, la aceleración de una reacción se debe a la transferencia catalítica de un protón. Esta catálisis ácido-base es la forma más común de catálisis en química orgánica, y también es común en las reacciones enzimáticas. Las enzimas que la hacen se basan en cadenas laterales de aminoácido que pueden donar y aceptar protones en las condiciones de pH neutro de las células. Este tipo de catálisis ácido-base, donde intervienen agentes de transferencia de protones, se llama catálisis ácido-base general. (La catálisis por H u OH se llama catálisis ácida específica, o catálisis básica específica). De hecho, los sitios activos de estas enzimas son el equivalente biológico de una solución de ácido o base.

C. Catalisis covalente: En la catálisis covalente se une un sustrato en forma covalente a la enzima y se forma un compuesto intermedio reactivo. La cadena lateral que reacciona de la enzima puede ser un nucleófilo o un electrófilo. La catálisis nucleofílica es más común. En el segundo paso de la reacción se transfiere una porción del sustrato del compuesto intermedio a un segundo sustrato.

D.  Influencia del pH sobre las velocidades de reacción enzimática: El efecto del pH sobre la velocidad de reacción de una enzima puede indicar cuáles residuos ionizables de aminoácido están en su sitio activo. La sensibilidad al pH suele reflejar una alteración en el estado de ionización de uno o más residuos que participan en la catálisis, aunque a veces se afecta la unión con el sustrato. Con mayor frecuencia, una gráfica de velocidad de reacción contra pH es una curva con forma de campana, siempre que la enzima no se desnaturalice cuando se altere el pH.

• Medicamentos farmaceuticos de gran importancia en este tema

-  Acetazolamida

La acetazolamida es un inhibidor de la enzima anhidrasa carbónica y se usa en Medicina como un diurético y en el tratamiento del glaucoma, epilepsia, hipertensión intracraneal benigna, mal de montaña, cistinuria y ectasia ductal. La acetazolamida está disponible en forma genérica.


-  Digernoflat

Es un medicamento digestivo enzimático, colerético y antiflatulento que su principal mecanismo es el alivio sintomático de las alteraciones digestivas, como pesadez abdominal o diarreas grasosas asociadas a insuficiencia pancreática exócrina crónica y síntomas provocados por exceso de gas en el tubo digestivo. Preparación del paciente para exámenes por imágenes abdominopelvianas (radiológicos y/o ecográficos).

- Polienzim 100

Es un Preparado digestivo enzimático, antiflatulento, proquinético.

-  Tratamientos terapéuticos con enzimas

Esta forma de terapia, se basa en la administración de una enzima específica a un paciente, para producir una mejoría progresiva en el mismo; el principal problema relacionado con este método, es la respuesta inmunológica del organismo la cual inactiva al compuesto incorporado. Además, si el destino de una enzima o de un producto obtenido por métodos enzimáticos es su administración a un paciente, resulta evidente que el preparado debe contener las menores cantidades posibles de material extraño para evitar efectos secundarios.

Productos Médicos y Farmacéuticos

La mayoría de los procesos biotecnológicos tradicionales como la obtención de yogur, la producción de cerveza o la fermentación de la uva para fabricar vino, son realizados por las enzimas que cada microorganismo produce para su particular metabolismo. Sin embargo también es posible realizar los procesos biotecnológicos con las enzimas, en ausencia de los microorganismos.

Las enzimas presentan muchísimas aplicaciones y su utilización en el ámbito industrial se lleva a cabo desde hace muchos años.

En el siguiente esquema se mencionan algunas aplicaciones industriales de las enzimas:

USOS DE LAS ENZIMAS

A diferencia de otros usos industriales para las enzimas, las aplicaciones médicas y farmacéuticas de las mismas requieren generalmente pequeñas cantidades de enzimas muy purificadas. Esto se debe a que si el destino de una enzima o de un producto obtenido por métodos enzimáticos es su administración a un paciente, resulta evidente que el preparado debe contener las menores cantidades posibles de material extraño para evitar probables efectos secundarios.

Uno de los productos obtenidos mediante el uso de enzimas son los aminoácidos.

Si bien se pueden sintetizar empleando un proceso químico, el resultado es una mezcla de dos tipos distintos (D y L isómeros).

Puesto que solamente el L-isómero es biológicamente activo, la mezcla debe ser separada en sus dos componentes. (Utilizadas para el Control de neoplasmas.)

Además de aminoácidos, las enzimas son utilizadas para la producción de antibióticos semi-sintéticos. Las penicilinas semisintéticas son los principales productos farmacéuticos obtenidos por tecnología enzimática.

También se utilizan enzimas en la producción de esteroides. Los esteroides se utilizan en un gran número de preparados farmacéuticos (por ejemplo en los antinflamatorios), por lo que los procesos empleados en la producción de estas sustancias presentan una considerable importancia económica.

Las enzimas se aplican en 3 áreas importantes de interés: terapia enzimática, usos analíticos y producto de compuestos farmacéuticos.

A diferencia de otros usos en la industria para las enzimas, tanto en lo farmacéutico también necesitan pequeñas cantidades de enzimas pero estas necesitan estar bien purifica.

En parte, esto refleja el hecho de que para que una enzima sea efectiva, solo debe modificarse el o los compuestos de interés contenidos en un fluido o tejido fisiológico complejo.