El mecanismo de una reacción es una descripción
detallada de los eventos moleculares, atómicos e incluso subatómicos que
suceden durante la reacción.
Deben identificarse los reactivos, los
productos y todos los compuestos intermedios. 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.
Sustituciones
nucleofílicas:
Se necesitan de especies intermediarios
iónicos: unas especies son ricas en electrones o nucleofílicas, y otras
especies son pobres en electrones, o electrofílicas. 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. Estos diagramas de “empuje de electrones”
representan la ruptura de un enlace covalente existente, o la formación de un
nuevo enlace covalente. En general, el mecanismo de una reacción implica un
compuesto intermedio.
Otro tipo de sustitución nucleofílica consiste
en el desplazamiento directo. En este mecanismo, el grupo o molécula atacante
se adiciona a la cara del átomo central, opuesto al grupo saliente, y forma un
estado de transición que tiene cinco grupos asociados al átomo central. Este
estado de transición es inestable y de gran energía. Tiene una estructura entre
la del reactivo y la del producto.
Reacción de
ruptura:
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 gran mayoría de las
reacciones, ambos electrones están en un átomo, por lo que se forman un
intermedio iónico y un grupo saliente.
Reacciones
de óxido-reducción:
En esta reacción los electrones de una especie
se transfieren a otra. Debemos tener presente el significado estos conceptos:
Dato: La deshidrogenación es la forma más
común de oxidación biológica. Recuerde que las oxidorreductasas representan una
clase extensa de enzimas, y las deshidrogenasas son una de las subclases
principales de las oxidorreductasas.
Modos químicos de la catálisis enzimática:
Modos de enlazamiento en la catálisis
enzimática:
El efecto de
proximidad: Es el aumento de la
velocidad de reacción debido a la formación de un complejo ES no
covalente, que reúne y orienta a los reactivos causando una disminución de
la entropía.
Enlazamiento
débil de sustratos con enzimas: El enlazamiento de sustratos con enzimas
no puede ser muy fuerte; esto es, los valores de Km no pueden ser
extremadamente bajos.En cambio, un enlazamiento muy fuerte del sustrato significaría poca o
nada de catálisis. A la estabilidad excesiva de ES se le llama trampa
termodinámica. La función de las enzimas es unirse y ubicar a los sustratos
antes de llegar al estado de transición, pero no con tanta fuerza que el
complejo ES sea muy estable. Los valores de Km (que representan constantes de
disociación) de las enzimas con sus sustratos indican que las enzimas evitan la
trampa termodinámica. La mayor parte de los valores de Km son del orden de 10-4
M, número que indica un enlazamiento débil del sustrato.
Ajuste inducido:Activación de una enzima por cambio de conformación
iniciado por el sustrato. Este ajuste no es un modo catalítico, sino principalmente un efecto de
especificidad del sustrato.
Estabilización del
estado de transición:
Algunos enzomólogos han estimado que la estabilización del estado de
transición explica casi todos los aumentos de velocidad de reacción causados
por las enzimas.
Propiedades de las serinas proteasas:
Las serina proteasas son una clase de enzimas que separan el enlace
peptídico de las proteínas. Como lo señala su nombre, se caracterizan por la
presencia de un residuo de serina catalítico en sus sitios activos. Las serina
proteasas mejor estudiadas son las enzimas relacionadas tripsina, quimotripsina
y elastasa.
Estas enzimas proporcionan una excelente oportunidad para explorar
la relación entre la estructura de la proteína y la función catalítica.
1.Los zimógenos son los precursores inactivos de las enzimas:
Ejemplos de algunos zimógenos pancreáticos:
2.Especificidad de las serina proteasa hacia el sustrato:
La quimotripsina, la tripsina y la elastasa son enzimas similares que
comparten un ancestro común; en otras palabras, son homólogas. Las posiciones
de las cadenas laterales de los residuos de serina, histidina y aspartato en
los sitios activos son casi idénticas en las tres enzimas.
Sitios de enlace de
quimotripsina, tripsina y elastasa
3. Catálisis química y por modos de enlazamiento de las serina proteasas:
A continuación, se presentará el mecanismo de
la quimotripsina y las funciones de los tres residuos catalíticos: His-57,
Asp-102 y Ser-195.
Una coenzima es una molécula inorgánica u orgánica pequeña necesaria para
la actividad de una enzima también es un cofactor.
Las coenzimas funcionan como
reactivos de transferencia de grupos.
Características:
·Son específicas para los grupos químicos que aceptan y donan.
·Para algunas coenzimas, el grupo es hidrógeno o un electrón; otras
coenzimas transportan grupos químicos mayores, unidos en forma covalente.
·Estos grupos metabólicos móviles están unidos en el centro reactivo de
la coenzima.
Los tipos de cofactores se pueden distinguir además de su naturaleza por
la fuerza de interacción con su apoenzima.
·Muchas enzimas requieren cationes inorgánicos
Una de ellas son 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. Los iones metálicos que se unen fuertemente a las
enzimas con frecuencia tienen funciones predominantes en la catálisis. Los
iones de algunas metaloenzimas pueden funcionar como catalizadores
electrofílicos. Al atraer electrones, los iones metálicos pueden polarizar los
enlaces. Muchas otras metaloenzimas de zinc activan a las moléculas enlazadas
de agua de esta manera. Los iones de otras metaloenzimas pueden tener
reacciones reversibles de oxidación y reducción, al transferir electrones de un
sustrato reducido a un sustrato oxidado.
·Clasificación de las coenzimas:
Se pueden clasificar las enzimas en dos tipos,
según la forma en que interactúan con la apoenzima. Las coenzimas de un tipo se
llaman cosustratos, con frecuencia 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. 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 cosustratos y los grupos prostéticos son parte del sitio activo de
las enzimas.
Estos compuestos esenciales se llaman vitaminas.
Los mamíferos y otros animales se basan en que otros organismos les suministren
esos micronutrientes.
Las fuentes originales de vitaminas suelen ser
plantas y microorganismos, aunque los animales carnívoros pueden obtener
vitaminas de la carne. La mayor parte de las vitaminas deben transferirse, en
forma enzimática, a sus coenzimas correspondientes. Puede sobrevenir una
enfermedad por deficiencia nutricional cuando una vitamina es deficiente o está
ausente en la dieta de un animal. Las enfermedades por deficiencia nutricional
pueden remediarse o evitarse consumiendo la vitamina adecuada. La recuperación
de esas enfermedades se ha usado para probar la potencia de extractos durante
el aislamiento de las vitaminas. (Otra prueba consiste en medir el crecimiento
de microorganismos con mutaciones en sus rutas de biosíntesis). La tabla 7.1 es
una lista de nueve vitaminas, y las enfermedades asociadas con sus
deficiencias. Cada una de esas vitaminas y sus funciones en el metabolismo se
describirán a continuación. La mayor parte de ellas se convierten en coenzimas,
a veces después de una reacción con ATP. La parte de la molécula de ATP que es
transferida a la vitamina es un grupo que enlaza a la coenzima con los sitios
activos de las enzimas. La palabra vitamina fue acuñada por Casimir Funk en
1912 para describir una "amina vital" de los hollejos del arroz, que
curaba el beriberi, una enfermedad por deficiencia nutricional que causa
degeneración neural. El beriberi fue descrito primero en los pájaros, y después
en humanos cuyas dietas consistían principalmente en arroz limpio (pulido). La
sustancia anti-beriberi (tiamina) se conoció como vitamina.
Clasificación como vitaminas:
Dos amplias clases de vitaminas: las hidrosolubles
(como las vitaminas B) y las liposolubles (llamadas también vitaminas lípidas).
Aunque se demostró que muchas vitaminas son todo menos que aminas, se ha
conservado el término vitamina. Las vitaminas hidrosolubles (solubles en agua)
se requieren diariamente en pequeñas cantidades, porque son excretadas con
facilidad en la orina y los almacenamientos celulares de sus coenzimas son
inestables. Al revés, las vitaminas lípidas (solubles en grasas y aceites) como
las vitaminas A, D, E y K, son almacenadas por los animales, y su ingestión
exagerada puede causar estados de toxicidad llamados hipervitaminosis.
Un breve vídeo sobre la importancia de las vitaminas:
Los carbohidratos (también llamados “hidratos de carbono”) son uno de los tres tipos de macronutrientes presentes en nuestra alimentación (los otros dos son las grasas y las proteínas). Existen en multitud de formas y se encuentran principalmente en los alimentos tipo almidón, como el pan, la pasta alimenticia y el arroz, así como en algunas bebidas, como los zumos de frutas y las bebidas endulzadas con azúcares. Los carbohidratos constituyen la fuente energética más importante del organismo y resultan imprescindibles para una alimentación variada y equilibrada.
El progreso en las investigaciones científicas ha puesto en relieve las diversas funciones que tienen los carbohidratos en el cuerpo y su importancia para gozar de una buena salud. En la siguiente explicación se examinan más a fondo dichas investigaciones, para que el lector conozca mejor este macronutriente, siendo además necesario señalar que gran parte de nuestros conocimientos en torno a los carbohidratos datan ya de hace bastante tiempo.
¿Que son los carbohidratos?
Todos los carbohidratos están formados por unidades estructurales de azúcares, que se pueden clasificar según el número de unidades de azúcar que se combinen en una molécula. La glucosa, la fructosa y la galactosa son ejemplos destacados de los azúcares constituidos por una sola unidad (de azúcar); dicho tipo de azúcares se conocen también como “monosacáridos”. A los azúcares constituidos por dos unidades se le denomina “disacáridos”; los disacáridos más ampliamente conocidos son la sacarosa (“azúcar de mesa”) y la lactosa (el azúcar de la leche). La tabla siguiente muestra los principales tipos de carbohidratos alimenticios.
Azúcares
La glucosa y la fructosa son monosacáridos y se pueden encontrar en las frutas, las bayas, las verduras, la miel y los siropes de glucosa-fructosa. El azúcar común o de mesa, es decir, la sacarosa, es un disacárido compuesto por glucosa y fructosa y está presente en la naturaleza en alimentos tales como la remolacha azucarera, la caña de azúcar y las frutas. La lactosa, que es un disacárido compuesto de glucosa y galactosa, es el principal azúcar de la leche y de los productos lácteos; por su parte, la maltosa, que es un disacárido compuesto sólo de glucosa (dos moléculas de glucosa), está presente en la malta y en los siropes (extractos líquidos) derivados del almidón. Tanto el azúcar de mesa (sacarosa) y los siropes de glucosa-fructosa contienen glucosa y fructosa, bien en estado libre (siropes de glucosa-fructosa) o en forma de disacárido (sacarosa).
Los polioles se denominan alcoholes de azúcar. Hay polioles naturales, pero la mayoría se fabrican mediante la transformación de azúcares. El poliol utilizado con mayor frecuencia es el sorbitol; por su parte, el xilitol se usa frecuentemente en las gomas de mascar y en los caramelos. El isomaltol es otro poliol, que se usa en repostería/confitería y se obtiene a partir de la sacarosa. Los polioles son dulces y se pueden utilizar en los alimentos (añadiéndolos a los mismos) de forma similar a lo que se hace con los azúcares, aunque dichos polioles pueden tener un efecto laxante si se ingieren en cantidades excesivas.
Oligosacáridos
La Organización Mundial de la Salud (OMS) define a los oligosacáridos como carbohidratos formados por 3-9 unidades de azúcares (monosacáridos), aunque en otras definiciones se habla de cadenas de azúcares ligeramente más largas. Los fructooligosacáridos contienen un total de hasta 9 unidades de fructosa y se producen con fines comerciales mediante la hidrólisis (descomposición enzimática) parcial de la inulina. La rafinosa y la estaquiosa están presentes, si bien en cantidades pequeñas, en determinadas legumbres, cereales y verduras, así como en la miel.
Polisacáridos
Se necesitan más de 10 unidades de azúcar y a veces hasta miles de unidades para formar los polisacáridos. El almidón es la principal reserva de energía de las hortalizas de raíz y los cereales. Está formado por largas cadenas de glucosa en forma de gránulos, cuyo tamaño y forma varían según el vegetal del que forma parte. El equivalente de los almidones en los animales y en los seres humanos es el llamado “glucógeno” (ver sección 3.1).
Los polisacáridos sin almidón son los principales componentes de la fibra alimenticia. Comprenden: celulosa, hemicelulosa, inulina, pectinas y gomas. La celulosa es el componente principal de las paredes celulares vegetales y está formada por miles de unidades de glucosa. Los distintos componentes de la fibra alimenticia tienen diferentes propiedades y estructuras físicas. Una característica distintiva de la fibra alimenticia es que no puede ser digerida por los seres humanos. Sin embargo, algunos tipos de fibra pueden ser metabolizados por las bacterias intestinales, dando lugar a compuestos que las células intestinales humanas sí que pueden utilizar para la producción de energía. En cualquier caso, por no poder ser digerida por los seres humanos, la fibra tiene un menor contenido energético medio que la mayoría de los demás carbohidratos (ver sección 3.1).
Los carbohidratos en el cuerpo
La función principal de los carbohidratos es proporcionar energía, aunque también desempeñan una función importante para la estructura y el funcionamiento de las células, tejidos y órganos; además, sirven para formar las estructuras carbohidratadas de la superficie de las células. Hay diversas clases de moléculas carbohidratadas en el cuerpo: proteoglicanos, glucoproteínas (también llamadas “glicoproteínas”), y glucolípidos (también llamados “glicolípidos”).
Fuente y almacenamiento de energía
Los almidones y los azúcares son las principales fuentes de energía y aportan 4 kilocalorías (17 kilojulios) por gramo. Los polioles proporcionan 2,4 kilocalorías (10 kilojulios), y la fibra alimenticia, 2 kilocalorías (8 kilojulios) por gramo, respectivamente. Nota importante: el poliol eritritol no es metabolizado en absoluto por el cuerpo y, por eso, proporciona cero calorías.
En el intestino delgado, los monosacáridos son absorbidos y de allí pasan al torrente sanguíneo, desde donde son transportados hasta los lugares en los que son utilizados. Los disacáridos son descompuestos en azúcares simples por las enzimas digestivas. El cuerpo también necesita la ayuda de las enzimas digestivas para romper las largas cadenas de almidones y descomponerlas en los azúcares por los que están formadas, que pasan posteriormente a la sangre.
El cuerpo humano utiliza los carbohidratos en forma de glucosa. La glucosa también se puede transformar en glucógeno, un polisacárido similar al almidón, que es almacenado en el hígado y en los músculos como fuente de energía de la que el cuerpo puede disponer fácilmente. El cerebro y los eritrocitos (“glóbulos rojos”) necesitan la glucosa, ya que no pueden emplear otra cosa como fuente de energía: ni grasas, ni proteínas, ni ninguna otra forma de energía. Por este motivo se debe mantener constantemente el nivel de glucosa en sangre en un nivel óptimo. Para cubrir las necesidades energéticas del cerebro se necesitan aproximadamente 130 gr de glucosa al día. La glucosa puede proceder directamente de los carbohidratos ingeridos con la dieta, de los depósitos de glucógeno o de la conversión de determinados aminoácidos derivados de la degradación de las proteínas. Varias hormonas, entre ellas la insulina, trabajan rápidamente para regular el flujo de glucosa que entra y sale de la sangre y mantenerla a un nivel estable.
La respuesta y el índice glucémicos
Cuando se toma un alimento con carbohidratos se da un correspondiente aumento y un posterior descenso del nivel de glucosa en sangre, lo cual se conoce como respuesta glucémica. Dicho índice es un reflejo de la velocidad de la digestión y absorción de la glucosa, así como de los efectos de la acción de la insulina, que normaliza el nivel de glucosa en sangre (dicho nivel se denomina “glucemia”). Hay varios factores que influyen en la intensidad y la duración de la respuesta glucémica:
El alimento en particular:
El tipo de azúcares por el que esté formado el carbohidrato; por ejemplo, la fructosa, la sacarosa y los polioles inducen una respuesta glucémica inferior a la inducida por la glucosa y la maltosa
La naturaleza y la forma del almidón, ya que algunos son más fáciles de digerir que otros
Los métodos utilizados para procesar y cocinar el alimento
Otros nutrientes presentes en el alimento (o comida), como la grasa (es el más importante en este contexto), la proteína y la fibra
La persona:
El grado de masticación (descomposición mecánica de los alimentos)
La velocidad de vaciado del estómago y el tiempo de tránsito por el intestino delgado (dicho tiempo se ve influenciado, en parte, por el tipo de alimento)
Su metabolismo
La hora del día en la que ha ingerido el carbohidratos
La influencia que los diversos alimentos que contienen carbohidratos ejercen sobre la respuesta glucémica del organismo se calcula tomando como referencia un alimento, por ejemplo, el pan blanco o la glucosa; se mide su efecto en el plazo de las dos horas posteriores a su ingesta, y a dicha medición se la denomina “índice glucémico” (IG). Por ejemplo, un IG igual a 70 significa que el alimento o la bebida que contiene carbohidratos induce un nivel de glucosa en sangre (respuesta glucémica) que es un 70% de la que se observa cuando se ingiere la misma cantidad de carbohidratos, pero en forma de glucosa pura o de pan blanco.
Los alimentos con IG alto inducen una respuesta glucémica superior a la de los alimentos con IG bajo. Los alimentos con IG bajo se digieren y absorben más lentamente que los alimentos con IG alto. De las pruebas existentes parece desprenderse que una alimentación basada en alimentos con IG bajo puede reducir el riesgo de aparición de trastornos metabólicos (por ejemplo, obesidad y diabetes mellitus de tipo 2) en la persona o personas que siguen dicha alimentación.
En el siguiente vídeo resume de forma breve a los carbohidratos:
