GUÍA DE ESTUDIO Nº1
“Proteínas y Enzimas”
BC41G
INTRODUCCIÓN
Las proteínas son macromoléculas orgánicas compuestas básicamente por C, H, O y N, pudiendo también contener S, y en menor proporción, P, Fe, Cu, Mg, I, etc. Todas las proteínas son polímeros de aminoácidos. Las holoproteínas están formadas exclusivamente por aminoácidos. Las heteroproteínas están formadas por aminoácidos y por otras moléculas.
AMINOÁCIDOS
Los Aminoácidos (Aa) son compuestos orgánicos formados por un átomo de C al que se le unen cuatro grupos químicos diferentes. De estos, dos corresponden al grupo funcional denominado Carboxílico (-COOH) y al grupo funcional denominado Amino (-NH2), el tercero es un átomo de H y por último el cuarto que se denomina R o radical. El grupo R representa a más de 20 tipos de sustituyentes que dan lugar a los 20 aminoácidos que forman parte de la gran mayoría de las proteínas estudiadas. Estos compuestos pueden ser a, b, g o d-aminoácidos, según que el grupo Amino se una al carbono 1, 2, 3 ó 4, contando a partir del grupo Carboxílico.
CLASIFICACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS
En la naturaleza hay muchos Aa, pero sólo 20 se encuentran en los seres vivos, de los cuales hay 10 que NO pueden ser producidos por el hombre y se conocen como Aminoácidos Esenciales. Estos son indispensables y se incorporan en la dieta principalmente a partir de vegetales. Los 10 restantes se conocen como No Esenciales.
Aminoácidos Esenciales: Arginina, Histidina, Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina, Fenilalanina, Treonina, Triptófano y Valina.
Aminoácidos No Esenciales: Alanina, Asparagina, Ácido Aspártico, Cisteína, Ácido Glutámico, Glutamina, Glicina, Prolina, Serina y Tirosina.
Según el radical R que se enlace al carbono a, los aminoácidos pueden clasificarse en alifáticos, aromáticos y heterocíclicos. (Fig.1)
A. Aminoácidos Alifáticos. El radical R es una cadena abierta, formada por grupos -CH2-, -CH3, -COOH y -NH2.
1. Neutros. Aa con igual número de grupos amino y grupos carboxílico.
2. Ácidos. Aa con mayor número de grupos carboxílico que de grupos amino.
3. Básicos. Aa con mayor número de grupos amino que de grupos carboxílico.
B. Aminoácidos Aromáticos. El radical R es una cadena cerrada, generalmente relacionada con el benceno.
C. Aminoácidos Heterocíclicos. El radical R es una cadena cerrada, generalmente compleja y con algunos átomos distintos de C e H.
FORMACIÓN DE PÉPTIDOS
Los péptidos están formados por la unión de Aa mediante Enlace Peptídico. La unión de dos Aa origina un dipéptido; de tres, un tripéptido; de cuatro, un tetrapéptido, y así sucesivamente. Si la cadena formada contiene menos de diez Aa, se habla de un oligopéptido; si contiene más de diez Aa, se le denomina polipéptido. Una proteína corresponde a una cadena polipeptídica de más de cien Aa.
El Enlace Peptídico es un enlace covalente que se establece entre un grupo amino de un Aa y un grupo Carboxílico de otro, liberando una molécula de agua (Fig. 2). La disposición en el espacio de un enlace peptídico es tal que los átomos del grupo Carboxílico y del grupo Amino se sitúan en un mismo plano con distancias y ángulos fijos. El N y el C que participan en este enlace poseen un leve carácter de enlace doble, dándole cierta rigidez e inmovilización a los átomos que lo forman.
ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS
Las proteínas presentan 4 niveles de organización estructural.
1ª. Corresponde a la secuencia de aminoácidos de la proteína (Fig. 3). Indica qué Aa componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos Aa se encuentran. La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que adopte en el espacio. En toda proteína existe un Aa con el grupo Amino libre y otro con un grupo Carboxílico libre. Corresponden a los denominados extremos N-terminal y C-terminal de una proteína.
2ª. Corresponde a la disposición espacial de la cadena polipeptídica. Existen 3 tipos: la a-hélice, la hélice de colágeno y la lámina b-plegada.
a-hélice: la cadena polipeptídica se enrolla sobre sí misma; en primer lugar, se produce un giro de un plano de un enlace peptídico con respecto al anterior, de la misma manera que se mueve una puerta; el ángulo de giro es de unos 100°; en segundo lugar, se produce una rotación de 180° alrededor de un eje que se sitúa por encima de la parte central del plano. Este movimiento coloca dicho plano en posición invertida y más elevado respecto al anterior. Ambos movimientos son simultáneos. Los átomos de O quedan orientados en la misma dirección, en tanto que los átomos de H quedan todos orientados en al dirección contraria. Esto permite la formación de enlaces Puente de H que mantiene estable la hélice (Fig.4). Ej. a-queratina.
Hélice de Colágeno: corresponde a una hélice más alargada que la a-hélice, ya que posee en abundancia los Aa Prolina e Hidroxiprolina, cuyas estructuras dificultan la formación de la a-hélice, apareciendo una hélice más extendida. Su estabilidad está dada por la asociación de 3 hélices que originan una superhélice, las cuales se unen entre sí por enlaces covalentes y puentes de H (Fig. 5).
Lámina b-plegada: los aminoácidos forman una hélice extendida, a modo de un zigzag, debido a que NO existen puentes de H entre ellos. La estabilidad de esta disposición se mantiene por la asociación de varias cadenas polipeptídicas o varios segmentos de la misma cadena con disposición b. Entre éstas cadenas o segmentos se establecen puentes de H. Los grupos radicales R de los aminoácidos se disponen por encima o por debajo del plano de la lámina. Las proteínas con estructura b poseen gran cantidad de Aa con grupos R pequeños (Fig. 5) Ej. Fibrina de la seda y la b-queratina.
3ª. Corresponde a la disposición espacial que adopta la cadena polipeptídica en forma de a-hélice. Hay dos tipos principales: la conformación filamentosa y la conformación globular.
Conformación Filamentosa. Son proteínas que mantienen su estructura secundaria alargada y ésta sólo se retuerce ligeramente. Son insolubles en agua y soluciones salinas. Ej. b-Queratina, Colágeno, Elastina, Fibrina.
Conformación Globular. La estructura secundaria se pliega, adoptando formas casi esféricas. Son solubles en agua y en soluciones salinas. Generalmente, en los tramos rectos, la cadena polipeptídica posee una estructura secundaria tipo a, y en los codos o cambios de dirección, presenta estructura secundaria b (Fig. 6). Las conformaciones globulares se mantienen estables mediante la presencia de enlaces Puente Disulfuro, y fuerzas débiles como Puentes de H, Fuerzas de Van der Waals, Interacciones Iónicas e Interacciones Hidrofóbicas (Fig. 7). Ej. Histonas, Albúminas, Globulinas.
4ª. Corresponde a la unión de varias cadenas polipeptídicas idénticas o no mediante enlaces no covalentes, formando un complejo proteico. Cada cadena polipeptídica se denomina protómero. Según el número de protómeros, las proteínas que tienen estructura cuaternaria se denominan dímeros, (hexoquinasa), tetrámero (hemoglobina), pentámero (ARNpolimerasa). (Fig. 
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FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS
1. Transporte. Ej. Hemoglobina, Mioglobina, Seroalbúmina, Lipoproteínas, Permeasas.
2. Contráctil. Ej. Actina, Miosina, Tropomiosina, Troponina.
3. Defensiva. Ej. Inmunoglobulinas (G, A, M, D y E)
4. Enzimática. Ej. Ribonucleasas, Pepsina, Lipasas, ATPasa.
5. Reserva. Ej. Ovoalbúmina, Caseína.
6. Estructural. Ej. Glucoproteínas de membrana intrínsecas y extrínsecas, Tubulinas, Histonas.
7. Hormonal. Ej. Insulina, Tiroxina, GH.
8. Buffer Ej. Proteínas Plasmáticas.
9. Osmótica Ej. Proteínas Plasmáticas.
10. Receptora. Ej. ZP3, Receptor Insulínico.
11. Energética Ej. Cuando disminuyen las reservas de glúcidos y lípidos.
CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS
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HOLOPROTEÍNAS
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GLOBULARES
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Protaminas Histonas
Prolaminas Gluteínas
Albúminas Globulinas
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FILAMENTOSAS
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Colágenos Queratinas
Elastinas Fibrinas
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HETEROPROTEÍNAS
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CROMOPROTEÍNAS
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PORFIRÍNICAS
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Hemoglobina Mioglobina
Peroxidasa Catalasa
Citocromos
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NO PORFIRÍNICAS
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Hemocianina Hemeritrina
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GLUCOPROTEÍNAS
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FSH LH
Proteínas de Membrana
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LIPOPROTEÍNAS
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Quilomicrones
HDL LDL
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FOSFOPROTEÍNAS
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Caseína Vitelina
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NUCLEOPROTEÍNAS
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Asociaciones ADN-Histonas
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AMINOÁCIDOS
PARTE II: “Enzimas”
INTRODUCCIÓN
Las células son fábricas químicas en miniatura increíblemente complejas. El metabolismo de una célula es el total de sus reacciones químicas. Muchas de estas reacciones se encadenan en sucesiones llamadas vías metabólicas (Fig.1). La fotosíntesis es una de esas vías. La glucólisis, la serie de reacciones que inician la digestión de la glucosa, es otro ejemplo. Diferentes vías metabólicas podrían utilizar las mismas moléculas; por ello, todas las reacciones y todas las moléculas de una célula están interconectadas en red metabólica de gran complejidad. Las reacciones químicas en las células se rigen por las mismas leyes de la termodinámica que controlan otras reacciones. ¿Cómo surgen entonces las vías metabólicas ordenadas? La bioquímica de las células está bien afinada en tres sentidos:
1. Las células regulan las reacciones químicas utilizando proteínas llamadas enzimas.
2. Las células acoplan reacciones, impulsando reacciones endergónicas que requieren energía con la energía liberada por reacciones exergónicas. (Fig.2)
3. Las células sintetizan moléculas portadoras de energía que capturan energía de reacciones exergónicas y la transportan a reacciones endergónicas. (Ej. ATP, Creatín-fosfato)
En general, la velocidad con que se lleva a cabo una reacción depende de la energía de activación es decir, de qué tanta energía se necesita para iniciar la reacción (Fig.2). Las reacciones con energía de activación baja pueden efectuarse con rapidez a las temperaturas corporales, mientras que las que tienen energía de activación alta, como la combinación de gasolina con oxigeno, prácticamente no se efectúan a temperaturas similares. Casi todas las reacciones pueden acelerarse elevando la temperatura, lo cual aumenta la velocidad de las moléculas. La reacción de azúcar con oxígeno para producir dióxido de carbono y agua es exergónica, pero tiene una energía de activación enorme. A las temperaturas que prevalecen en los organismos vivos, el azúcar y muchas otras moléculas energéticas casi nunca se descompondrían espontáneamente para ceder su energía. Son las enzimas producidas por las células las que hacen posible que los azúcares sean una fuente importante de energía para la vida en la tierra. Veamos cómo las enzimas influyen en las reacciones químicas.
CATALIZADORES
Los catalizadores son moléculas que modifican la velocidad de una reacción sin consumirse ni alterarse de forma permanente. Los catalizadores aceleran las reacciones reduciendo la energía de activación (Fig.2). Como ejemplo de acción catalítica, consideremos los catalizadores de los automóviles. Cuando la gasolina se quema totalmente, los productos finales son dióxido de carbono y agua:
2 C8 H18 + 25 O2 16 CO2 + 18 H2O + energía
(octano)
Sin embargo, defectos del proceso de combustión generan otras sustancias, entre ellas el monóxido de carbono (CO), que es venenoso. El monóxido de carbono reacciona espontánea pero lentamente con el oxígeno del aire para formar dióxido de carbono:
2 CO + O2 2 CO2 + energía
En las ciudades grandes, son TANTOS los vehículos que emiten tal cantidad de CO, que la reacción espontánea del CO con O2 se queda atrás de la producción, y se acumulan niveles peligrosos de monóxido de carbono. Es aquí donde entra el convertidor catalítico. Los catalizadores de platino del convertidor aceleran la conversión de CO a CO2 reduciendo así la contaminación del aire.
Todos los catalizadores tienen tres principios importantes:
1. Los catalizadores modifican la velocidad de las reacciones.
2. Los catalizadores sólo pueden acelerar reacciones que de todos modos serían espontáneas, aunque mucho más lentas.
3. Los catalizadores no se consumen en las reacciones que promueven. Por más reacciones que aceleren, los catalizadores mismos no sufren ningún cambio permanente. (Ej Al2O3)
Las enzimas son catalizadores biológicos, por lo regular proteínas, sintetizadas por organismos vivos. Las enzimas poseen las características de los catalizadores que hemos mencionado, pero tienen además otros atributos que las distinguen de los catalizadores no biológicos:
1. Las enzimas suelen ser muy específicas y catalizan, cuando mucho, unos cuantos tipos de reacciones químicas. Casi siempre, una enzima cataliza una sola reacción en la que intervienen una o dos moléculas específicas, pero no afecta a otras moléculas similares; por ejemplo, ha de recordarse que los animales tienen enzimas que descomponen las moléculas de almidón, pero dejan a la celulosa intacta, a pesar de que ambas sustancias se componen de subunidades de glucosa. (a-Amilasa y b-Amilasa)
2. En muchos casos, la actividad enzimática es regulada, es decir, intensificada o suprimida, por las moléculas cuyas reacciones las enzimas catalizan.
ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS ENZIMAS
¿Por qué son específicas las enzimas y como se regulan? La función enzimática está íntimamente relacionada con la estructura de la enzima. Las enzimas son proteínas con una forma tridimensional compleja. Cada enzima tiene una “bolsa” llamada sitio activo, en el que pueden entrar las moléculas de los reactantes, llamados sustratos. El sitio activo de cada enzima tiene una forma y una distribución de cargas eléctricas distintivas, que se complementan con las del sustrato. Dado que la enzima y su sustrato deben acoplarse, sólo ciertas moléculas pueden entrar en el sitio activo. Por ejemplo, se requieren varias enzimas para digerir totalmente las proteínas que comemos, porque cada enzima separa únicamente una secuencia específica de aminoácidos.
¿Cómo catalizan las enzimas una reacción?
- Tanto la forma como la carga eléctrica del sitio activo obligan a los sustratos a entrar en la enzima con una orientación específica (Fig.3, paso1)
- Cuando los sustratos entran en el sitio activo, el sustrato y el sitio activo cambian de forma (Fig.3, paso 2).
- Ciertos aminoácidos dentro de la parte de la proteína que forma el sitio activo pueden unirse temporalmente a átomos de los sustratos, o interacciones eléctricas entre los aminoácidos del sitio activo y los sustratos pueden distorsionar los enlaces químicos internos de los sustratos.
- La combinación de selectividad por el sustrato, orientación del sustrato, enlaces químicos temporales y distorsión de enlaces promueve la reacción química específica catalizada por una enzima en particular.
- Cuando termina la última reacción entre los sustratos, el o los productos que ya no encajan bien en el sitio activo son expulsados (Fig.3, paso 3).
- Los cambios temporales de forma, carga y patrones de enlace dentro de la enzima se revierten a su configuración original, y
- la enzima está lista para aceptar otro conjunto de sustratos (vuelta al paso 1).
¿Cómo aceleran las enzimas a las reacciones químicas?
Las enzimas son objeto de una regularización precisa y solo promueven reacciones muy específicas. La descomposición o síntesis de una molécula dentro de una célula normalmente se lleva a cabo en muchos pasos discretos, cada uno catalizado por una enzima distinta (véase la Fig.1), la cual disminuye la energía de activación de su activación particular (véase Fig.2). Así como el tallado de escalones en un risco permite trepar el risco, paso a paso, esta serie de pasos con baja energía de activación permite que la reacción total supere el “risco” de energía de activación, que de otro modo sería muy empinado, y así la reacción puede llevarse acabo a la temperatura corporal. Lo que nos salva de rostizarnos al quemar azúcar en nuestro cuerpo es que, a diferencia de la situación en la que se prende el azúcar, nuestras células descomponen el azúcar en muchos pasos pequeños, cada uno de los cuales liberan cantidades pequeñas de energía. Debe tenerse presente que la descomposición enzimática de azúcar se efectúa en unos 16 pasos. En el camino, es inevitable que algo de energía se pierda como calor, pero una buena parte se captura en moléculas portadoras de energía, como ya se ha explicado.
REGULACIÓN ENZIMÁTICA
Para ser útiles, las reacciones metabólicas que se efectúan en las células se deben controlar cuidadosamente; y deben efectuarse a la velocidad correcta y en los tiempos correctos. Las células han desarrollado muchas formas que regulan la actividad enzimática, entre ellas las siguientes:
1. Las células regulan la síntesis de enzimas ajustándola a sus necesidades cambiantes. Las reacciones solo pueden efectuarse si se cuentan con las enzimas necesarias.
2. Las células sintetizan algunas enzimas en formas inactivas y solo las activan cuando las necesitan. Un ejemplo es la enzima pepsina, que digiere proteínas. La pepsina no digiere las proteínas de las células que la producen porque la secretan en una forma inactiva, en la que el sitio activo está bloqueado. En el medio ácido del estomago, se elimina la porción bloqueadora de la proteína y la enzima se activa.
3. Las células inhiben enzimas cuando ya tienen suficiente cantidad del producto de la enzima. En la inhibición por retroalimentación, el producto de una enzima (o el producto de un paso subsiguiente en una vía metabólica) inhibe la actividad de ésta. Ejemplo: una enzima cataliza la conversión de un aminoácido en otro. La concentración se regula automáticamente mediante inhibición por retroalimentación si el aminoácido que es el producto final inhibe la enzima, una vez que su concentración alcanza un nivel suficientemente alto. (Fig.4)
4. Algunas enzimas están sujetas a regulación alostérica . Aquí la acción enzimática se intensifica o inhibe mediante pequeñas moléculas orgánicas que actúan como reguladores. El regulador no es un sustrato ni producto de la enzima, pero podría ser el producto final de una serie de reacciones en las que la enzima participa. La molécula reguladora se une a un sitio regulador alostérico especial de la enzima. Como resultado de esta unión, el sitio activo de la enzima se transforma (alostérico significa literalmente “otra forma”) y la enzima podría volverse más capaz, o bien menos capaz, de unirse con sus sustratos (Fig. 5). La enzima específica y la molécula reguladora específica determinan si la regulación alostérica intensifica o reduce la actividad de la enzima. La regulación alostérica es un mecanismo de inhibición por retroalimentación.
5. En algunos casos, dos o más moléculas que tienen una estructura un tanto similar compiten por el sitio activo de una enzima. Esta situación se denomina inhibición competitiva (Fig.5). Algunos venenos son inhibidores competitivos que impiden a una enzima descomponer su sustrato normal. En otra situación, dos tipos de alcohol, etanol (el sustrato normal presente en bebidas alcohólicas) y metanol (un veneno) compiten por sitio activo de la enzima alcohol deshidrogenasa. La descomposición de metanol por esta enzima produce formaldehído, que puede causar ceguera. Aprovechando la inhibición competitiva, los médicos administran etanol a victimas de envenenamiento con metanol. Al competir con el metanol por el sitio activo, el etanol bloquea la producción de formaldehído.
AMBIENTE ENZIMÁTICO
Las enzimas, que son proteínas, tienen estructuras tridimensionales muy complejas que son necesarias para su óptimo funcionamiento, pero que también son sensibles a las condiciones ambientales. Debe recordarse que gran parte de la estructura tridimensional de las proteínas es resultado de la formación de puentes de hidrógeno entre diferentes sectores de la cadena polipeptídica. Estos enlaces pueden ser alterados por las condiciones químicas y físicas del ambiente. Cada enzima ha evolucionado de manera que funcione en condiciones óptimas de pH, concentración de sales y temperatura. Además, para funcionar, algunas enzimas requieren también de coenzimas y cofactores, que por lo general derivan de vitaminas solubles y sales minerales, respectivamente.
1. pH. Casi todas las enzimas funcionan a un pH óptimo entre 6 y 8, el valor que prevalece en la mayor parte de los fluidos corporales y que se mantiene dentro de las células. Una excepción a esta regla, la constituye la pepsina, que digiere proteínas. Esta enzima se convierte de una forma inactiva (pepsinógeno) a la forma activa (pepsina) en condiciones altamente ácidas del estómago, es decir, a un pH 2. A este valor de pH, el exceso de H+ se une a determinadas zonas de la enzima, lo que altera su configuración y deja al descubierto el sitio activo. En las proteínas que funcionan mejor a pH neutro el ambiente ácido distorsionaría la estructura de la enzima y anularía su función normal.
2. Sales. Antes que contáramos con la refrigeración, era común conservar alimentos como la carne empleando soluciones concentradas de sal. Estas soluciones matan a casi todas las bacterias, en parte porque interfieren la función enzimática. Las sales se disocian para formar iones, los cuales forman con las enzimas enlaces que alteran su estructura tridimensional normal, y por lo tanto, deterioran su actividad.
3. Temperatura. Este factor afecta las velocidades de reacción catalizadas por las enzimas. Dado que las moléculas se mueven con mayor rapidez a altas temperaturas (aumenta la cinética molecular), aumenta la probabilidad de que sus movimientos aleatorios las hagan entrar en contacto con el sitio activo de una enzima apropiada. Así, tales reacciones se aceleran con un aumento moderado de la temperatura y se frenan a temperaturas más bajas. Sin embargo, cuando las temperaturas se elevan demasiado, los puentes de H que determinan la forma de las enzimas pueden romperse, a causa del excesivo movimiento molecular.
4. Coenzimas. Algunas enzimas requieren moléculas auxiliares denominadas coenzimas. Estas moléculas orgánicas se unen a la enzima e interactúan con el sustrato. Las coenzimas ayudan a debilitar los enlaces del sustrato para que éste pueda reaccionar con la enzima. Muchas vitaminas solubles en agua, como las del complejo B, son indispensables para los seres humanos, porque el cuerpo las utiliza para sintetizar coenzimas.
En síntesis, la capacidad de una enzima para catalizar reacciones es controlada por muchos factores vitales como la cantidad de enzima activa, los niveles de moléculas reguladoras alostéricas, la concentración de moléculas inhibidoras, la concentración de sustratos, el pH, la temperatura, el ambiente iónico y en algunos casos la presencia de coenzimas. En una célula sana, las interacciones entre estas moléculas y las condiciones ambientales reguladas con precisión mantienen concentraciones adecuadas tanto de sustratos como de productos.
VOCABULARIO ENZIMAS
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