LAS ENZIMAS
Los enzimas son biomoléculas especializadas en la catálisis de las reacciones químicas
que tienen lugar en la célula. Son muy eficaces como catalizadores ya que son capaces de
aumentar la velocidad de las reacciones químicas mucho más que cualquier catalizador artificial
conocido, y además son altamente específicos ya que cada uno de ellos induce la transformación
de un sólo tipo de sustancia y no de otras que se puedan encontrar en el medio de reacción.
CATÁLISIS QUÍMICA
Antes de comenzar a analizar la naturaleza y función de los enzimas, resulta conveniente
enunciar algunos conceptos básicos acerca de la velocidad de las reacciones químicas y el
fenómeno de la catálisis.
La teoría cinética química establece que las reacciones químicas transcurren molécula a
molécula de modo que una reacción tal como
R (reactivos) → P (productos)
tiene lugar porque una determinada fracción de la población de moléculas R, en un instante
dado, posee energía suficiente como para alcanzar un estado activado llamado estado de
transición, en el que es muy fácil que se rompan o se formen uno o más enlaces químicos para
formar los productos P. Es frecuente confundir el estado de transición con un intermediario de
reacción; sin embargo este estado no es ninguna especie química concreta, sino que podría
definirse con más exactitud como un "momento molecular fugaz", altamente inestable, en el que
uno o más enlaces químicos están muy próximos a romperse o a formarse.
La velocidad de una reacción química es proporcional al número de moléculas por
unidad de tiempo con energía suficiente para alcanzar el estado de transición.La
diferencia entre la energía de los reactivos y la del estado de transición recibe el nombre de
energía libre de activación.
Existen dos métodos generales mediante los cuales puede acelerarse la velocidad de una
reacción química. Uno de ellos consiste en la elevación de la temperatura de modo que al
incrementarse el movimiento térmico de las moléculas reaccionantes aumenta la fracción de
moléculas que poseen energía suficiente para alcanzar el estado de transición. El otro método
consiste en usar un catalizador, sustancia que se combina de un modo transitorio con los
reaccionantes de manera que éstos alcanzan un estado de transición de menor energía de
activación; cuando se forman los productos se regenera el catalizador libre.
HITOS IMPORTANTES DEL ESTUDIO DE LAS ENZIMAS
-En 1835 la primera teoría general sobre la catálisis química publicada por J.J. Berzelius incluía
un ejemplo de lo que hoy conocemos como un enzima: la diastasa de la malta,
señalando que la hidrólisis del almidón se catalizaba más eficazmente por ésta
que por el ácido sulfúrico.
-En 1860 Louis Pasteur propuso que la fermentación del azúcar para transformarse en alcohol
era inducida por ciertos catalizadores biológicos, razón por la cual los enzimas
fueron llamados inicialmente "fermentos". Pasteur supuso que dichos
catalizadores se hallaban unidos de modo indisoluble a la estructura de las
células de la levadura por lo que no podían actuar fuera de estas.
-En 1877 se utiliza por primera vez la denominación "enzima" (etimológicamente "en la
levadura").
-En 1897 E. Büchner consiguió extraer de las células de la levadura los enzimas que catalizan la
fermentación alcohólica, demostrando que éstos pueden actuar
independientemente de la estructura celular. Este hecho permitió estudiar "in
vitro" la actividad y propiedades de los enzimas, aislarlos en estado puro y
analizar su composición.
-En 1926 J.B. Sumner aisló un enzima, la ureasa, en forma cristalina pura y demostró que los
cristales estaban formados por proteínas.
-Entre 1930 y 1936 se aislaron en forma cristalina pura diversos enzimas quedando establecida
de modo definitivo la naturaleza proteica de estos catalizadores biológicos.
Desde entonces se han identificado varios miles de enzimas diferentes,
habiéndose aislado muchos de ellos en forma cristalina.
-En el mismo período J.B.S. Haldane expuso la idea de que los enzimas establecen
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interacciones débiles con el sustrato para distorsionarlo y catalizar así su
transformación; esta idea resultó capital para el moderno conocimiento de la
acción enzimática.
-En 1981 se descubrió que determinados tipos de RNA pueden catalizar su propia síntesis,
hecho este que obligó a revisar algunas de las ideas preexistentes acerca de la
naturaleza de los biocatalizadores.
CINÉTICA ENZIMÁTICA: EL COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO.
Los enzimas actúan de acuerdo con los mismos principios generales que los demás
catalizadores: aumentan la velocidad de las reacciones químicas combinándose transitoriamente
con los reactivos de manera que estos alcanzan un estado de transición con una energía de
activación menor que el de la reacción no catalizada. Hay que destacar sin embargo que los
enzimas son mucho más eficaces que cualquier catalizador artificial conocido. Se ha podido
comprobar que los aumentos de velocidad que producen son de entre 10 a la 7 y 14 veces la
velocidad de la reacción no catalizada. La actividad molecular (número de moléculas de
sustrato transformadas por una sola molécula de enzima por minuto) de distintos enzimas oscila
entre unos pocos miles y varios millones de moléculas de sustrato por minuto. Cabe preguntarse
pues, cómo consiguen los enzimas aumentos tan espectaculares en la velocidad de las
reacciones químicas que catalizan.
La cinética de las reacciones catalizadas por enzimas muestra un rasgo característico que
no se observa en las reacciones no enzimáticas: la saturación del enzima por el sustrato .Cuando se mide la velocidad inicial de una reacción catalizada enzimáticamente se
observa que para concentraciones de sustrato bajas la velocidad de reacción es proporcional a
dicha concentración, como ocurre con carácter general para las reacciones no enzimáticas. A
medida que la concentración de sustrato aumenta la velocidad de reacción deja de ser
proporcional a ésta. Con un aumento posterior la velocidad de reacción llega a ser totalmente
independiente de la concentración del sustrato y se aproxima asimptóticamente a un valor
máximo que es característico de cada enzima y que se conoce como velocidad máxima. Se dice
entonces que el enzima se halla saturado por el sustrato.
La concentración de sustrato a la cual la
reacción alcanza la mitad de su velocidad máxima se conoce con el nombre de KM (constante
de Michaelis-Menten). KM es un valor característico de cada enzima y constituye una medida de
la afinidad del enzima por el sustrato: valores bajos de KM indican una
alta afinidad mientras que valores altos representan una baja afinidad.
El efecto de saturación del enzima por el sustrato condujo a los primeros investigadores
de la cinética enzimática, incluso antes de que se conociera la naturaleza proteica de los
enzimas, a formular la hipótesis, hoy corroborada, de que el enzima y el sustrato se combinan de
modo transitorio para formar un complejo enzima-sustrato en el que se alcanza
el estado de transición con mayor probabilidad que en la reacción no catalizada. Una vez
alcanzado dicho estado el complejo enzima-sustrato se descompone para dar lugar a los
productos y el enzima libre según se refleja en la siguiente ecuación:
ESPECIFICIDAD DE LAS ENZIMAS
Los enzimas, además de ser unos catalizadores muy eficaces, presentan un alto grado de
especificidad química, es decir, son capaces de inducir la transformación de un sólo tipo de
moléculas y no de otros que también se encuentran presentes en el medio de reacción. Un
enzima es capaz de discriminar entre dos sustancias que potencialmente podrían actuar como
sustratos.
Como ya se apuntó
anteriormente, la relación que
existe entre el enzima y su
sustrato es un caso particular de
un fenómeno más amplio: la
relación entre las proteínas y sus
respectivos ligando. Aunque
hemos introducido alguna
salvedad sobre el particular , podemos afirmar que
entre el enzima y su sustrato se
da un acoplamiento espacial y químico. La especificidad de los enzimas reside en esta
complementariedad estructural. Así, aquellos potenciales sustratos que, por falta de
acoplamiento espacial y químico, no puedan acceder al centro activo del enzima, no podrán
ser transformados por él. Por otra parte, es necesario tener en cuenta que, en muchos casos, no
es la totalidad de la molécula de sustrato, sino solamente una parte de ella, denominada grupo
determinante de la posición, la que se acopla espacial y químicamente con el centro activo.
La importancia de las interacciones débiles entre grupos funcionales complementarios
del sustrato y del centro activo en la determinación de la especificidad de los enzimas debe
hacernos reflexionar sobre un hecho crucial: la energía de fijación, que como hemos visto es la
principal fuente de energía libre para la catálisis, proporciona también especificidad. Catálisis y
especificidad son dos propiedades de los enzimas que, aunque conceptualmente se distinguen
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con facilidad, responden en realidad a un mismo fenómeno: la interacción energéticamente
favorable entre el enzima y el sustrato.
FACTORES QUE AFECTAN A LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA.
- EFECTO DEL pH.
La mayoría de los
enzimas presentan un pH
óptimo para el cual su
actividad es máxima; por
encima o por debajo de ese
pH la actividad disminuye
bruscamente. Este efecto se
debe a que, al ser los
enzimas de naturaleza
proteica, al igual que otras
proteínas, se desnaturalizan y
pierden su actividad si el pH
varía más allá de unos
límites estrechos. De ahí la conocida
importancia biológica de los
sistemas tampón.
En la mayor parte de los casos el pH óptimo está próximo a la neutralidad, en
consonancia con el pH intracelular, pero existen enzimas con pH óptimo muy diverso según sea
el pH del medio en el que habitualmente actúan .Por último existen
algunos enzimas a los que el pH no afecta en absoluto.
2. EFECTO DE LA TEMPERATURA.
Al igual que ocurre con la mayoría de las reacciones químicas, la velocidad de las
reacciones catalizadas por enzimas se incrementa con la temperatura. La variación de la
actividad enzimática con la temperatura es diferente de unos enzimas a otros en función de la
barrera de energía de activación de la reacción catalizada. Sin embargo, a diferencia de lo que
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ocurre en otras reacciones
químicas, en las reacciones
catalizadas por enzimas se produce
un brusco descenso de la actividad
cuando se alcanza una temperatura
crítica. Este efecto no es más que
un reflejo de la desnaturalización
térmica del enzima cuando se
alcanza dicha temperatura. Si
representamos gráficamente la
variación de la actividad de los
enzimas en función de la
temperatura da la
impresión de que existe una
temperatura "óptima" análoga al
pH óptimo estudiado
anteriormente; hay que resaltar que esa aparente temperatura óptima no es más que el resultado
de dos procesos contrapuestos:
1) el incremento habitual de la velocidad de reacción con la
temperatura y
2) la desnaturalización térmica del enzima.
NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN.
Inicialmente se designaba a los enzimas añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato,
o bien a una palabra que describe su actividad. Por ejemplo la ureasa cataliza la hidrólisis de la
urea para rendir CO2 y agua, la arginasa cataliza la hidrólisis del aminoácido arginina y la
DNA polimerasa cataliza la síntesis del DNA.
El nuevo sistema
divide a los enzimas en seis clases principales, cada una de las cuales se divide a su vez en
subclases y éstas en sub-subclases atendiendo al tipo de reacción catalizada. Cada enzima es
designada de tres modos:
1) un nombre recomendado, generalmente corto y apropiado para su
uso habitual,
2) un nombre sistemático que identifica la reacción que cataliza, y
3) un número
de clasificación, que se emplea cuando se precisa una identificación inequívoca del enzima.
ATP + CREATINA =ADP + FOSFOCREATINA
Nombre recomendado: CREATIN-KINASA
Nombre sistemático: ATP:CREATIN FOSFOTRANSFERASA
Número de clasificación: EC 2.7.3.2.
En el número de clasificación EC es la abreviatura de Comisión de Enzimas; el primer
dígito (2) indica la clase a la que pertenece el enzima, en este caso la clase transferasas (ver
tabla); el segundo dígito (7) indica la subclase (fosfotransferasas); el tercer dígito (3) la subsubclase
(fosfotransferasas con grupo nitrogenado como aceptor); el cuarto dígito (2) identifica
inequívocamente al enzima en cuestión.
INHIBICIÓN ENZIMÁTICA.
Existen una serie de sustancias, llamadas inhibidores, que inhiben o anulan la acción de
los enzimas sin ser transformados por ellos. Su estudio resulta de gran utilidad a la hora de
comprender los mecanismos de catálisis, la especificidad de los enzimas y otros aspectos de la
actividad enzimática.
La inhibición enzimática puede ser irreversible o reversible, esta última comprende a su
vez tres tipos: inhibición competitiva, acompetitiva y no competitiva.
-INHIBICIÓN IRREVERSIBLE.
Algunos inhibidores se combinan de modo permanente con el enzima uniéndose
covalentemente a algún grupo funcional esencial para la catálisis con lo que el enzima queda
inactivado irreversiblemente. El estudio de este tipo de inhibidores ha resultado de gran utilidad
para identificar los grupos funcionales esenciales para la catálisis en aquellos enzimas a los que
inactivan.
Este tipo de inhibición se conoce también como "envenenamiento" del enzima. Por
ejemplo algunos compuestos organofosforados tóxicos llamados venenos nerviosos, que se
utilizan como insecticidas, actúan inhibiendo irreversiblemente al enzima acetilcolinesterasa,
la cual interviene en la actividad del sistema nervioso. Se sabe que estos compuestos
organofosforados inactivan al enzima formando un enlace éster fosfórico con el grupo hidroxilo
de un determinado resto del aminoácido serina, lo que demuestra que ese grupo funcional es
esencial para la catálisis.
-INHIBICIÓN REVERSIBLE.
Los inhibidores reversibles se combinan transitoriamente con el enzima, de manera
parecida a como lo hacen los propios sustratos. Algunos inhibidores reversibles no se combinan
con el enzima libre sino con el complejo enzima-sustrato.
Se distinguen tres tipos de inhibición reversible:
El inhibidor es una molécula que presenta un cierto parecido estructural con el sustrato,
de manera que puede competir con él por acceder al centro activo, pero que no
posee ningún enlace susceptible de ser atacado por el enzima . El inhibidor forma con el enzima libre un complejo enzima-inhibidor de
características cinéticas análogas a las del complejo enzima-sustrato, pero que,
lógicamente, no puede descomponerse a continuación para dar lugar al enzima
libre y a los productos:
El inhibidor no se combina con el enzima libre ni afecta a su unión al sustrato, sino que
lo hace con el complejo enzima-sustrato dando lugar a un complejo inactivo
enzima-sustrato-inhibidor, que no se descompone posteriormente para dar lugar
a los productos . El inhibidor se coloca próximo al centro activo
situado de tal manera que impide físicamente la salida de los productos:
- INHIBICIÓN NO COMPETITIVA
El inhibidor puede combinarse con el enzima libre o bien con el complejo enzimasustrato,
interfiriendo en la acción de ambos Los inhibidores no
competitivos se unen a un lugar del enzima diferente del centro activo
provocando en el una alteración que dificulta bien la formación del complejo
enzima-sustrato o bien la descomposición de éste para dar lugar a los productos.
La unión con el inhibidor produce dos formas inactivas: los complejos EI y ESI,
ninguna de las cuales puede descomponerse para dar lugar a los productos y al
enzima libre:
Aunque podría pensarse que los distintos tipos de inhibición estudiados pueden
desempeñar algún papel en la regulación de la actividad enzimática, todo parece indicar que no
es así; la regulación de la actividad enzimática se lleva a cabo mediante mecanismos que no se
ajustan a ninguno de los modelos de inhibición estudiados y que se describirán en el próximo
apartado. El interés del estudio de la inhibición enzimática reside más en su utilidad para
comprender la estructura, mecanismos catalíticos y especificidad de los enzimas, que en una
importancia biológica real.
ENZIMAS REGULADORES.
La célula es una máquina química que debe ser capaz de autoajustarse o regular su
propio funcionamiento para no desperdiciar tiempo ni energía en realizar procesos que no le son
útiles en un momento dado, siguiendo así un principio de máxima economía molecular. Este
autoajuste se lleva a cabo a varios niveles entre los que destaca la regulación de la propia
actividad enzimática.
Todos los enzimas presentan propiedades que los hacen candidatos a constituir
elementos reguladores del metabolismo. Estas propiedades son su sensibilidad a los cambios de
pH, a la concentración del sustrato o a la concentración de otras sustancias accesorias que
denominaremos cofactores. Sin embargo, existen una serie de enzimas que, además de estas
propiedades comunes a todos ellos, poseen otras que les confieren un papel específicamente
regulador del metabolismo: son los enzimas reguladores. Existen dos tipos principales de
enzimas reguladores: los enzimas alostéricos y los enzimas modulados covalentemente.
Ambos tipos son responsables de alteraciones en el estado metabólico de las células en
intervalos cortos de tiempo.
Los enzimas alostéricos son aquellos que, además del centro activo mediante el cual
interactúan con el sustrato, poseen otro centro de unión llamado centro alostérico mediante el
cual interactúan con otra molécula denominada efector o modulador .
Los moduladores alostéricos pueden ser de dos tipos: unos estimulan la actividad del
enzima al unirse al centro alostérico, reciben el nombre de moduladores positivos o
activadores; otros la inhiben y se llaman moduladores negativos o inhibidores. Los inhibidores
alostéricos no responden a ninguno de los modelos de inhibición enzimática estudiados en el
apartado anterior.
- ENZIMAS MODULADOS COVALENTEMENTE.
Los enzimas modulados covalentemente también presentan dos formas, una activa y
otra inactiva, que son interconvertibles por modificación covalente de sus estructuras catalizada
por otros enzimas, denominados enzimas moduladores.
COFACTORES ENZIMÁTICOS
Algunos enzimas necesitan para llevar a cabo su actividad catalítica de la concurrencia
de una o más sustancias de naturaleza no proteica que reciben el nombre de cofactores. No debe
entenderse que los cofactores son sustancias que meramente potencian la actividad enzimática
sino que, en determinados enzimas, son absolutamente imprescindibles para que ésta se realice.
En ausencia de cofactor el enzima resulta catalíticamente inactivo y recibe el nombre de
apoenzima; la combinación de apoenzima y cofactor da el holoenzima catalíticamente activo.
Existen dos tipos de cofactores enzimáticos: los iones metálicos y los coenzimas.
Cuando el cofactor es una sustancia orgánica de naturaleza no proteica recibe el nombre
de coenzima. Los coenzimas actúan generalmente como transportadores intermediarios de
grupos funcionales, de determinados átomos o de electrones, los cuales son transferidos de una
sustancia a otra en la reacción enzimática global. A veces los coenzimas se hallan íntimamente
unidos a la molécula proteica constituyendo un verdadero grupo prostético. En otros casos la
unión es débil y el coenzima actúa en realidad como si de un sustrato más del enzima se tratase.
Cuando se analiza la estructura química de muchos coenzimas se comprueba que tienen
formando parte de ella a alguna de las sustancias conocidas como vitaminas. Existe pues una
clara relación entre vitaminas y coenzimas.
VITAMINAS.
Las vitaminas son una serie de sustancias de naturaleza química variada que, en cantidades mínimas, son necesarias para el normal desarrollo y funcionamiento de muchos
organismos. Su importancia biológica se manifestó debido a que algunos organismos no las
pueden sintetizar y deben adquirirlas por tanto de procedencia exógena.
Desde muy antiguo se sabía que determinados alimentos tenían propiedades curativas o
preventivas para determinadas enfermedades. El fraccionamiento químico de estos alimentos
condujo al aislamiento y purificación de las sustancias responsables de este efecto preventivo,
las cuales recibieron el nombre de vitaminas debido a que la primera que se identificó era una
amina (de "vital amina"). Pudo constatarse entonces su variada naturaleza química, siendo
clasificadas en hidrosolubles y liposolubles según su mayor o menor afinidad por el agua o por
las sustancias lipídicas.
Medicamento que participan en las Reacciones Enzimáticas
