Enzimas

 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 3 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 10 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.

1. 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 11 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:

• INHIBICIÓN COMPETITIVA:

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: 

• INHIBICIÓN ACOMPETITIVA

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.

• ENZIMAS ALOSTÉRICOS. 

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