¿Qué son las enzimas y cuáles son sus Propiedades? ¿Qué tipos de enzimas existen y cuáles son sus funciones en el metabolismo? Prácticamente todas las numerosas y complejas reacciones bioquímicas que tienen lugar en animales, plantas y microorganismos están reguladas por enzimas.
Estas proteínas catalíticas son eficientes y específicas, es decir, aceleran la velocidad de un tipo de reacción química de un tipo de compuesto, y lo hacen de una manera mucho más eficiente que los catalizadores hechos por el hombre.
Son controladas por activadores e inhibidores que inician o bloquean las reacciones. Todas las células contienen enzimas, que suelen variar en número y composición, dependiendo del tipo de célula; Una célula promedio de mamífero, por ejemplo, es aproximadamente un milionésimo (10-9) del tamaño de una gota de agua y generalmente contiene aproximadamente 3.000 enzimas.
La existencia de enzimas se estableció a mediados del siglo XIX por científicos que estudiaron el proceso de fermentación. El descubrimiento del papel de las enzimas como catalizadores siguió rápidamente.
Los desarrollos antes de 1850 incluyeron (en 1833) la separación de la malta de la enzima amilasa, que convierte el almidón en azúcar, y (en 1836) el aislamiento de la pared del estómago de los animales de un componente del jugo gástrico que podría digerir parcialmente los alimentos en una prueba Tubo, la enzima pepsina.
Las enzimas se conocían durante muchos años como fermentos, un término derivado de la palabra latina para levadura. En 1878 se introdujo el nombre enzima, de las palabras griegas que significan "en levadura"; Desde finales del siglo XIX se ha empleado universalmente.
Papel de las enzimas en el metabolismo
Algunas enzimas ayudan a descomponer grandes moléculas de nutrientes, tales como proteínas, grasas e hidratos de carbono, en moléculas más pequeñas. Este proceso se produce durante la digestión de los alimentos en el estómago y los intestinos de los animales. Otras enzimas guían las moléculas más pequeñas y descompuestas a través de la pared intestinal hacia el torrente sanguíneo.
Todavía otras enzimas promueven la formación de moléculas grandes y complejas a partir de las pequeñas o simples para producir constituyentes celulares. Las enzimas también son responsables de numerosas otras funciones, que incluyen el almacenamiento y la liberación de energía, el curso de la reproducción, los procesos de la respiración y la visión. Son indispensables para la vida.
Cada enzima es capaz de promover sólo un tipo de reacción química. Los compuestos sobre los que actúa la enzima se denominan sustratos. Las enzimas operan en sistemas metabólicos estrechamente organizados llamados vías.
Un fenómeno biológico aparentemente simple -la contracción de un músculo, por ejemplo, o la transmisión de un impulso nervioso- implica en realidad un gran número de etapas químicas en las que uno o más compuestos químicos (sustratos) se convierten en sustancias llamadas productos; El producto de una etapa en una vía metabólica sirve como sustrato para la siguiente etapa en la vía.
El papel de las enzimas en las vías metabólicas puede ilustrarse esquemáticamente. El compuesto químico representado por A (véase el diagrama siguiente) se convierte en producto E en una serie de etapas catalizadas por enzimas, en las que se forman sucesivamente compuestos intermedios representados por B, C y D.
Actúan como sustratos para las enzimas representadas por 2, 3 y 4. El compuesto A también puede ser convertido por otra serie de etapas, algunas de las cuales son las mismas que en el camino para la formación de E, a productos representados por G y MARIDO.
Las letras representan compuestos químicos; Los números representan enzimas que catalizan reacciones individuales. Las alturas relativas representan la energía termodinámica de los compuestos (por ejemplo, el compuesto A es más rico en energía que B, B es más rico en energía que C). Los compuestos A, B, etc., cambian muy lentamente en ausencia de un catalizador pero lo hacen rápidamente en presencia de catalizadores 1, 2, 3, etc.
El papel regulador de las enzimas en las vías metabólicas puede ser aclarado usando una simple analogía: la que existe entre los compuestos, representada por las letras en el diagrama, y una serie de reservorios conectados en una pendiente. De manera similar, las enzimas representadas por los números son análogas a las válvulas del sistema de depósito.
Las válvulas controlan el flujo de agua en el depósito; Es decir, si sólo las válvulas 1, 2, 3 y 4 están abiertas, el agua de A sólo fluye hacia E, pero si las válvulas 1, 2, 5 y 6 están abiertas, el agua de A fluye hacia G.
De manera similar, si las enzimas 1, 2, 3 y 4 en la vía metabólica son activas, se forma el producto E, y si las enzimas 1, 2, 5 y 6 están activas, se forma el producto G. La actividad o la falta de actividad de las enzimas en la vía por lo tanto determina el destino del compuesto A; Es decir, permanece sin cambios o se convierte en uno o más productos.
Además, si se forman productos, la actividad de las enzimas 3 y 4 con respecto a la de las enzimas 5 y 6 determina la cantidad de producto E formada en comparación con el producto G.
Tanto el flujo de agua como la actividad de las enzimas obedecen las leyes de la termodinámica; Por lo tanto, el agua en el depósito F no puede fluir libremente a H abriendo la válvula 7, porque el agua no puede fluir cuesta arriba.
Sin embargo, si las válvulas 1, 2, 5 y 7 están abiertas, el agua fluye de F a H, porque la energía conservada durante el flujo descendente de agua a través de las válvulas 1, 2 y 5 es suficiente para permitir que el agua A través de la válvula 7.
De manera similar, las enzimas en la vía metabólica no pueden convertir el compuesto F directamente en H a menos que se disponga de energía; Las enzimas son capaces de utilizar la energía de las reacciones de ahorro de energía con el fin de catalizar reacciones que requieren energía.
Durante la oxidación catalizada por enzimas de carbohidratos a dióxido de carbono y agua, la energía se conserva en forma de un compuesto rico en energía, adenosina trifosfato (ATP). La energía en ATP se utiliza durante un proceso de consumo de energía, como la enzima-catalizada la contracción del músculo.
Debido a que las necesidades de las células y los organismos varían, no sólo la actividad sino también la síntesis de las enzimas deben ser reguladas; Por ejemplo, las enzimas responsables de la actividad muscular en un músculo de la pierna deben ser activadas e inhibidas en momentos apropiados. Algunas células no necesitan ciertas enzimas; Una célula hepática, por ejemplo, no necesita una enzima muscular.
Una bacteria no necesita enzimas para metabolizar sustancias que no están presentes en su medio de crecimiento. Algunas enzimas, por lo tanto, no se forman en ciertas células, otras se sintetizan sólo cuando se requiere, y todavía otros se encuentran en todas las células.
La formación y actividad de las enzimas están reguladas no sólo por mecanismos genéticos sino también por secreciones orgánicas (hormonas) de las glándulas endocrinas y por los impulsos nerviosos. Las moléculas pequeñas también juegan un papel importante (véase más adelante la flexibilidad enzimática y el control alostérico).
Si una enzima es defectuosa en algún aspecto, la enfermedad puede ocurrir. Las enzimas representadas por los números 1 a 4 en el diagrama deben funcionar durante la conversión de la sustancia de partida A en el producto E. Si se bloquea una etapa porque una enzima no puede funcionar, no se puede formar el producto E; Si E es necesario para alguna función vital, la enfermedad resulta.
Muchas enfermedades y condiciones hereditarias de los seres humanos resultan de una deficiencia de una enzima. El albinismo, por ejemplo, resulta de una falta heredada de capacidad para sintetizar la enzima tirosinasa, que cataliza un paso en la vía por la que se forma el pigmento para el cabello y el color del ojo.
Otras funciones de las enzimas
Las enzimas desempeñan un papel cada vez más importante en la medicina. La enzima trombina se utiliza para promover la cicatrización de heridas. Otras enzimas se utilizan para diagnosticar ciertos tipos de enfermedad, para provocar la remisión de algunas formas de leucemia -una enfermedad de los órganos que forman la sangre- y para contrarrestar las reacciones desfavorables en personas que son alérgicas a la penicilina.
La enzima lisozima, que destruye las paredes celulares, se utiliza para matar las bacterias. Las enzimas también han sido investigadas por su potencial para prevenir la caries dental y para servir como anticoagulantes en el tratamiento de la trombosis, una enfermedad caracterizada por la formación de un coágulo, o tapón, en un vaso sanguíneo. Las enzimas pueden utilizarse eventualmente para controlar las deficiencias enzimáticas y las anomalías resultantes de enfermedades.
También puede observarse de pasada que las enzimas se utilizan en procesos industriales que implican la preparación de ciertos compuestos químicos y el bronceado del cuero. También son valiosos en procedimientos analíticos que implican la detección de cantidades muy pequeñas de sustancias específicas.
Las enzimas son necesarias en varias industrias relacionadas con los alimentos, incluyendo la elaboración de quesos, la elaboración de cerveza, el envejecimiento del vino y la cocción de pan. Las enzimas también se pueden usar para limpiar la ropa. Para algunos usos industriales de enzimas, vea hornear.
Propiedades generales de las enzimas
Clasificación y nomenclatura
El nombre de la primera enzima, propuesto en 1833, fue la diastasa. Sesenta y cinco años más tarde, el microbiólogo y químico francés Émile Duclaux sugirió que todas las enzimas sean nombradas añadiendo -ase a una raíz indicativa de la naturaleza del sustrato de la enzima. Aunque las enzimas ya no se nombran de una manera tan sencilla, con la excepción de unos pocos-por ejemplo, pepsina, tripsina, quimotripsina, papaína-la mayoría de los nombres de enzimas terminan en -ase.
Cualquier clasificación sistemática de enzimas debe basarse en una propiedad o calidad común que varía lo suficiente como para ser útil como rasgo distintivo. En este sentido, tres propiedades de las enzimas podrían servir como base para la clasificación enzimática: la naturaleza química exacta de la enzima, la naturaleza química del sustrato y la naturaleza de la reacción catalizada.
Además, aunque los intentos iniciales de clasificación enzimática se basaron en la naturaleza de amplios grupos de sustratos (por ejemplo, enzimas denominadas carbohidratas actúan sobre los hidratos de carbono), a menudo se oscurecieron estrechas similitudes funcionales entre las enzimas en diferentes grupos. Por acuerdo general, las enzimas ahora se clasifican de acuerdo con sus sustratos y la naturaleza de la reacción que catalizan.
En un intento por diseñar un sistema racional de nomenclatura enzimática, dos nombres se dan a una enzima. Uno, conocido como el nombre sistemático, se basa en principios lógicos, pero a menudo es largo y torpe; El otro nombre "trivial" es corto y generalmente se usa pero no suele ser exacto o sistemático.
En el esquema de nomenclatura sistemática se reconocen seis grupos principales de reacciones enzimáticas; Cada uno cataliza un tipo de reacción y se subdivide en base a definiciones detalladas de la reacción catalizada y del sustrato implicado en la reacción.
Las enzimas que catalizan reacciones en las que se transfiere hidrógeno pertenecen al grupo conocido como oxidorreductasas; Aquellos que catalizan la introducción de los elementos de agua en un sitio específico en una molécula se llaman hidrolasas.
Los otros cuatro grupos de reacciones son las transferasas -que catalizan reacciones en las que se transfieren sustancias distintas del hidrógeno- las liasas, las isomerasas y las ligasas. Oxidoreductasas y transferasas representan aproximadamente el 50 por ciento de las aproximadamente 1.000 enzimas reconocidas hasta el momento.
Naturaleza química de las enzimas
Poco se sabía sobre la naturaleza química de las enzimas hasta el comienzo del siglo XX, aunque los científicos estaban casi convencidos de que eran proteínas. En 1926 la enzima ureasa fue la primera en ser cristalizada y claramente identificada como una proteína. Dentro de los próximos años las enzimas digestivas pepsina, tripsina y quimotripsina se demostró que eran proteínas.
Desde entonces, cientos de enzimas, todas ellas proteínas, han sido preparadas y caracterizadas por métodos químicos. Gran parte del conocimiento de la química de las proteínas, de hecho, ha resultado de estudios que involucran enzimas y de intentos de entender su naturaleza y modo de acción.
Aunque algunas enzimas consisten en una sola cadena de los aminoácidos (es decir, moléculas orgánicas simples que contienen nitrógeno), la mayoría de las enzimas están compuestas por más de una cadena. Cada cadena se llama una subunidad.
Muchas enzimas tienen dos, cuatro o seis subunidades, y algunas consisten de hasta 12 a 60 subunidades. En muchos casos las subunidades tienen estructuras idénticas; En otros, sin embargo, están involucrados varios tipos diferentes de cadenas de subunidades.
Con la excepción de las proteínas que actúan como elementos estructurales, la mayoría de las proteínas en los tejidos fisiológicamente activos como el riñón y el hígado son enzimas. Independientemente de la cantidad exacta de proteína enzimática en un organismo, está claro que cientos de diferentes enzimas deben estar presentes en cada tejido para tener en cuenta la miríada de reacciones que componen el metabolismo.
Cofactores enzimáticos
Aunque algunas enzimas consisten sólo en proteínas, muchas son proteínas complejas; Es decir, tienen un componente proteico y un denominado cofactor. Una enzima completa se llama holoenzima; Si se elimina el cofactor, la proteína, ya no enzimáticamente activa, se llama apoenzima.
Un cofactor puede ser un metal -como hierro, cobre o magnesio- una molécula orgánica de tamaño moderado llamada grupo prostético, o un tipo especial de molécula de sustrato conocida como coenzima. El cofactor puede ayudar en la función catalítica de una enzima, al igual que los metales y grupos protésicos, o participar en la reacción enzimática, al igual que las coenzimas.
Una coenzima sirve como un tipo de sustrato en ciertas reacciones enzimáticas y, por tanto, reacciona en las proporciones exactas (es decir, estequiométricamente) requeridas para la reacción, en lugar de en cantidades catalíticas.
Una coenzima puede asumir, por ejemplo, el papel de un aceptor de hidrógeno, al igual que el nicotinamida adenina dinucleótido (NAD), que acepta hidrógeno del sustrato, o un donante del grupo químico, al igual que el trifosfato de adenosina (ATP), que dona ácido fosfórico Al sustrato.
Después de que el ATP haya donado una molécula de ácido fosfórico al sustrato, el ácido fosfórico puede readquirirse en una segunda reacción estequiométrica catalizada por una segunda enzima. La naturaleza catalítica de una coenzima es aparente sólo cuando se acopla las actividades de dos enzimas de esta manera. Por lo tanto, las coenzimas son los eslabones, o lanzaderas, en vías metabólicas que permiten el intercambio de sustancias, por ejemplo, hidrógeno, ácido fosfórico.
La naturaleza de las reacciones catalizadas por enzimas
La naturaleza de la catálisis
En una reacción química, por ejemplo, en la que la sustancia A se convierte en producto B, se alcanza finalmente un punto de equilibrio al cual no se produce ningún cambio químico adicional; Es decir, la velocidad de conversión de A en B es igual a la velocidad de conversión de B en A. La denominada constante de equilibrio termodinámico expresa este equilibrio químico. Un catalizador puede definirse como una sustancia que acelera una reacción química pero no se consume en el proceso.
La cantidad de catalizador no tiene relación con la cantidad de sustancia alterada; Cantidades muy pequeñas de enzimas son catalizadores muy eficientes. Debido a que la presencia de una enzima acelera la velocidad de conversión de un compuesto en un producto, acelera la aproximación al equilibrio; Sin embargo, no influye en el punto de equilibrio alcanzado.
Las moléculas en el medio acuoso de la célula están en movimiento térmico constante pero, debido a que son compuestos más o menos estables, reaccionarían sólo ocasionalmente para formar productos en ausencia de enzimas. Existe una barrera de energía a la reacción de una molécula. La energía requerida para superar la barrera a la reacción se llama energía de activación.
Una reacción procede al equilibrio sólo si las moléculas tienen suficiente energía de activación para formar un complejo activado, del que pueden derivarse productos. Las enzimas aumentan considerablemente las posibilidades de reacciones por su capacidad para hacer que un gran número de moléculas específicas sean más reactivas (es decir, inestables) formando compuestos intermedios con ellas.
Los intermedios inestables se rompen rápidamente para formar productos estables, y las enzimas, sin modificar por la reacción, son capaces de catalizar la formación de productos adicionales.
El papel del sitio activo en las enzimas
Que el compuesto sobre el cual actúa una enzima (sustrato) debe combinarse de alguna manera con él antes de que la catálisis pueda proceder es una vieja idea, ahora apoyada por mucha evidencia experimental. La combinación de moléculas de sustrato con enzimas implica colisiones entre los dos. Las enzimas son moléculas grandes, cuyos pesos moleculares (basados en el peso de un átomo de hidrógeno como 1) oscilan entre varios miles y varios millones.
Los sustratos sobre los que actúan las enzimas suelen tener pesos moleculares de varios cientos. Debido a la diferencia de tamaño entre los dos, sólo una fracción de la enzima está en contacto con el sustrato; La región de contacto se denomina sitio activo. Normalmente, cada subunidad de una enzima tiene un sitio activo capaz de unir el sustrato.
Las características de una enzima derivan de la secuencia de aminoácidos, que determinan la forma de la enzima (es decir, la estructura del sitio activo) y, por tanto, la especificidad de la enzima.
Las fuerzas que atraen el sustrato a la superficie de una enzima pueden ser de naturaleza física o química. Pueden ocurrir enlaces electrostáticos entre grupos con carga opuesta - los círculos que contienen signos más y menos en la enzima son atraídos a sus opuestos en la molécula de sustrato.
Dichos enlaces electrostáticos pueden ocurrir con grupos que están completamente cargados positivamente o negativamente (es decir, grupos iónicos) o con grupos que están parcialmente cargados (es decir, dipolos). Las fuerzas atractivas entre el sustrato y la enzima también pueden implicar los denominados enlaces hidrófobos, en los que las porciones oleosas o hidrocarbonadas de la enzima (representadas por círculos marcados con H) y el sustrato se obligan juntos de la misma manera que las gotitas de aceite tienden Para coalescer en agua.
Las modificaciones en la estructura de los aminoácidos en o cerca del sitio activo afectan usualmente a la actividad de la enzima, debido a que estos aminoácidos están íntimamente implicados en el ajuste y atracción del sustrato a la superficie de la enzima.
Las características de los aminoácidos cerca del sitio activo determinan si una molécula de sustrato encaja o no en el sitio. Una molécula que es demasiado voluminosa en los lugares equivocados no puede encajar en el sitio activo y por lo tanto no puede reaccionar con la enzima.
De una manera similar, una molécula que carece de fuerzas de atracción esenciales o las regiones cargadas apropiadamente podría no estar unida a la enzima. Por otra parte, una molécula con un grupo voluminoso en una posición tal que no interfiera con la unión de la molécula a la enzima o con la función del sitio activo puede servir como sustrato para la enzima.
La idea de un ajuste entre el sustrato y la enzima, llamada hipótesis de "cerradura de llave", fue propuesta por el químico alemán Emil Fischer en 1899 y explica una de las características más importantes de las enzimas, su especificidad. En la mayoría de las enzimas estudiadas hasta el momento, se encuentra una hendidura, o hendidura, en la que se sitúa el sustrato en el sitio activo.
La especificidad de las enzimas
Dado que el sustrato debe encajar en el sitio activo de la enzima antes de que pueda producirse la catálisis, sólo las moléculas adecuadamente diseñadas pueden servir como sustratos para una enzima específica; En muchos casos, una enzima reaccionará con una sola molécula natural. Dos enzimas oxidorreductasas servirán para ilustrar el principio de especificidad enzimática.
Una (alcohol deshidrogenasa) actúa sobre el alcohol, la otra (deshidrogenasa láctica) sobre el ácido láctico; Las actividades de los dos, a pesar de que ambas son enzimas oxidorreductasa, no son intercambiables, es decir, la alcohol deshidrogenasa no catalizará una reacción que implique ácido láctico o viceversa, porque la estructura de cada sustrato difiere suficientemente para impedir su acoplamiento al sitio activo de La enzima alternativa.
La especificidad de la enzima es esencial porque mantiene separadas las muchas vías, que implican cientos de enzimas, que funcionan durante el metabolismo.
No todas las enzimas son altamente específicas. Las enzimas digestivas tales como la pepsina y la quimotripsina, por ejemplo, son capaces de actuar sobre casi cualquier proteína, como deben hacerlo si actúan sobre los diversos tipos de proteínas consumidas como alimento.
Por otra parte, la trombina, que sólo reacciona con la proteína fibrinógeno, es parte de un mecanismo de coagulación de la sangre muy delicado y por lo tanto debe actuar sólo en un compuesto con el fin de mantener el correcto funcionamiento del sistema.
Cuando las enzimas fueron estudiadas por primera vez, se pensó que la mayoría de ellas eran "absolutamente específicas", que reaccionarían con un solo compuesto. En la mayoría de los casos, sin embargo, una molécula distinta del sustrato natural puede sintetizarse en el laboratorio; Es suficiente como el sustrato natural para reaccionar con la enzima.
El uso de estos sustratos sintéticos ha sido valioso para comprender la acción enzimática. Sin embargo, hay que recordar que, en la célula viva, muchas enzimas son absolutamente específicas para los compuestos que se encuentran allí.
Todas las enzimas aisladas hasta ahora son específicas para el tipo de reacción química que catalizan, es decir, las oxidorreductasas no catalizan las reacciones de hidrolasa, y las hidrolasas no catalizan reacciones que implican oxidación y reducción. Por lo tanto, una enzima cataliza una reacción química específica, pero puede ser capaz de hacerlo en varios compuestos similares.
El mecanismo de acción enzimática
Una enzima atrae sustratos a su sitio activo, cataliza la reacción química por la cual se forman los productos, y luego permite que los productos se disocien (separados de la superficie de la enzima). La combinación formada por una enzima y sus sustratos se denomina complejo enzima-sustrato. Cuando intervienen dos sustratos y una enzima, el complejo se denomina complejo ternario; Un sustrato y una enzima se llaman complejos binarios.
Los sustratos son atraídos al sitio activo por fuerzas electrostáticas e hidrófobas, que se denominan enlaces no covalentes porque son atracciones físicas y no enlaces químicos.
Como ejemplo, supongamos que dos sustratos (S1 y S2) se unen al sitio activo de la enzima durante la etapa 1 y reaccionan para formar productos (P1 y P2) durante la etapa 2. Los productos se disocian de la superficie de la enzima en la etapa 3, liberando la enzima. La enzima, sin cambios por la reacción, es capaz de reaccionar con otras moléculas de sustrato de esta manera muchas veces por segundo para formar productos.
El paso en el que se produce la transformación química real es de gran interés y, aunque se sabe mucho sobre él, todavía no se entiende completamente. En general hay dos tipos de mecanismos enzimáticos, uno en el que se forma un intermediario covalente y otro en el que no se forma ninguno.
En el mecanismo mediante el cual un intermedio covalente, es decir, un intermedio con un enlace químico entre el sustrato y la enzima, forma un sustrato, B-X, por ejemplo, reacciona con el grupo N sobre la superficie de la enzima para formar un intermedio enzima B compuesto. El compuesto intermedio reacciona entonces con el segundo sustrato, Y, para formar los productos B-Y y X.
Muchas enzimas catalizan reacciones por este tipo de mecanismo. La acetilcolinesterasa se utiliza como un ejemplo específico en la secuencia descrita a continuación. Los dos sustratos (S1 y S2) para la acetilcolinesterasa son acetilcolina (es decir, B - X) y agua (Y). Después de que la acetilcolina (B-X) se une a la superficie de la enzima, se forma un enlace químico entre el resto acetil (B) de la acetilcolina y el grupo N (parte del aminoácido serina) sobre la superficie de la enzima.
El resultado de la formación de este enlace, llamado enlace acil-serina, es un producto, colina (X), y el compuesto intermedio enzima-B (un complejo acetil-enzima). La molécula de agua (Y) reacciona entonces con el enlace acil-serina para formar el segundo producto, ácido acético (B-Y), que se disocia de la enzima.
La acetilcolinesterasa se regenera y es de nuevo capaz de reaccionar con otra molécula de acetilcolina. Este tipo de reacción, que implica la formación de un compuesto intermedio sobre la superficie de la enzima, se denomina generalmente reacción de doble desplazamiento.
La sacarosa fosforilasa actúa de manera similar. El sustrato para la sacarosa fosforilasa es sacarosa, o glucosil-fructosa (B-X), y el grupo N en la superficie de la enzima es un grupo químico llamado grupo carboxilo (COOH). El compuesto intermedio de la enzima B, un compuesto de glucosil-carboxilo, reacciona con fosfato (Y) para formar glucosil-fosfato (B-Y). El otro producto (X) es fructosa.
En reacciones de doble desplazamiento, el intermedio covalente entre la enzima y el substrato influye aparentemente en la reacción para proceder más rápidamente. Debido a que la enzima no se altera al final de la reacción, funciona como un verdadero catalizador, aunque se altera temporalmente durante el proceso enzimático.
Aunque muchas enzimas forman un intermedio covalente, el mecanismo no es esencial para la catálisis. Un sustrato (Y) reacciona directamente con el segundo sustrato (X-B), en una reacción denominada de desplazamiento simple.
El resto B, que se transforma en la reacción química, está implicado en una sola reacción y no forma un enlace con un grupo sobre la superficie de la enzima. Por ejemplo, la enzima maltosa fosforilasa afecta directamente a los enlaces de los sustratos (B-X y X), que en este caso son maltosa (glucosilglucosa) y fosfato, para formar los productos, glucosa (X) y glucosilfosfato (B -Y).
Intermedios covalentes entre parte de un sustrato y una enzima se producen en muchas reacciones enzimáticas, y varios aminoácidos-serina, cisteína, lisina y ácido glutámico están involucrados.
La velocidad de las reacciones enzimáticas
La hipótesis de Michaelis-Menten
Si la velocidad de una reacción enzimática se representa gráficamente en función de la concentración del sustrato (S), la curva obtenida en la mayoría de los casos es una hipérbola. La expresión matemática de esta curva, mostrada en la ecuación siguiente, fue desarrollada en 1912-13 por los bioquímicos alemanes Leonor Michaelis y Maud Leonora Menten. En la ecuación, VM es la velocidad máxima de la reacción, y KM se llama la constante de Michaelis,
La forma de la curva es una consecuencia lógica del concepto de sitio activo; Es decir, la curva se aplana a la velocidad máxima (VM), que se produce cuando todos los sitios activos de la enzima están llenos de sustrato. El hecho de que la velocidad se aproxima a un máximo a altas concentraciones de sustrato proporciona soporte para la suposición de que se forma un complejo enzima-sustrato intermedio.
En el punto de la mitad de la velocidad máxima, la concentración del sustrato en moles por litro (M) es igual a la constante de Michaelis, que es una medida aproximada de la afinidad de la molécula del sustrato para la superficie de la enzima.
Los valores de KM usualmente varían de aproximadamente 10-8 a 10-2 M, y VM de 105 a 109 moléculas de producto formadas por molécula de enzima por segundo. El valor para VM se denomina número de rotación cuando se expresa como moles de producto formado por mol de enzima por minuto. La unión de moléculas que inhiben o activan la superficie de la proteína, normalmente da como resultado tipos similares.
Las enzimas son más eficientes que los catalizadores hechos por seres humanos que operan en las mismas condiciones. Debido a que muchas enzimas con diferentes especificidades ocurren en una célula, existe espacio adecuado sólo para unas pocas moléculas de enzima que catalizan una reacción específica.
Cada enzima, por lo tanto, debe ser muy eficiente. Una molécula de la enzima catalasa, por ejemplo, puede producir 1012 moléculas de oxígeno por segundo. Los grupos catalíticos en el sitio activo de una enzima actúan de 106 a 109 veces más eficazmente que los grupos análogos en una reacción no enzimática.
La razón de la gran eficacia de las enzimas no se entiende completamente. Resulta en parte del posicionamiento preciso de los sustratos y de los grupos catalíticos en el sitio activo, lo que sirve para aumentar la probabilidad de colisión entre los átomos que reaccionan.
Además, el entorno en el sitio activo puede ser favorable para la reacción, es decir, los grupos ácidos y básicos pueden actuar conjuntamente más eficazmente allí, o puede inducirse cierta cepa en las moléculas del sustrato de manera que sus enlaces se rompan más fácilmente, La orientación de los sustratos que reaccionan puede ser óptima en la superficie de la enzima. Las teorías que se han formulado para dar cuenta de la alta eficiencia catalítica de las enzimas, aunque razonables, todavía quedan por demostrar.
Inhibición de enzimas
Algunas moléculas muy similares al sustrato de una enzima pueden estar unidas al sitio activo pero no pueden reaccionar. Tales moléculas cubren el sitio activo y de este modo impiden la unión del sustrato real al sitio. Esta inhibición de la acción enzimática es de naturaleza competitiva, porque la molécula inhibidora compite realmente con el sustrato para el sitio activo.
El inhibidor sulfanilamida, por ejemplo, es suficientemente similar a un sustrato (ácido p-aminobenzoico) de una enzima implicada en el metabolismo del ácido fólico que se une a la enzima pero no puede reaccionar. Cubre el sitio activo e impide la unión del ácido p-aminobenzoico.
Esta enzima es esencial en ciertas bacterias que causan enfermedades, pero no es esencial para los seres humanos; Grandes cantidades de sulfanilamida matan al microorganismo pero no dañan a los humanos. Los inhibidores tales como la sulfanilamida se llaman antimetabolitos. Sulfanilamida y compuestos similares que matan a un patógeno sin dañar a su huésped son ampliamente utilizados en la quimioterapia.
Algunos inhibidores previenen o bloquean la acción enzimática reaccionando con grupos en el sitio activo. El fluorofosfato de diisopropilo de gas nervioso, por ejemplo, reacciona con la serina en el sitio activo de acetilcolinesterasa para formar un enlace covalente.
La molécula de gas nervioso implicada en la formación de enlaces impide que el sitio activo se una al sustrato, acetilcolina, bloqueando así la catálisis y la acción nerviosa. El ácido yodoacético bloquea de manera similar una enzima clave en la acción muscular formando un grupo voluminoso sobre el aminoácido cisteína, que se encuentra en el sitio activo de la enzima. Este proceso se llama inhibición irreversible.
Algunos inhibidores modifican los aminoácidos distintos de los del sitio activo, dando como resultado la pérdida de actividad enzimática. El inhibidor provoca cambios en la forma del sitio activo. Sin embargo, algunos aminoácidos distintos de los del sitio activo pueden modificarse sin afectar a la estructura del sitio activo; En estos casos, la acción enzimática no se ve afectada.
Tales cambios químicos son paralelos a las mutaciones naturales. Enfermedades hereditarias frecuentemente resultan de un cambio en un aminoácido en el sitio activo de una enzima, haciendo así la enzima defectuosa. En algunos casos, un cambio de aminoácido altera la forma del sitio activo en la medida en que ya no puede reaccionar; Tales enfermedades suelen ser fatales. En otros, sin embargo, se forma una enzima parcialmente defectuosa, y un individuo puede estar muy enfermo pero capaz de vivir.
Efectos de la temperatura
Las enzimas funcionan de manera más eficiente dentro de un rango de temperatura fisiológica. Dado que las enzimas son moléculas de proteínas, pueden ser destruidas por altas temperaturas.
Un ejemplo de tal destrucción, denominada desnaturalización de proteínas, es el cuajado de la leche cuando se hierve. El aumento de la temperatura tiene dos efectos sobre una enzima: primero, la velocidad de la reacción aumenta algo, porque la velocidad de las reacciones químicas tiende a aumentar con la temperatura; Y, segundo, la enzima está cada vez más desnaturalizada.
El aumento de la temperatura, por lo tanto, aumenta la tasa metabólica sólo dentro de un rango limitado. Si la temperatura llega a ser demasiado alta, la desnaturalización enzimática destruye la vida. Las bajas temperaturas también cambian las formas de las enzimas. Con las enzimas que son sensibles al frío, el cambio causa pérdida de actividad. Tanto el frío excesivo como el calor son por lo tanto perjudiciales para las enzimas.
El grado de acidez o basicidad de una solución, que se expresa como pH, también afecta a las enzimas. A medida que cambia la acidez de una solución, es decir, se altera el pH, se produce un punto de acidez óptima, en el que la enzima actúa con mayor eficacia. Aunque este pH óptimo varía con la temperatura y está influenciado por otros constituyentes de la solución que contiene la enzima, es una propiedad característica de las enzimas.
Debido a que las enzimas son sensibles a los cambios en la acidez, la mayoría de los sistemas vivos están altamente tamponados; Es decir, tienen mecanismos que les permiten mantener una acidez constante. Este nivel de acidez, o pH, es de aproximadamente 7 en la mayoría de los organismos. Algunas bacterias funcionan bajo condiciones moderadamente ácidas o básicas; Y la enzima digestiva pepsina actúa en el medio ácido del estómago.
Flexibilidad enzimática y control alostérico
La teoría del ajuste inducido
La hipótesis de la cerradura de llave (véase más arriba La naturaleza de las reacciones catalizadas por enzimas) no tiene plenamente en cuenta la acción enzimática; Es decir, ciertas propiedades de las enzimas no pueden ser explicadas por la simple relación entre la enzima y el sustrato propuesto por la hipótesis de cerradura de llave.
Una teoría llamada teoría de ajuste inducido retiene la idea de bloqueo de llave de un ajuste del sustrato en el sitio activo, pero postula además que el sustrato debe hacer algo más que encajar simplemente en la forma ya preformada de un sitio activo.
Más bien, según la teoría, la unión del sustrato a la enzima debe causar un cambio en la forma de la enzima que da como resultado la alineación apropiada de los grupos catalíticos en su superficie. Este concepto ha sido comparado con el ajuste de una mano en un guante, la mano (sustrato) induciendo un cambio en la forma del guante (enzima).
Aunque algunas enzimas parecen funcionar de acuerdo con la antigua hipótesis de bloqueo de teclas, la mayoría aparentemente funciona de acuerdo con la teoría de ajuste inducido.
Típicamente, el sustrato se aproxima a la superficie de la enzima e induce un cambio en su forma que da como resultado la alineación correcta de los grupos catalíticos. En el caso de la enzima digestiva carboxipeptidasa, por ejemplo, la unión del sustrato hace que una molécula de tirosina en el sitio activo se mueva tanto como 15 angstroms.
Los grupos catalíticos en el sitio activo reaccionan con el sustrato para formar productos. Los productos se separan de la superficie de la enzima, y la enzima es capaz de repetir la secuencia. Las moléculas de no sustancia que son demasiado voluminosas o demasiado pequeñas alteran la forma de la enzima de manera que se produce un desalineamiento de los grupos catalíticos; Tales moléculas no son capaces de reaccionar incluso si son atraídas hacia el sitio activo.
La teoría del ajuste inducido explica una serie de propiedades anómalas de las enzimas. Un ejemplo es "inhibición no competitiva", en la que un compuesto inhibe la reacción de una enzima pero no evita la unión del sustrato. En este caso, el compuesto inhibidor atrae al grupo de unión de manera que el grupo catalítico está demasiado alejado del sustrato para reaccionar.
El sitio en el que el inhibidor se une a la enzima no es el sitio activo y se llama un sitio alostérico. El inhibidor cambia la forma del sitio activo para evitar la catálisis sin impedir la unión del sustrato.
Un inhibidor también puede distorsionar el sitio activo afectando al grupo de unión esencial; Como resultado, la enzima ya no puede atraer el sustrato. Una molécula llamada activadora afecta al sitio activo de modo que una molécula de no sustrato está adecuadamente alineada y por lo tanto puede reaccionar con la enzima. Tales activadores pueden afectar tanto a los grupos de unión como a los grupos catalíticos en el sitio activo.
La flexibilidad enzimática es extremadamente importante porque proporciona un mecanismo para regular la actividad enzimática. La orientación en el sitio activo puede ser interrumpida por la unión de un inhibidor en un sitio distinto del sitio activo. Además, la enzima puede ser activada por moléculas que inducen una alineación adecuada del sitio activo para un sustrato que por sí solo no puede inducir esta alineación.
Como se mencionó anteriormente, los sitios que se unen a los inhibidores y activadores se llaman sitios alostéricos para distinguirlos de los sitios activos. Los sitios alostéricos son de hecho sitios reguladores capaces de activar o inhibir la actividad enzimática influyendo en la forma de la enzima.
Cuando el activador o inhibidor se disocia de la enzima, vuelve a su forma normal. Por lo tanto, la flexibilidad de la estructura proteica permite el funcionamiento de un sistema de control simple, reversible similar a un termostato.
Tipos de control alostérico
El control alostérico puede funcionar de muchas maneras; Dos ejemplos sirven para ilustrar algunos efectos generales. Una vía que consta de diez enzimas está implicada en la síntesis del aminoácido histidina. Cuando una célula contiene suficiente histidina, la síntesis se detiene, una economía apropiada se mueve por la célula.
La síntesis se detiene por la inhibición de la primera enzima en la vía por el producto, la histidina. La inhibición de una enzima por un producto se llama inhibición de retroalimentación; Es decir, un producto muchos pasos eliminados de una enzima inicial bloquea su acción. La inhibición de la retroalimentación ocurre en muchas vías en todos los seres vivos.
El control alostérico también puede lograrse mediante activadores. La hormona adrenalina (epinefrina) actúa de esta manera. Cuando se necesita energía, la adrenalina se libera y activa, mediante activación alostérica, la enzima adenil ciclasa. Esta enzima cataliza una reacción en la que el compuesto monofosfato de adenosina cíclico (AMP cíclico) se forma a partir de ATP.
El AMP cíclico a su vez actúa como un activador alostérico de enzimas que aceleran el metabolismo de los hidratos de carbono para producir energía. Este tipo de regulación alostérica también está muy extendida en sistemas biológicos. Por lo tanto, una combinación de activación e inhibición alostérica permite la producción de energía o materiales cuando son necesarios y apaga la producción cuando el suministro es adecuado.
El control alostérico es un método rápido de regular los productos que los seres vivos necesitan continuamente. Sin embargo, algunas células no tienen necesidad de ciertas enzimas, y sería inútil para la célula para sintetizarlos. En este caso, ciertas moléculas, llamadas represores, impiden la síntesis de enzimas innecesarias.
Los represores son proteínas que se unen al ADN e impiden el primer paso en el proceso que resulta en la síntesis de proteínas. Si se añaden ciertos metabolitos a las células que necesitan una enzima, se produce la síntesis enzimática, es decir, se induce.
La adición de galactosa a un medio de crecimiento que contiene bacterias de Escherichia coli, por ejemplo, induce la síntesis de la enzima beta-galactosidasa. Las bacterias pueden sintetizar esta enzima metabolizadora de galactosa cuando es necesaria y evitar su síntesis cuando no es así. La forma en que la síntesis de enzimas es inducida o reprimida en sistemas de mamíferos es menos comprendida, pero se cree que es similar.
Diferentes tipos de células en organismos complejos tienen diferentes enzimas, a pesar de que tienen el mismo contenido de ADN. Las enzimas realmente sintetizadas son las que se necesitan en una célula específica y varían no sólo para diferentes tipos de células (por ejemplo, nervio, músculo, ojo y células de la piel), sino también para diferentes especies.
En una enzima que consiste en varias subunidades o cadenas, la alteración en la forma de una cadena como resultado de la influencia de una molécula de sustrato o de inhibidores o activadores alostéricos puede cambiar la forma de una cadena vecina. Como resultado, la unión de una segunda molécula de sustrato ocurre de una manera diferente de la unión de la primera, y la tercera es diferente de la segunda.
Este fenómeno, llamado cooperatividad, es característico de las enzimas alostéricas. La cooperación se refleja en una curva sigmoide, en comparación con la curva hiperbólica de Michaelis-Menten. Una enzima de varias subunidades que exhibe cooperatividad es mucho más sensible a los mecanismos de control que una enzima de una subunidad y por lo tanto un sitio activo.
El primer ejemplo de cooperatividad se observó en la hemoglobina, que no es una enzima, pero se comporta como una de muchas maneras. La absorción de oxígeno en los pulmones y su deposición en los tejidos es mucho más eficiente porque las subunidades de la hemoglobina muestran una cooperatividad positiva, llamada así porque la primera molécula de sustrato hace más fácil para el siguiente ligar.
La cooperatividad negativa, en la cual la unión de una molécula hace que sea menos fácil para la siguiente unión, también ocurre en los seres vivos. La cooperatividad negativa hace que una enzima sea menos sensible a las fluctuaciones en las concentraciones de metabolitos y puede ser importante para las enzimas que deben estar presentes en la célula a niveles relativamente constantes de actividad.
Algunas enzimas son agregados estrechamente asociados de varias unidades enzimáticas; El sistema piruvato deshidrogenasa, por ejemplo, contiene cinco enzimas diferentes, tiene un peso molecular total de 4.000.000 y consta de cuatro tipos diferentes de cadenas. Aparentemente, las enzimas en las células pueden organizarse formando unidades complejas, siendo absorbidas en una pared celular o aisladas por membranas en compartimentos especiales.
Dado que una vía implica la modificación gradual de compuestos químicos, las agregaciones de las enzimas en una vía dada facilitan su función de una manera similar a una línea de montaje industrial.
Referencia: https://www.britannica.com/science/protein/Enzymes