Enzimas: Catalizadores Biológicos Esenciales
Las enzimas son macromoléculas, principalmente proteínas altamente especializadas, que actúan como catalizadores biológicos. Son muy específicas con respecto a sus sustratos y funcionan en solución acuosa bajo condiciones limitadas de temperatura y pH. La actividad enzimática depende de la integridad de su conformación.
Cofactores y Coenzimas
Los cofactores pueden ser iones inorgánicos como Fe2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+, etc. Aproximadamente un tercio de las enzimas conocidas requieren cofactores para su actividad. Cuando el cofactor es una molécula orgánica pequeña, se denomina coenzima. Muchas coenzimas se sintetizan a partir de vitaminas.
Ejemplos de coenzimas y sus funciones:
- Tiamina pirofosfato: Transferencia de aldehídos (derivada de la vitamina B1)
- FAD: Transferencia de electrones en reacciones de óxido-reducción (derivada de la vitamina B2)
- NAD+: Transferencia de átomos de hidrógeno en reacciones de óxido-reducción (derivada de la niacina)
- Coenzima A: Transferencia de grupos acilo (derivada del ácido pantoténico)
- Piridoxal fosfato: Transferencia de grupos amino (-NH2) (derivada de la vitamina B6)
- Biotina: Transferencia de CO2
Nomenclatura Enzimática
Nombre Sistemático: Se forma combinando el sustrato preferente, el tipo de reacción catalizada y la terminación ‘-asa’.
Código de la Comisión Enzimática (EC): Cada enzima se identifica con un código numérico precedido por las letras ‘EC’, seguido de cuatro números separados por puntos. El primer número indica la clase principal de la enzima, el segundo se refiere a la subclase, y el tercero y cuarto especifican los grupos químicos involucrados en la reacción.
Clasificación de las Enzimas
Las enzimas se clasifican en seis clases principales:
- Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de transferencia de electrones (iones hidruro o átomos de hidrógeno).
- Transferasas: Catalizan la transferencia de grupos funcionales.
- Hidrolasas: Catalizan reacciones de hidrólisis.
- Liasas: Catalizan la adición de grupos a dobles enlaces o la formación de dobles enlaces.
- Isomerasas: Catalizan la transferencia de grupos dentro de una misma molécula (isomerización).
- Ligasas: Catalizan la formación de enlaces (C-C, C-S, C-O, C-N) mediante reacciones acopladas a la hidrólisis de ATP.
Sitio Activo Enzimático
El sitio activo es la región de la enzima donde se une el sustrato y se lleva a cabo la catálisis. Consta de:
- Sitio de unión: Formado por los aminoácidos que están en contacto directo con el sustrato.
- Sitio catalítico: Formado por los aminoácidos directamente implicados en el mecanismo de la reacción.
Mecanismo de Acción Enzimática
Las reacciones químicas requieren que las moléculas de los reactivos choquen con una energía y orientación adecuadas. La enzima facilita este proceso al:
- Unir los reactivos (sustratos) a su sitio activo con una orientación óptima.
- Modificar las propiedades químicas del sustrato unido, debilitando los enlaces existentes y facilitando la formación de nuevos enlaces.
El comienzo de la reacción requiere un aporte inicial de energía, conocido como energía de activación (Ea). Cuanto menor es la Ea, más fácilmente transcurre la reacción.
Poder Catalítico y Especificidad
Los grupos funcionales catalíticos (cadenas laterales de los aminoácidos, iones o coenzimas) pueden formar enlaces covalentes transitorios con el sustrato, activándolo para la reacción, o transferir transitoriamente un grupo del sustrato a la enzima.
Estos grupos funcionales catalíticos colaboran en la ruptura o formación de enlaces mediante diversos mecanismos, incluyendo catálisis ácido-base general, catálisis covalente y catálisis por iones metálicos. Estas interacciones covalentes disminuyen la energía de activación al proporcionar una ruta alternativa de menor energía.
La energía requerida para disminuir la energía de activación proviene también de las interacciones débiles no covalentes entre sustrato y enzima, como puentes de hidrógeno, interacciones iónicas e hidrofóbicas. Cada interacción libera una pequeña cantidad de energía libre que estabiliza la interacción, denominada energía de fijación (ΔGB), siendo la principal fuente de energía libre para disminuir la energía de activación de las reacciones.
Factores que Afectan la Actividad Enzimática
La actividad enzimática se ve influenciada por varios factores:
Concentración de la Enzima
La actividad enzimática es directamente proporcional a la concentración de la enzima, manteniendo constantes los demás factores ambientales (temperatura y pH).
Concentración del Sustrato
La cantidad de sustrato presente ([S]) es un factor clave que afecta la velocidad de una reacción catalizada por una enzima.
Constante de Michaelis-Menten (Km)
Km es una relación de constantes de velocidad para una determinada reacción. Representa la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima (Vmax). Si Km = [S], la ecuación de Michaelis-Menten se reduce a: v = Vmax/2.
Constante Catalítica (kcat)
Cuando hay varios pasos en una reacción y uno de ellos es limitante, se utiliza la constante catalítica (kcat). kcat es equivalente al número de moléculas de sustrato convertidas en producto por unidad de tiempo por una sola molécula de enzima cuando está saturada con el sustrato.
Constante de Especificidad (kcat/Km)
La constante de especificidad (kcat/Km) permite comparar la eficiencia de una enzima con diferentes sustratos. Un valor cercano al límite de difusión (108 – 109 M-1s-1) indica que la enzima ha alcanzado la perfección catalítica.
Temperatura
En las reacciones catalizadas por enzimas, los aumentos de temperatura aceleran las reacciones. Sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta temperatura, las enzimas comienzan a desnaturalizarse por el calor. La temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima se llama temperatura óptima.
pH
Las enzimas poseen grupos químicos ionizables (carboxilos -COOH, amino -NH2, tiol -SH, etc.) en las cadenas laterales de sus aminoácidos. Según el pH del medio, estos grupos pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o neutra. Como la conformación de las proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pH en el cual la conformación será la más adecuada para la actividad catalítica. Este es el llamado pH óptimo.
Inhibición Enzimática
Los inhibidores enzimáticos son moléculas que disminuyen la velocidad de una reacción catalizada por una enzima. Se clasifican en:
Inhibidores Irreversibles
- Forman uniones covalentes con la enzima.
- Se unen de manera irreversible al sitio activo de la enzima.
- Muchos son sustancias tóxicas naturales o sintéticas, como el cianuro, el sarín y la penicilina.
Inhibidores Reversibles
- Forman uniones no covalentes con la enzima.
- Pueden unirse al sitio activo de la enzima o a otro sitio, dejando libre el sitio activo.
- Se clasifican en:
- Competitivos
- No competitivos
Regulación Enzimática
La regulación enzimática es crucial para el control de las rutas metabólicas. Los mecanismos de regulación incluyen:
Control a Nivel de Sustrato
La regulación enzimática se produce mediante la interacción directa de los sustratos y los productos de cada reacción catalizada enzimáticamente con la propia enzima. Sin embargo, este control no es suficiente para la regulación de muchas rutas metabólicas.
Inhibición por Retroalimentación
En las rutas metabólicas, el producto final de la vía suele inhibir a las enzimas que intervienen en los primeros pasos, actuando como retroalimentación negativa.
Moduladores Alostéricos
- Este tipo de regulación ocurre solo en las enzimas alostéricas, que generalmente tienen estructura cuaternaria y, además del sitio activo, poseen otros sitios capaces de reconocer efectores o moduladores, denominados sitios alostéricos.
- Las enzimas alostéricas son proteínas con múltiples subunidades y múltiples lugares activos (sitios activos y sitios alostéricos).
- Presentan cooperatividad de unión del sustrato (homoalosterismo) y regulación de su actividad por otras moléculas efectoras (heteroalosterismo).
- La principal ventaja del control alostérico se encuentra en los efectores heteroalostéricos, que pueden ser inhibidores o activadores.
- Los moduladores alostéricos se fijan de forma no covalente a las enzimas que regulan.
Modificación Covalente
- Algunas enzimas están totalmente inactivas hasta que se produce una modificación covalente.
- La enzima se une covalentemente a algún grupo químico, activándose o inactivándose.
- El grupo que más frecuentemente interviene en este tipo de regulación es el grupo fosfato (P) (fosforilación y desfosforilación).
- Otro tipo de activación enzimática covalente es la ruptura proteolítica.
- Ejemplos de enzimas reguladas por ruptura proteolítica son la tripsina, quimotripsina, la elastasa y la carboxipeptidasa.
- Todas se sintetizan en el páncreas en su forma inactiva, moléculas ligeramente más grandes, catalíticamente inactivas, denominadas zimógenos.
- Los zimógenos deben romperse proteolíticamente en el intestino para producir las enzimas activas.
- Estas enzimas se degradan tras haber cumplido sus fines, por lo que no ponen en peligro el tejido intestinal.
Regulación Genética
- Involucra el control a nivel del ADN.
- El ADN es la molécula que almacena la información para la síntesis de proteínas de acuerdo al siguiente flujo de información: ADN → ARNm (transcripción) → Proteína (traducción).
- Si se impide el paso de ADN a ARNm (transcripción), se impide la síntesis de la enzima y, por ende, no se catalizará la reacción en la que dicha enzima interviene.