Enzimas: Estructura, Función y Cinética Enzimática

Introducción a las Enzimas

Las enzimas son moléculas (proteínas, a excepción de los ribozimas) con función catalizadora, es decir, regulan la velocidad de las reacciones químicas. Son biocatalizadores porque catalizan las reacciones metabólicas en las células.

Características de los Catalizadores

Todos los catalizadores tienen unas características comunes:

Aceleran la velocidad de las reacciones químicas.
Se recuperan inalterados tras haber intervenido en la reacción.
Intervienen en cantidades muy pequeñas frente a las sustancias reaccionantes.
No desplazan el equilibrio de la reacción, aunque sí consiguen que se alcance antes en el tiempo.

Características Específicas de las Enzimas

Pero las enzimas, por ser biocatalizadores, además poseen otras características:

Son específicos; en la mayoría de los casos, una enzima cataliza una única reacción.
Actúan en condiciones moderadas de pH y temperatura.
Poseen sistemas de control: su funcionalidad puede estar controlada de modo que puede estar activa o inactiva.

Mecanismo de Acción Enzimática

Requisitos para una Reacción Química

Para que tenga lugar cualquier reacción tiene que ocurrir que:

Que los reactivos (sustratos) colisionen.
Que la colisión molecular ocurra con una orientación adecuada.
Que los reactivos posean suficiente energía. Esta energía se llama energía de activación.

Las enzimas aumentan la velocidad de la reacción porque disminuyen la energía de activación, es decir, la energía necesaria para iniciar una reacción.

Estructura de las Enzimas

Exceptuando los ribozimas (constituidos por ARN), las enzimas son proteínas globulares, solubles en agua, que se difunden bien en los líquidos orgánicos y que pueden actuar a nivel intracelular o extracelular. Generalmente son grandes moléculas de proteína formadas por una o varias cadenas polipeptídicas. Según su estructura, se pueden distinguir dos tipos de enzimas:

Tipos de Enzimas según su Estructura

Enzimas estrictamente proteicas (holoproteínas).
Holoenzimas: están constituidas por una parte proteica llamada apoenzima, y por una parte no proteica indispensable para la reacción denominada cofactor.

Cofactores y Coenzimas

Estos cofactores pueden ser inorgánicos (Mg²⁺, Cu²⁺…) u orgánicos (NAD⁺, NADP⁺…). A estos últimos se les denomina coenzimas (ej. Co-A). Por tanto, si el cofactor es de naturaleza orgánica, se llama coenzima.

Las coenzimas se unen al apoenzima mediante enlaces débiles y de forma temporal, y actúan como dadores o receptores de grupos químicos, por lo que se modifican durante la reacción (a diferencia del apoenzima). Las coenzimas no suelen ser específicas de un solo tipo de apoenzima, sino que pueden unirse a muchos tipos y con funciones diferentes. Se pueden distinguir dos tipos de coenzimas:

Los de oxidación y reducción (NAD⁺, NADP⁺, FAD).
Los de transferencia (ATP).

Vitaminas y Coenzimas

Muchas coenzimas son vitaminas o presentan vitaminas en su estructura. Los animales no pueden sintetizarlas y han de ingerirlas en la dieta, ya en forma de vitaminas o de provitaminas. Se puede diferenciar entre vitaminas liposolubles, de naturaleza lipídica (vitaminas A, D, E y K) y vitaminas hidrosolubles, solubles en agua y, por lo tanto, que se difunden muy bien por la sangre (complejo B y vitamina C).

Grupos Prostéticos

Cuando los cofactores, en lugar de hallarse unidos débilmente al apoenzima, se encuentran fuertemente unidos a él, se denominan grupos prostéticos, como el grupo hemo de las enzimas citocromo-oxidasas.

El Centro Activo de la Enzima

La región de la enzima que se une al sustrato se denomina centro activo, y tiene las siguientes características:

Constituye una parte muy pequeña del volumen total de la enzima.
Tiene una estructura tridimensional en forma de hueco que facilita el encaje del sustrato.
Los radicales de algunos de los aminoácidos presentan afinidad química por el sustrato, por lo que lo atraen y establecen enlaces débiles con él.

Aminoácidos en la Cadena Polipeptídica

Así, en la cadena polipeptídica de una enzima se pueden distinguir tres tipos de aminoácidos:

Aminoácidos estructurales: son los más abundantes y los responsables de la forma de la enzima. No establecen enlaces químicos con el sustrato.
Aminoácidos de fijación: establecen enlaces débiles con el sustrato y lo fijan.
Aminoácidos catalizadores: son los que, al establecer enlaces (débiles o fuertes) con el sustrato, provocan la ruptura de alguno de sus enlaces y, por lo tanto, su transformación (llevan a cabo la reacción).

Los aminoácidos de fijación y los catalizadores son los que constituyen el centro activo de la enzima.

Mecanismo de Acción Enzimática (Detalle)

El conjunto de procesos a través de los cuales las enzimas catalizan las reacciones recibe el nombre de mecanismo de acción de la enzima, y depende de la composición y estructura de las enzimas, así como de la especificidad que presentan por el sustrato.

La enzima (E) actúa fijando el sustrato (S) en su superficie mediante enlaces débiles, formándose el llamado complejo enzima-sustrato (ES). Se generan así tensiones que debilitan los enlaces del sustrato, por lo que, para llegar al estado de transición del complejo enzima-sustrato, se requiere mucha menos energía que para llegar al estado de transición del sustrato solo. Finalizada la transformación, queda el complejo enzima-producto (EP) que se escinde liberando la enzima intacta y el producto (P).

S + E → ES → EP → E + P

La unión enzima-sustrato se caracteriza por ser específica y transitoria.

Especificidad Enzimática

La afinidad que tienen las enzimas por un sustrato se denomina especificidad y se debe a características del sustrato, del centro activo y de los cofactores.

Modelos de Unión Enzima-Sustrato

E. Fisher, en 1890, propuso el símil de «la llave (sustrato) y la cerradura (enzima)» para ilustrar la complementariedad enzima-sustrato. En la actualidad se ha visto que algunas enzimas, al establecer los enlaces con el sustrato, modifican la forma de sus centros activos para adaptarse mejor al sustrato, es decir, solamente son complementarias después de haberse unido a él; a esto se le denomina ajuste inducido. En estos casos, es más adecuado el símil de «como el guante (enzima) se adapta a la mano (sustrato)».

Niveles de Especificidad

Existen distintos niveles de especificidad:

Especificidad absoluta: se da cuando la enzima solo actúa sobre un sustrato concreto, e incluso es capaz de distinguir entre isómeros.
Especificidad de grupo: la enzima reconoce un determinado tipo de moléculas. Por ejemplo, la lipasa actúa sobre cualquier triglicérido.
Especificidad de clase: son las que realizan siempre una misma acción, independientemente del sustrato. Por ejemplo, las fosfatasas separan los grupos fosfato de cualquier tipo de molécula.

Cinética Enzimática

La cinética enzimática es el estudio de la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas y los factores que modifican esta velocidad.

La velocidad máxima que alcanza una reacción depende de la concentración de enzima (a más concentración de enzima, mayor es la velocidad, siendo dicha concentración constante a lo largo de la reacción) y la concentración de sustrato, que va variando a medida que se convierte en producto. Así, la concentración de sustrato es un factor muy importante en el estudio de la velocidad. Otros factores destacables son la temperatura, el pH y la presencia de inhibidores.

Efecto de la Concentración de Sustrato

En una reacción enzimática con una concentración de enzima constante, al incrementar la concentración del sustrato se produce un aumento de la velocidad de reacción, debido a que, al haber más moléculas de sustrato, se aumenta la probabilidad de encuentro entre sustrato y enzima.

De este modo, en la mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas, se puede describir una curva hiperbólica diferenciando tres partes:

En un primer momento, la velocidad aumenta de forma lineal con el incremento de la concentración de sustrato.
Un segundo tramo en el que el incremento de la concentración de sustrato produce un aumento mucho menor de la velocidad.
Si se va aumentando la concentración del sustrato, llega un momento en que la velocidad de reacción deja de crecer, es decir, se alcanza la velocidad máxima (V_máx), ya que todas las moléculas de enzima están formando el complejo enzima-sustrato (saturación de la enzima).

Constante de Michaelis-Menten (K_M)

A partir de este comportamiento se definió la constante de Michaelis-Menten (K_M), que es la concentración del sustrato a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima. Así, la K_M es una medida de la afinidad entre enzima y sustrato. Una K_M alta indica una baja afinidad entre sustrato y enzima, mientras que una K_M baja indica una gran afinidad.

La K_M es un valor específico de cada enzima para un sustrato concreto. Las enzimas que tienen más de un sustrato posible presentan un valor de K_M distinto para cada uno.

Efecto de la Temperatura

El aumento de la temperatura produce un incremento de la movilidad de las moléculas y aumenta la probabilidad de choques entre enzima y sustrato, además de favorecer la inestabilidad de los enlaces. De este modo, se ve favorecida la actividad enzimática, y la velocidad aumenta hasta alcanzar el valor máximo, que es la temperatura óptima.

Si la temperatura sigue aumentando, las enzimas pueden llegar a desnaturalizarse, perdiendo su estructura y, por tanto, su actividad biológica.

Efecto del pH

Las enzimas presentan dos valores límite de pH entre los cuales son eficaces. Traspasados estos valores, las enzimas se desnaturalizan y dejan de actuar. Entre ellos existe un pH óptimo en el que la enzima presenta su máxima eficacia. Este pH óptimo variará entre las distintas enzimas, pero lo más habitual es que se encuentre en torno a la neutralidad.

Los cambios de pH modifican el estado de ionización de los grupos funcionales, sobre todo los de la enzima. Por ello, pequeñas variaciones del pH producen cambios de velocidad notables.

Inhibición Enzimática

Los inhibidores son sustancias que disminuyen la actividad de una enzima, o que impiden completamente su actuación.

La inhibición puede ser de dos tipos: irreversible y reversible:

Irreversible o envenenamiento de la enzima: tiene lugar cuando el inhibidor se fija permanentemente al centro activo de la enzima, alterando su estructura y, por tanto, inutilizándolo.
Reversible: cuando impide temporalmente el funcionamiento normal de la enzima. Esta clase de inhibición puede ser competitiva o no competitiva:
- Competitiva: el inhibidor tiene una estructura semejante al sustrato, por lo que compiten para fijarse al centro activo de la enzima. Se desplazan uno al otro, por lo que el aumento de la concentración de uno, desplazará al otro.
- No competitiva: es debida a un inhibidor que, o se fija al complejo enzima-sustrato impidiendo su separación, o se une a la enzima libre impidiendo el acceso del sustrato al centro activo. Pero estos inhibidores nunca se unen en el centro activo, por lo que sustrato e inhibidor no se desplazan el uno al otro.