Las enzimas, \fuerza vital - UAM-I

Las enzimas, \fuerza vital"
E n r iqu e Ca n c h o la y a Jo s ¶e A n t o n io P lie g o G.
D e p a r t a m e n t o d e B io lo g ¶ ³a d e la R e p r o d u c c i¶o n y aCie n c ia s d e la S a lu d . U A M{ I.
En la actualidad las enzimas est¶an muy de moda, las
encontramos en todos lados: en los alimentos, en las
medicinas, en los detergentes y en los productos de
belleza.
mo expresiones de la fermentaci¶
on y una interpretaci¶
on ¯los¶
o¯ca de lo que es la vida.
La fermentaci¶
on responsable de la transformaci¶on
milagrosa se utiliz¶
o tambi¶en para elaborar quesos y
curtir pieles, situaci¶
on que reforz¶
o la b¶
usqueda de
la <piedra ¯losofal> capaz de transformar cualquier metal en oro, ¶esta b¶
usqueda result¶
o infructuosa lo mismo que la de la fuente de la eterna juventud. Aunque los qu¶³micos de aquellos tiempos llamados \alquimistas"con sus revolucionarios aparatos de destilaci¶
on, consiguieron identi¯car al alcohol
como resultante de la fermentaci¶
on y con ello aclarar que la fermentaci¶
on no es un proceso de maduraci¶
on o de envejecimiento.
La humanidad ha utilizado a las enzimas desde tiempos inmemoriales en in¯nidad de procesos que en
alg¶
un momento fueron considerados milagrosos y sin
conocer siquiera su existencia, como hasta ahora, en
que realmente pocos humanos tienen una idea clara de lo que son las tan citadas enzimas.
Procesos como el transformar el simple zumo de uvas
o de cereales en un l¶³quido cuya degustaci¶on produce sensaciones placenteras o bien la fabricaci¶
on de algunos productos alimenticios como el pan, son viejos conocidos de la humanidad. Durante la elaboraci¶
on del vino y la cerveza los antiguos hab¶³an observado la producci¶on de calor y de peque~
nas burbujas que ascend¶³an a la super¯cie, formando una turbiedad ¯na y nebulosa; Desde esos tiempos se relacion¶
o la substancia responsable de la turbiedad con
la fermentaci¶on y se le design¶o con el nombre de levadura ( del lat¶³n levare = levantar).
A pesar de las aportaciones de los alquimistas, las
hip¶
otesis acerca de como se llevaba a cabo la fermentaci¶
on discrepaban considerablemente. As¶³ por
ejemplo en 1839 el qu¶³mico alem¶
an Justus von Liebig (1803{1873) propuso la teor¶³a de que eran las vibraciones producidas por la degradaci¶
on de la levadura las que produc¶³an el alcohol. El anatomista y ¯si¶
ologo alem¶
an Theodor Schwann (1810{1882)
y Charles Cagniard{Latour (1777{1859), investigador franc¶es, publicaron por las mismas fechas, pero
en forma independiente, sus resultados sobre el estudio microsc¶
opico de la fermentaci¶
on, reportando que
las levaduras eran organismos vivos y que de sus funciones metab¶
olicas depend¶³a la transformaci¶on de alcohol. Esta a¯rmaci¶
on sobre las levaduras se opon¶³a
radicalmente a la concepci¶
on del fen¶
omeno que se
ten¶³a en ese momento, por lo que fue totalmente rechazada, teniendo que transcurrir m¶
as de un cuarto de siglo hasta que el gran cient¶³¯co franc¶es Louis
Pasteur (1822{1895), considerado el padre la Microbiolog¶³a y la Inmunolog¶³a, retomara esta idea y con¯rmara los hallazgos de Theodor Schwann y Charles Cagniard{Latour sobre la producci¶
on del alcohol
por seres vivos (levaduras).
Aun con el hallazgo y prestigio de Louis Pasteur,
Justus von Liebig cuya forma de pensar era la de
un qu¶³mico, no modi¯c¶
o su propuesta y defend¶³a
en forma apasionada que la transformaci¶
on de alcohol no la realizaba el organismo propiamente dicho, sino una substancia liberada por estas c¶elulas.
En aquella ¶epoca se pensaba tambi¶en que el secreto de la vida y la diferencia fundamental con
el mundo inanimado se deb¶³a a una \fuerza vital"que comprend¶³a la \maduraci¶on"y \envejecimiento"lleg¶
andose a considerar a estos procesos co17
18
La cuesti¶
on no era trivial ya que era decisivo saber si dicha substancia conservaba o no su poder
de transformaci¶
on tras la desaparici¶on de la levadura viva. Justus von Liebig debi¶o tener una raz¶
on
de peso para pensar en forma distinta a Louis Pasteur y probablemente esa raz¶on era el conocimiento de los hallazgos previos que sobre ciertas substancias transformadoras hab¶³a realizado su compatriota Theodor Schwann y los f¶³sicos Ren¶e{Antonie Ferchault de Reaumur y Lazzaro Spallanzani franc¶es e
italiano respectivamente, adem¶as de que probablemente conoc¶³a tambi¶en la declaraci¶on del qu¶³mico
sueco JÄ
ons Jakob Berzelius (1779{1848), m¶axima autoridad de la qu¶³mica en la primera mitad del siglo
XIX qui¶en creo la nomenclatura qu¶³mica que perdura hasta nuestros d¶³as y que en el a~
no de 1836
hab¶³a introducido el concepto de \catalizadoro enzima escribiendo: \Tenemos motivos justi¯cados para creer que en las plantas y los animales vivos se desarrollan miles de procesos catal¶³ticos entre tejidos
y l¶³quidos, que dan lugar a toda la gama de diferentes descomposiciones. Quiz¶a descubramos en un futuro el poder catal¶³tico del tejido org¶anico que forma los ¶
organos del organismo vivo". Aunque el termino enzima (del Griego en dentro + zym¶ee fermento) fue propuesto por el ¯si¶ologo alem¶an Wilhelm KÄ
uhne (1837{1900) quien hizo estudios sobre
el jugo pancre¶
atico, aisl¶o de la tripsina y sugiri¶
o que
la palabra fermento deber¶³a restringirse a las substancias que afectan reacciones qu¶³micas relacionadas con la vida.
Los descubrimientos sobre las enzimas est¶an ¶³ntimamente relacionados con el estudio de la digesti¶
on. Antes del cient¶³¯co franc¶es Ren¶e{Antonie Ferchault de Reaumur (1683{1757) se pensaba que el
est¶
omago trituraba los alimentos, hasta que el mismo demostr¶
o con estudios m¶as detallados sobre la
digesti¶
on, la acci¶on del jugo g¶astrico sobre la carne, fen¶
omeno que le llev¶o a pensar que era un proceso qu¶³mico realizado por alguna substancia secretada por las c¶elulas del estomago la responsable de la
degradaci¶
on de la carne y no un proceso meramente mec¶
anico como se cre¶³a anteriormente.
A~
nos despu¶es Lazzaro Spallanzani (1729{1799) jesuita y f¶³sico italiano, bas¶andose en el descubrimiento de Ren¶e{Antonie Ferchault de Reaumur, estudi¶
o
a fondo la funci¶on del est¶omago de las aves rapaces. Para lo cual desarroll¶o una t¶ecnica que garantizaba la supervivencia de sus ¶aguilas y milanos. Dejando que las aves rapaces deglutieran una c¶
apsula
met¶
alica similar a un colador de t¶e, en cuyo interior
se encontraba un pedazo de carne. Poco tiempo despu¶es, los animales regurgitaban la c¶apsula met¶
alica
intacta, pero el pedazo de carne hab¶³a desaparecido. Spallanzani estaba seguro que el ¶acido clorh¶³drico
ContactoS 30, 17{20 (1998)
del jugo g¶
astrico descompon¶³a la carne pero, nunca pens¶
o que esa degradaci¶
on pudiera ser producto de enzimas estomacales. Siendo hasta el a~
no de
1836 en que Theodor Schwann hallar¶³a la explicaci¶
on correcta, cuando descubri¶
o en el jugo g¶
astrico
un \fermento"que separa los elementos de la carne y
dio a este fermento el nombre de \pepsina", del griego pepsis = digesti¶
on.
Sin embargo a nadie se le ocurri¶
o pensar que los
conocimientos sobre la fermentaci¶
on y la digesti¶on
podr¶³an encerrar el secreto de la vida. Fue el qu¶³mico
Moritz Traube (1826{1894) quien por primera vez
formul¶
o la hip¶
otesis de que deber¶³an existir substancias capaces de regular la velocidad de las reacciones metab¶
olicas en los seres vivos. En los a~
nos siguientes, se consigui¶
o ¯nalmente, aislar diversos fermentos a partir de c¶elulas vivas y con ello se reforz¶
o el concepto de \fuerza vital"de las enzimas, lo
cual result¶
o un parte aguas en el desarrollo de la bioqu¶³mica moderna.
Como se mencion¶
o anteriormente, Berzelius ya hab¶³a
descubierto el principio general de las enzimas y su
importancia en los procesos de la vida, sin embargo,
quedaban dos apasionantes cap¶³tulos por resolver,
que son el de la estructura y el del mecanismo de
acci¶
on de las enzimas.
Estructura y naturaleza de las enzimas
Las fermentaciones eran consideradas por casi todos
los investigadores de la ¶epoca, desde Schwann hasta Pasteur, como las transformaciones de la materia
m¶
as elemental t¶³picamente biol¶
ogicas, que requer¶³an
necesariamente la presencia y actividad de \fermentos organizados", esto es, de min¶
usculos seres vivientes, las levaduras. Frente a ellos, Berzelius, Liebig y
Claude Bernard, ¯si¶
ologo franc¶es (1813{1878) sosten¶³an que las acciones fermentativas eran puramente qu¶³micas y del todo semejantes a las que bajo el
nombre de \cat¶
alisis"pod¶³an llevarse a cabo en los
sistemas inorg¶
anicos. Sin embargo no fue una discusi¶
on ganada por ninguna de las partes. Siendo hasta el descubrimiento realizado por Eduard BÄ
uchner
qu¶³mico alem¶
an (1860{1917), que se resuelve el problema en 1897 obteniendo anh¶³drido carb¶
onico y alcohol a partir de la fermentaci¶
on de jugo de frutas libre de contaminaci¶
on bacteriana. Demostrando con
esto que la fermentaci¶
on y la vida no eran inseparables como se pensaba hasta entonces. Tan pronto como Eduard BÄ
uchner logra demostrar, contra la tesis de Pasteur, que no son microbios necesariamente
los responsables de las fermentaciones, surgi¶
o la inquietud de saber cual ser¶³a la naturaleza de los llamados \fermentos"por la vieja escuela iatroqu¶³mica,
para quienes todos los procesos vitales son de nauchner
turaleza qu¶³mica, \zimasaso levaduras por BÄ
Las enzimas, \fuerza vital". Enrique Canchola y Jos¶e Antonio Pliego G.
19
y \enzimas"por KÄ
uhne. El qu¶³mico Moritz Traube (1826{1894) sosten¶³a que las enzimas eran prote¶³nas; sin embargo Richard Willst~otter con gran autoridad, debido a que hab¶³a cristalizado y sintetizado la coca¶³na, se opuso a esta conjetura, impidiendo durante muchos a~
nos su aceptaci¶on.
La aceptaci¶
on de la naturaleza proteica de las enzimas se estableci¶o hasta que el bioqu¶³mico norteamericano James Batcheller Sumner (1887{1955) logra en 1926 aislar y cristalizar una enzima que induce la transformaci¶on de la urea en bi¶oxido de carbono y amoniaco a partir de un extracto del ejote o jud¶³a, a la cual llam¶o ureasa, y el tambi¶en bioqu¶³mico norteamericano John Howard Northrop en
1930 cristaliza la pepsina, enzima digestiva de las secreciones g¶
astricas, que rompe las prote¶³nas. En los
u
¶ltimos a~
nos, se han encontrado algunos ¶acidos ribonucleicos con actividad enzim¶atica, sin embargo es
v¶
alido decir que la naturaleza de las enzimas es proteica. Est¶
an formadas por una o varias cadenas de
amino¶
acidos, aunque Algunas, requieren de componentes adicionales, llamados cofactores, que generalmente son vitaminas o iones met¶alicos y reciben el
nombre de grupos prost¶eticos o coenzimas,
El complejo molecular formado por la enzima inactiva \apoenzima"+ su cofactor, recibe el nombre de
\holoenzima"que es la enzima activa.
Por u
¶ltimo la con¯rmaci¶on de las ideas de Berzelius y Liebig, que borr¶o para siempre la idea de que
exist¶³an dos qu¶³micas diferentes, una para los procesos inorg¶
anicos y otra para los procesos de los seres vivos, se debi¶o a lo siguiente:
Por un lado a los estudios de la qu¶³mica germano{
norteamericana Leonor Michaelis (1857{1945) y su
asistente L.M. Menten, quienes describieron con una
expresi¶
on matem¶atica la dependencia que tiene la velocidad de una reacci¶on catalizada por enzimas de la
concentraci¶
on de los reactantes (substratos en la nomenclatura de un sistema enzim¶atico) y por otro lado a los hallazgos del qu¶³mico sueco Svanto Arrhenius (1859{1927) que estudi¶o el efecto que tiene la temperatura sobre la velocidad de las reacciones qu¶³micas, y se pudo comprender que las enzimas disminuyen la energ¶³a necesaria para que reaccionen las substancias (energ¶³a de activaci¶
on).
Acci¶
on de las enzimas
En t¶erminos generales se podr¶³a hablar de dos tipos de enzimas: las relacionadas con el catabolismo que son las encargadas de desdoblar y degradar mol¶eculas para obtener energ¶³a (ATP) y las relacionadas con el anabolismo que unen y construyen las macromol¶eculas necesarias para la c¶elula.
La asombrosa velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas, se debe principalmente a dos factores descritos por Arrhenius. En primer lugar, las enzimas disminuyen considerablemente la energ¶³a de
activaci¶
on, necesaria para que las mol¶eculas reaccionen, y en segundo lugar las mol¶eculas reaccionantes,
se encuentran con la est¶ereo especi¯cidad adecuada para que siempre reaccionen correctamente, a diferencia de las mol¶eculas que chocan al azar fuera
del sitio catal¶³tico de la enzima (sitio activo).Las enzimas pueden tener un sitio activo en su interior, el
cual es est¶ereo espec¶³¯co para los substratos y cofactores,
Las enzimas para poder llevar a cabo su funci¶on en
los seres vivos se encuentran ligadas a diversas estructuras celulares: n¶
ucleo, mitocondria membranas o formando complejos macromoleculares relativamente libres.
Clasi¯caci¶
on
La clasi¯caci¶
on de las enzimas ha sido siempre problem¶
atica, inicialmente se empleaban nombres triviales y sencillos terminados en la s¶³laba <ina>. Con
el tiempo se acord¶
o adoptar internacionalmente una
clasi¯caci¶
on m¶
as sistem¶
atica, para lo cual se uni¶o al
nombre del substrato la s¶³laba ¯nal <asa>. Sin embargo, dado que diferentes enzimas pueden actuar
sobre el mismo substrato, esta clasi¯caci¶
on creaba
mucha confusi¶
on, Por lo que se estableci¶
o la Comisi¶
on de Expertos en Enzimas de la Uni¶
on Internacional de Bioqu¶³mica. Quienes las clasi¯caron de acuerdo a las reacciones que catalizan, en seis clases y adicionalmente se asigno un n¶
umero de cuatro cifras,
que informa sobre la clase de enzima, el tipo de substrato que modi¯ca (subclase) y algunos otros criterios especiales.
20
Regulaci¶
on Metab¶
olica
Las enzimas controlan la actividad de las v¶³as metab¶
olicas mediante los siguientes mecanismos generales:
a) Regulaci¶
on gen¶
etica.- que consiste en la regulaci¶
on de la transcripci¶on y traducci¶on de los genes (gen ! prote¶³na), lo que controla el n¶
umero
de copias de cada una de las enzimas regulables por este mecanismo.
b) Modi¯caci¶
on covalente (fosforilaci¶
on{desfosforilaci¶
on).- Existe un grupo signi¯cativo
de enzimas que pueden ser \prendidaso \apagadas"mediante la fosforilaci¶on y desfosforilaci¶
on. Algunas se prenden (activan) al ser fosforiladas y se apagan (inactivan) al ser desfosforiladas, mientras que otras funcionan de manera totalmente opuesta; cuando son fosforiladas se inactivan y al ser defosforiladas se activan.
c) Alosterismo.- Las enzimas alost¶ericas poseen
adem¶
as del sitio catal¶³tico (sitio activo) otros sitios (alost¶ericos) con a¯nidad por algunos de
los componentes mismos de la reacci¶on \sitios
alost¶ericos homotr¶opicoso por metabolitos de
otras v¶³as metab¶olicas o de otras reacciones de
la misma v¶³a metab¶olica \sitios alost¶ericos heterotr¶
opicos". Estas Enzimas, responden positiva
o negativamente a estos \efectoresaumentando o
disminuyendo su e¯ciencia catal¶³tica seg¶
un sea
requerido en la v¶³a metab¶olica a la cual pertenecen.
Enzimas de Escape
Las enzimas de escape, reciben este nombre debido a que cuando existe da~
no tisular son vertidas al
torrente sangu¶³neo, por lo que la actividad de este tipo de enz¶³mas aumentan en la sangre . Esto es
de gran utilidad en la cl¶³nica, ya que ayudan en el
diagn¶
ostico de padecimientos en los que se presenta la necrosis en diferentes ¶organos.
Algunos ejemplos ser¶³an el aumento de la actividad
en suero de las transaminasas glut¶amico{pir¶
uvica
(TGP) y glut¶
amico oxalac¶etica (TGO), que son indicativos de procesos de \escape de enzimas"del miocardio (coraz¶
on) o del h¶³gado. En el caso de la amilasa s¶erica, esta permite apoyar el diagn¶ostico de procesos in°amatorios del p¶ancreas; as¶³ como las fosfatasas, de las cuales la alcalina (pH al que tiene actividad ¶
optima) aumenta indicando problemas de raquitismo u osteomalasia, mientras que un aumento de la fosfatasa ¶acida de pr¶ostata esta relacionada con el carcinoma de este ¶organo.
ContactoS 30, 17{20 (1998)
Los tres ejemplos anteriores, ilustran claramente
la importancia de las enzimas de escape en el
diagn¶
ostico cl¶³nico.
Bibliograf¶³a
1. Fisher, E. H. Krebs, E. G. Convesion of phosphorylase b to phosphorilase a in muscle extrcts.
J. Biol. Chem. 216: 121{132; 1955.
2. Soderling, T. R. Role of hormones and protein
phosphorilation in metabolic regulation. Fed.
Proc. 31: 2615{2617; 1982.
3. Enciclopedia Biogr¶
a¯ca Universal: Los doce mil
grandes Vol. X Promexa 1982 M¶exico D, F.
4. La¶³n Entralgo P. Historia de la Medicina Salvat
Editores Barcelona Espa~
na 1988.
5. Boyer, Paul D., Lardy, H. & Myrback, K., The
Enzymes. Volume 1:1{48, Academic Press Inc.,
New York, 1959.
6. Voet,D & Voet Judith G., Biochemistry.
Chapter 12:
Introduction to Enzymes,
316{328.
Chapter 13:
Rates of Enzymatic Reactions, 329{354.
Chapter 14: Enzymatic Catalysis, 355{391.
7. Laguna, J. y Pi~
na, G.E. Bioqu¶³mica. La Prensa
M¶edica Mexicana. 3a ed. M¶exico, D.F.1979.
8. Hern¶
andez, A., Rojo, A., Sol¶³s, S. y Zubillaga,
R. Estructura de prote¶³nas Contactos Vol. IV,
No 1: 33{37; 1989
9. Branden, C. I. and Tooze, J. Introduction to
Protein structure, published by Garland, 1991.
cs