E N Z I M A S

ENZIMAS
Concepto
Los enzimas son los catalizadores de las
reacciones bioquímicas, esto es, sustancias que
favorecen dichas reacciones al disminuir la
energía de activación (aquella que debemos
suministrar a los reactivos para que se inicié una
reacción química. Se ampliará más adelante).
Se trata de proteínas globulares que hacen
posibles las reacciones bioquímicas, a una
velocidad adecuada, en las condiciones de
temperatura habituales en el interior de los seres
vivos.
Como todo catalizador, los enzimas no se
consumen en el proceso por lo que se reutilizan,
de ahí que se requieran en muy baja cantidad.
Estructura
Todos los enzimas son de naturaleza proteica y de tipo globular.
(La única excepción a esta regla está representada por cierto tipo de ARN que presenta actividad enzimática) .
Puesto que son proteínas, los enzimas pueden pertenecer a uno de los dos tipos que hemos estudiado:
- Proteínas puras (holoproteínas formadas sólo por aminoácidos).
- Proteínas conjugadas (heteroproteínas), en cuyo caso están formadas por una fracción proteica
(apoenzima) y otra fracción no proteica (cofactor).
La unión apoenzima + cofactor origina el holoenzima, que es la molécula funcionalmente activa.
1. Apoenzima: Proteína globular que da al enzima su forma tridimensional, constituida por 3 clases de
aminoácidos, desde el punto de vista funcional:
- Aminoácidos estructurales: Dan la conformación espacial al enzima pero no intervienen directamente en
la reacción.
- Aminoácidos de fijación (~): Sobre sus radicales se adhiere el sustrato1 mediante enlaces no covalentes.
- Aminoácidos catalizadores (~): Responsables directos de la reacción desestabilizando los enlaces del
sustrato (actúan en los casos en que no interviene un cofactor).
÷ (~) CENTRO ACTIVO.- Es una zona fundamental de toda enzima, en la cual se produce un acoplamiento
mutuo entre enzima y sustrato (a la manera de una llave y su cerradura o, más bien, una mano y un guante 2) y se lleva a cabo la
reacción o transformación de aquel. El centro activo está formado por los aminoácidos de fijación y catalizadores.
NOTA: Es fundamental que el enzima mantenga su configuración espacial para que el sustrato encaje en el centro activo. Una subida de temperatura,
cambio de pH o salinidad, etc. puede provocar la desnaturalización del enzima y la pérdida de su funcionalidad.
2. Cofactor: Sustancia no proteica, de naturaleza química diversa, que se une al apoenzima para dar el
holoenzima o molécula funcional.
- Pueden ser sustancias de tipo catiónico: Ca++, Mg++, Mn++, Cu++, Zn++. . .
- Con frecuencia son moléculas orgánicas más o menos complejas, en cuyo caso se les llama coenzimas, en
su mayoría son derivadas de las vitaminas, de ahí la importancia de éstas en nuestra dieta.
Ejemplos de coenzimas son: NAD (derivado de la vitamina PP = Ac. nicotínico), el FAD (procedente de la
vitamina B2 = riboflavina), Coenzima-A, el ATP V , etc. (Se ampliará más tarde).
El coenzima se suele alterar durante la reacción (ej. NAD ÷ NAD.2H), pero se regenera más tarde, en otros procesos.
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(1) Sustrato es la sustancia sobre la cual actúa el enzima, provocando diversas transformaciones según los casos.
(2) Se comentará más adelante.
1
Propiedades generales. Especificidad.
A) Las enzimas tienen ciertas características comunes a cualquier catalizador químico:
• Aumentan la velocidad de las reacciones (hasta varios millones de veces) sin necesidad de emplear grandes
cantidades de energía. Para ello, hacen disminuir la energía de activación de las reacciones, de modo que sean
compatibles con las temperaturas de los organismos. En las gráficas se puede observar la diferencia entre la
energía requerida en una reacción, sin catalizador y en presencia de éste.
• No se modifican en el transcurso de la reacción, es decir, se recuperan intactas una vez terminada la misma,
por lo que se requieren en pequeñísimas cantidades.
B) Otras características exclusivas de los catalizadores biológicos son, de modo resumido:
• Presentan especificidad, tanto para reconocer a la sustancia sobre la que actúan (sustrato) como por el tipo
de reacción que catalizan. Se ampliará a continuación.
• Su actividad catalítica puede ser regulada por ciertos mecanismos de las células, que permiten adecuar la
velocidad de las reacciones del metabolismo y adaptarla a las necesidades de cada momento, de modo que
resulten ordenadas, tanto temporal como espacialmente, pues suceden en determinados compartimentos
celulares.
Especificidad enzimática. Tipos. Causas
Como se ha comentado, una de las principales características de las enzimas es su alta especificidad, la cual
se puede considerar en dos sentidos: respecto al sustrato y respecto a la reacción:
a) Especificidad de sustrato.- Consiste en que los enzimas pueden catalizar la transformación de un sustrato
concreto (especificidad absoluta) o una familia de sustratos relacionados estructuralmente (especificidad relativa).
Así por ejemplo, la maltasa intestinal cataliza la hidrólisis de la maltosa, exclusivamente, mientras que las lipasas hidrolizan diversos triglicéridos.
La especificidad relativa de algunas enzimas puede ser muy útil en algunos casos clínicos, por ejemplo, en pacientes intoxicados con metanol:
El metanol se oxida en el hígado para favorecer su eliminación, pero se transforma en productos muy tóxicos para el organismo, como formaldehído y acido fórmico.
En el tratamiento se utiliza etanol ya que la enzima que cataliza la oxidación del metanol puede unirse a cualquiera de los dos alcoholes (especificidad relativa), pero
tiene bastante más afinidad por el etanol, cuya oxidación no ocasiona los tóxicos mencionados.
b) Especificidad de reacción.- Consiste en que cada enzima cataliza una sola de las posibles reacciones que
puede experimentar un substrato. P.ej.- Un determinado aminoácido puede sufrir una descarboxilación (desprender CO 2), una desaminación
(perder el -NH 2) o una oxidación. Cada reacción será catalizada por un enzima diferente (una descarboxilasa, una transaminasa o una oxidasa,
respectivamente).
La especificidad de las enzimas depende de las características del centro activo, región del enzima donde
se une el sustrato y donde ocurren las transformaciones del mismo.
La unión enzima-substrato, y la transformación que experimenta éste, dependen esencialmente de los diferentes
radicales de los aminoácidos constituyentes y/o relacionados con el centro activo:
a) Los aminoácidos estructurales que forman el “esqueleto peptídico” y proporcionan la conformación apropiada
del centro activo para el encaje del sustrato.
b) Los radicales de los aminoácidos de fijación que retienen y “obligan” al substrato a adoptar la orientación
apropiada para la reacción.
c) Los radicales de los aminoácidos catalíticos, responsables de crear las tensiones necesarias para la ruptura
de enlaces del sustrato y la formación de otros nuevos (transformándolo en producto/s).
Respecto a la especificidad enzima-substrato destacamos dos teorías . . .
- Modelo de «la llave y la cerradura».- Teoría propuesta en 1890 por Emil Fischer, compara el acoplamiento del
sustrato al centro activo con el que existe entre una llave y su cerradura. Se considera esencialmente correcta,
pero utiliza un símil demasiado “rígido”.
- Modelo de «la mano y el guante».- Postulada por Daniel E. Koshland Jr. en 1958 y conocido también como
teoría del «ajuste o acoplamiento inducido»: Está comprobado que en muchos enzimas el centro activo es
capaz de modificar su forma para adaptarse al sustrato. Sería algo semejante a la introducción de una mano en
un guante. La propia mano (que en esta comparación equivale al sustrato) hace que el guante (equivalente al
centro activo de la enzima) se adapte mejor cuando se introduce en él.
2
MECANISMO DE LAS REACCIONES ENZIMÁTICAS
ENERGÍA DE ACTIVACIÓN
Cualquier reacción química se inicia con la rotura de ciertos enlaces entre los átomos que constituyen las
moléculas de los reactivos para formar, posteriormente, los nuevos enlaces que originan las moléculas de los
productos.
Ese estado en el que los enlaces de los reactivos
están debilitados o rotos, pero aún no se han
formado los nuevos, se conoce como estado de
transición o estado activado.
Para alcanzar el estado de transición y, en
definitiva, para que la reacción química tenga
lugar, es preciso comunicar a los reactivos cierta
cantidad de energía, denominada energía de
activación.
Esto ocurre tanto en las reacciones endotérmicas como en las exotérmicas.
En las llamadas reacciones espontáneas, la energía de activación
es tan baja que se obtiene de la propia energía cinética de las
moléculas o incluso de la luz que incide en el lugar de reacción.
En las reacciones no espontáneas, sin embargo, esta energía es
tan alta que no se producen si no se aplica calor.
Los catalizadores realizan su acción favoreciendo la aproximación entre las moléculas de los reactivos, pero
no actúan como tales, por lo que no se consumen, únicamente ayudan a que se produzca la reacción.
La acción catalizadora de las enzimas consiste en rebajar la energía de activación para llegar fácilmente
al estado de transición y permitir que la reacción se lleve a cabo. En los seres vivos, sin la presencia del
catalizador no es posible alcanzar el estado de transición espontáneamente, y con él, sí es posible.
Todas las reacciones metabólicas (salvo alguna excepción) son catalizadas por enzimas.
FASES DE UNA REACCIÓN ENZIMÁTICA
Cuando un sustrato se encuentra con la enzima correspondiente, la reacción se produce en tres etapas:
1) FORMACIÓN del COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO.- En primer lugar, el sustrato se une al centro activo
del apoenzima formando el complejo enzima-sustrato (ES). Esta unión se caracteriza por un alto grado de
especificidad, de modo que para cada tipo de sustrato (y de reacción) se necesita una enzima concreta.
La especificidad enzima-sustrato se debe a la estructura proteica de la apoenzima, la cual determina una forma
espacial característica del centro activo, donde se acopla el sustrato.
Los radicales de los aminoácidos de fijación se unen a éste mediante enlaces débiles, no covalentes, favoreciendo la orientación apropiada del sustrato para la reacción.
Cualquier cambio que se produzca en la forma del centro activo impedirá el acoplamiento.
Como se ha comentado anteriormente, dicho acoplamiento se ha comparado con el que existe entre una llave y su cerradura o, más exactamente, entre
la mano y el guante, es decir, sólo es posible si los salientes y entrantes de uno y otro encajan perfectamente.
La unión es reversible, es decir, una parte del complejo enzima-sustrato (ES) se disocia: E + S W ES, por lo que
esta primera etapa es la más lenta.
2) MODIFICACIÓN del SUSTRATO.- Una vez formado el complejo enzima-sustrato, el cofactor (o, los
aminoácidos catalíticos, cuando no existe éste) consigue debilitar los enlaces del sustrato provocando cambios
energéticos que permiten alcanzar el estado de transición. Seguidamente, se lleva a cabo la reacción, con la
creación de nuevos enlaces, y se obtiene el complejo enzima-producto (EP). Esta etapa es rápida y e
irreversible: ES ÷ EP.
3) DISOCIACIÓN del COMPLEJO ENZIMA-PRODUCTO.- El producto se libera del centro activo y la apoenzima
queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato.
3
REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Las reacciones enzim áticas constituyen la clave de la actividad vital de las células.
Dado que las necesidades celulares son cam biantes, la velocidad de las reacciones enzim áticas debe variar de acuerdo con
ellas por lo que se hace necesaria una regulación de la actividad enzim ática, es decir, se deben m antener activas las enzim as
precisas en cada m om ento, evitandose gastos innecesarios de energía así com o la fabricación excesiva de productos cuya
acum ulación podría llegar a ser perjudicial para la célula.
La tem peratura y el pH afectan a dicha actividad, pero no suelen cam biar de form a apreciable en m edios fisiológicos. Existen
otros m ecanism os de regulación com o los llam ados efectores: activadores e inhibidores.
ACTIVADORES
Son sustancias que se unen a determ inados enzim as, que normalm ente se mantienen inactivas, activándolas y perm itiéndoles
realizar su acción.
Tales sustancias hacen que la configuración espacial del centro activo sea óptim a para el acoplam iento del sustrato. Pueden
ser cationes, m oléculas orgánicas, otro enzim a y , en ocasiones, el propio sustrato cuya presencia activa al enzim a que
cataliza su m etabolism o.
(Por lo general, a diferencia de los cofactores, los activadores se unen al enzim a en un lugar distinto del centro activo, a veces
provocan la aparición de éste).
Dibujo.÷
INHIBIDORES
Los inhibidores son sustancias que dism inuyen o anulan la actividad de enzim as que habitualm ente están activas. Al igual
que en el caso anterior, pueden ser cationes, m oléculas orgánicas y, con frecuencia, el producto final de la reacción, o de
una serie de reacciones. En este últim o caso, el enzim a deja de actuar cuando no se necesita m ás cantidad de producto y
es él quien la inhibe. Se conoce com o inhibición feed-back o retroinhibición.
Esquem a.-
4
÷ Según la duración del efecto inhibidor, la inhibición puede ser:
- Irreversible.- Se produce cuando
el inhibidor, que se denom ina
«veneno m etabólico», se une covalentem ente a la enzim a alterando su
estructura e inutilizándola de form a
perm anente.
- Reversible.- Es m ás com ún. En
este caso, la unión del inhibidor con la
enzim a se realiza por enlaces no
covalentes (puentes de hidrógeno,
iónicos, etc.) m ás fáciles de rom per.
La enzim a vuelve a tener actividad
una vez elim inada la sustancia
inhibidora.
÷ Según el lugar de unión a la enzim a se diferencian dos tipos de inhibición reversible: com petitiva y no com petitiva.
- Inhibición competitiva.
En ella, el inhibidor presenta una form a espacial sim ilar al sustrato y se une al centro activo im pidiendo, por tanto, la unión
del sustrato, por lo que la reacción no se lleva a cabo.
A estos inhibidores se les llam a análogos m etabólicos (Algunos antibióticos, com o la penicilina, actúan de esta m anera).
- Inhibición no competitiva.
El inhibidor no com pite con el sustrato, sino que se une en otra zona de la enzim a distinta del centro activo. Esta unión puede
m odificar la estructura de la enzim a dificultando el acoplam iento del sustrato. En ocasiones, el inhibidor se une al com plejo
enzim a-sustrato, una vez creado éste, e im pide la posterior form ación del producto.
MECANISMOS PARA AUMENTAR LA EFICACIA ENZIMÁTICA
Los procesos m etabólicos que tienen lugar en los seres vivos se com ponen generalm ente de secuencias de reacciones
encadenadas que constituyen las llam adas rutas m etabólicas, de tal form a que el producto final de una reacción es el sustrato
de la siguiente. Estas rutas pueden ser largas, por lo que el tiem po necesario para llevarlas a cabo sería elevado.
Para que las reacciones se produzcan de una form a óptim a, existen diversos m ecanism os que perm iten aum entar la eficacia
de la acción enzim ática, entre los que destacarem os los siguientes:
÷ Compartimentación celular.- Las enzimas implicadas en algunos procesos metabólicos importantes se
localizan juntas en estructuras membranosas (orgánulos celulares) del citoplasma celular, donde se encuentran
en mayor concentración que si estuvieran dispersas por el citoplasma. De esta forma, se asegura la consecución
del proceso y el mantenimiento de unas condiciones ambientales de pH, de concentración de iones, etc.,
adecuadas para la actividad enzimática.
÷ Complejos multienzimáticos. - Son agrupaciones de enzimas (proteínas con estructura cuaternaria) que
catalizan reacciones consecutivas, pertenecientes a una ruta metabólica determinada. Actuar en un complejo
único, les permite realizar el proceso completo con gran rapidez: cuando se obtiene el producto de una reacción,
éste actúa como sustrato de la reacción siguiente. Al estar en contacto varios enzimas, se favorece el acceso
inmediato de dicho sustrato al centro activo de la enzima correspondiente.
( Un ejemplo clásico de complejo multienzimático es el de la piruvato deshidrogenasa que descarboxila, oxida y activa el ácido pirúvico para formar
acetil-CoA, que ingresará en el ciclo de Krebs).
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CINÉTICA ENZIMÁTICA
La cinética enzimática estudia las variaciones en la velocidad de las reacciones catalizadas por los enzimas.
Puesto que una característica muy importante de las enzimas es que regulan la velocidad de las reacciones
biológicas, el estudio de los factores que la modifican es de gran interés.
Entre ellos están algunos de los que afectan a la actividad de cualquier proteína (temperatura, pH...), mientras
que otros son exclusivos de las enzimas. Citaremos los siguientes:
• La concentración de sustrato, al aumentar, favorece la
actividad enzimática, dado que aumentan los encuentros
entre enzima y sustrato. En un principio, la velocidad de la
reacción crece proporcionalmente a la [S], ya que existen
muchas moléculas de enzima libres. Pero llega un momento
en que V permanece constante aunque se aumente la [S],
debido a que todos los centros activos están ocupados.
Se dice, entonces, que se ha producido un efecto de
saturación de la enzima por el sustrato (ver... 9 ÷ ).
L Constante de Michaelis-Menten (KM )
En 1913, el bioquímico alemán L.Michaelis y la médica canadiense M.L.Menten formularon una ecuación matemática que relaciona la velocidad de
reacción y la [S]. En dicha ecuación aparece el término K M, denominado “constante de Michaelis-Menten”.
La K M es una característica constante de cada enzima: se interpreta como un indicador de la “afinidad entre un enzima y su sustrato” y equivale a
la concentración de sustrato a la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima de reacción. Una K M baja indica que la enzima presenta una gran
afinidad por el sustrato, el cual realiza un perfecto acoplamiento en el centro activo, difícilmente se desprenderá de éste sin transformarse en producto
(hecho frecuente en estas reacciones) y, aún en concentraciones muy bajas, se alcanzará con facilidad la velocidad máxima de reacción.
• La temperatura aumenta la movilidad y la energía de las
moléculas y favorece los encuentros entre enzima y sustrato
por lo que, en principio, produce un aumento de la velocidad
de reacción, hasta alcanzar un valor máximo a una determinada temperatura, que llamamos “óptima”.
A partir de ésta, disminuye la actividad, pues la excesiva
movilidad dificulta el acoplamiento enzima-sustrato.
Si la temperatura sigue aumentando, la actividad enzimática
desaparece por desnaturalización de la proteína. ÷ ÷
• El pH influye de forma parecida, ya que hay un valor óptimo
de pH, propio de cada enzima, en torno al cual la actividad
enzimática es máxima, debido a que en esa situación la
conformación y el grado de ionización de los radicales del
centro activo son los apropiados para reconocer y transformar
al sustrato.
La mayoría de las enzimas tienen su pH óptimo próximo a la
neutralidad. Puesto que son proteínas, con valores extremos
de pH se puede producir la desnaturalización. ÷ ÷
(No obstante hay algunas excepciones, como enzimas digestivas, p.ej. la
pepsina gástrica actúa a pH=2, la tripsina del intestino requiere un pH=8).
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