BIOCATALIZADORES

BIOCATALIZADORES
Introducción: Concepto de enzima, naturaleza y propiedades.
La función de un catalizador es rebajar la energía de activación de una reacción.
Aunque una reacción determinada sea exergónica, desprenda energía en su balance
global, no se produce expontaneamente, por ejemplo la reacción entre el oxígeno y el
hidrógeno para formar agua es fuertemente exergónica, sin embargo no se produce
expontaneamente; la combustión de una cerilla es una reacción exergónica pero necesita
ser activada por el roce del sustrato con una superficie rugosa que hace aumentar la
temperatura momentaneamente.
Los reactivos para llegar a reaccionar necesitan aumentar su energía interna y
comenzar a vibrar las moléculas para llegar al estado activado y reaccionar, después si la
reacción es exergónica rendirá la energía aportada para la activación más la energía de la
reacción; si es endergónica, no llegará a desprender la energía aplicada para activar la
reacción y por tanto el balance será netamente negativo.
Un catalizador es una molécula que al ponerse en contacto con los reactivos facilita su
reactividad rebajando la energía necesaria para activarlos, sin reaccionar él mismo.
En las reacciones inorgánicas los catalizadores son inespecíficos, sin embargo en las
reacciones biológicas los catalizadores son específicos de cada reacción y se llaman
biocatalizadores. Los enzimas son biocatalizadores por excelencia. Las enzimas tienen
estructura proteica pura o forman un complejo llamado holoenzima formado por una
molécula proteica llamada en este caso apoenzima y otra parte no proteica llamada
coenzima, esta puede ser un ión mineral o una molécula orgánica de distinta naturaleza,
entre las que se encuentran las vitaminas, que no pueden ser sintetizadas por el
organismo y han de ser ingeridas con la dieta (en el caso de que el coenzima sea un ión
mineral suele recibir el nombre de cofactor en lugar de llamarse coenzima).
Tanto la coenzima como la apoenzima son inactivas si no están formando la
holoenzima.
Especificidad. Como ya he dicho las enzimas son específicas para un sustrato
determinado, pero el rango de especificidad puede variar:
Absoluta cuando un enzima sólo actúa sobre un sustrato, ejemplo la ureasa sólo actúa
descomponiendo la urea.
Completa de grupo, cuando la enzima es específica para cierto enlace y para un grupo
de moléculas que mediante él se unen, ejemplo la hexoquinasa fosforila cualquier hexosa
en el carbono 6.
Relativa de clase; actúan con mayor actividad sobre un grupo de moléculas pero
también actúan en otros, ejemplo la lipasa que actúa rompiendo los enlaces ésteres de
las grasas pero puede actuar sobre otro tipo de lípidos.
Estereoquímica, Cuando solo actúan sobre isómeros de la serie L o D pero nunca en
ambos, ejemplo cualquier activadora de aminoácidos (Aminoacil-ARNttransferasas) que
solo actúa en el isómero L de un aminoácido en concreto. como veremos al estudiar el
tema de genética molecular hay una enzima para activar cada aminoácido.
Nomenclatura:
Las enzimas tienen un nombre sistemático científico con el que aparecen en las
publicaciones, en el que se menciona el sustrato y el tipo de reacción que cataliza
terminado en -asa, más un número de cuatro cifras que las identifica en las tablas;
ejemplo ATPcreatínfosfotranferasa, su número de clasificación es EC.2.7.3.2., estas
enzimas además tienen nombres recomendados más cortos, en concreto esta es la
creatín-quinasa. La comisión de enzimas las divide en seis clases con sus subclases, de
esta manera se hace la clasificación numérica.
1. Oxidoreductasas. Son enzimas que catalizan oxidorreducciones, son las
responsables de la producción de energía, estas oxidoreducciones pueden realizarse por
transferencia de electrones o por unión a un agente oxidante.
2. Transferasas. Transfieren radicales específicos de un sustrato a otro, por ejemplo las
fosfotransferasas, su número de clasificación siempre empieza por 2, en el caso de las
fosfotransferasas son 2.7.X.X. los otros dos números identifican al sustrato.
3. Hidrolasas catalizan la ruptura de un sustrato con introducción de una molécula de
agua.
4. Liasas. Rotura de dobles enlaces, quedando un único enlace entre dos carbonos.
5. Isomerasas Catalizan diferentes tipos de isomerización, por ejemplo la fructosa6Pisomerasa que transforma glucosa6P en fructosa6P.
6. Ligasas formación de enlaces por escisión de ATP, son las sintetasas.
Modo de acción de las enzimas. Cinética enzimática.
Modelos de acción. Debido a su alta especificidad se propuso el modelo llave-cerradura
en el que se supone que el sustrato encaja en un centro activo de la estructura del
enzima como una llave en una cerradura, como modelo de aproximación se acepto, pero
al descubrirse enzimas de menor especificidad, como las completas de grupo, el modelo
se ha transformado por otro más moderno llamado modelo inducido donde el sustrato al
contactar con el centro activo del enzima interacciona con él transformando su estructura
terciaria hasta que el enzima se adapta al sustrato que se le ha unido.
Cinética enzimática.
La velocidad de las reacciones catalizadas está controlada por la cantidad de enzima y
por la cantidad de sustrato. Al variar la concentración de sustrato para la misma
concentración de enzima se observó que la velocidad aumentaba casi directamente
proporcional al aumento del sustrato, hasta llegar a un punto en que ese incremento era
menor y si continuábamos aumentando el sustrato el incremento en la velocidad es nulo,
la enzima no puede trabajar más deprisa, este fenómeno se denomina saturación. Fue
observado por Michaelis y Menten en 1913 y de el dedujeron que se tenía que formar un
complejo enzima sustrato cuya velocidad de escisión en enzima + producto controlaba la
velocidad de la reacción con sustrato en exceso.
La hipótesis de Michaelis-Menten es que la catálisis se produce en dos fases:
E+S ES  E+P.
Cada una de estas fases tiene una constante de equilibrio, cuando hay poco sustrato la
primera reacción se realiza deprisa y la velocidad global de la reacción es directamente
proporcional a la concentración de sustrato, cuando el enzima está saturada, por más
sustrato que añadamos la velocidad será constante (incremento 0) ya que no depende de
la concentración de sustrato sino de la constante de equilibrio de la escisión del complejo
enzima sustrato. Operando con las ecuaciones de equilibrio se dedujo la K m (constante
de Michaelis-Menten) que se mide en moles/litro y su significado biológico es la
concentración de sustrato necesario para que la velocidad sea la mitad de la máxima, o lo
que es lo mismo, la cantidad de sustrato necesaria para saturar el 50% de la enzima total,
la constante es válida para unas condiciones de pH y temperatura determinadas.
Una enzima con constante alta, tiene poca afinidad por el sustrato (se necesita mucho
sustrato para que se una al enzima), una enzima con constante baja es muy afín al
sustrato.
La validez de un enzima viene determinada por su K m y por su vmax si el enzima es muy
afín por el sustrato, o sea la constante es baja, pero la velocidad es también baja la
enzima es menos válida que una menos afín pero que trabaje más deprisa.
Series isoenzimáticas. En algunas ocasiones hay varias enzimas diferentes para una
misma reacción, localizadas en diferentes partes del organismo, a este conjunto de
enzimas se le llama isoenzimas, cada una tiene unas características diferentes que le
hacen idónea en el lugar donde actúa, en el libro de anaya tenéis el ejemplo de la lactato
deshidrogenasa, una actúa en los músculos estriados produciendo energía muy deprisa
pero en poco espacio de tiempo, tiene una velocidad máxima muy alta y no necesita una
constante demasiado baja, otra actúa en el músculo cardíaco produciendo una cantidad
constante de energía durante toda la vida, necesita mucha afinidad por el sustrato
aunque la velocidad no sea tan alta.
Regulación de la cinética enzimática.
Además de los factores intrínsecos de las concentraciones de enzima y sustrato hay
otros factores que afectan a la velocidad de los enzimas.
Temperatura. Se ha demostrado que en general, en cualquier reacción, catalizada o
no, aumenta la velocidad el doble al aumentar 10 la temperatura, a este fenómeno se le
llama factor Q10, ocurre por que al aumentar la temperatura aumenta la energía cinética
de las partículas reaccionantes, pero las enzimas tienen un óptimo de temperatura
después del cual la actividad desciende rápidamente hasta anularse, esto es debido a la
estructura proteica del enzima, que a altas temperaturas se desnaturaliza
irreversiblemente.
pH. Las proteínas y por tanto las enzimas son moléculas anfóteras, que pueden
comportarse como ácidos en pH básico y como bases en pH ácido, esta propiedad hace
que la proteína sea más activa en un punto determinado de la escala de pH en la que
consigue la estructura más idónea.
Además de estos factores puramente fisicoquímicos, hay factores biológicos que
modifican la cinética enzimática.
Inhibidores. Hay sustancias que se unen al enzima impidiendo su actividad por tres
causas principalmente.
Inhibidores competitivos, tienen una estructura similar al sustrato y compiten
con el por el centro activo, de esta manera aumentan la K m, la velocidad
máxima no varía pero se necesita más sustrato para saturar al enzima.
Inhibidores no competitivos, no compiten con el sustrato por el centro activo,
se unen al enzima o al complejo enzima-sustrato modificando su actividad,
se detectan por que disminuye la velocidad máxima de la reacción.
Inhibidores acompetitivos , se unen al enzima alterándolo de forma que
pierde su afinidad por el sustrato (aumenta la K m) y disminuyen la velocidad
de la reacción.
Venenos. Son sustancias que desnaturalizan de forma irreversible la estructura del
enzima, suelen ser disoluciones salinas.
Hasta ahora hemos visto factores externos al organismo que pueden alterar la
actividad enzimática, pero además se puede estudiar factores naturales que regulan
constantemente la actividad de la mayoría de los enzimas:
Inductores e inhibidores Feed-back. En una ruta metabólica, el producto final se une a
una enzima del principio de la ruta en un centro diferente del activo, llamado centro
alostérico, reduciendo su actividad, de esta forma ningún metabolito se produce en
exceso, cuando aumenta la concentración del producto final éste actúa como inhibidor
feed-back de la ruta; Los enzimas que se regulan de esta forma se llaman enzimas
alostéricos, son muy importantes en las rutas de síntesis de aminoácidos debido a la
economía del nitrógeno. También pueden existir activadores alostéricos que al unirse al
enzima aumentan su actividad.
Enzimas alostéricas son la fosfofructoquinasa, al comienzo de la glucolisis, ruta de
degradación de los monosacáridos, es inhibida por el ATP, el citrato y los ácidos grasos
de cadena larga, es estimulada por el AMP y la Ribulosa1-5 difosfato carboxilasa la
primera enzima del ciclo de Calvin (ruta de entrada del CO 2 de la atmósfera a los
vegetales) está regulada por la fructosa 1-6 difosfato.
Regulación por moduladores covalentes. Se dan casos en los que un enzima se
puede encontrar en forma inactiva y necesita de otro enzima para ser transformado en
enzima activa, es el caso de la adrenalina, al unirse al receptor en la membrana de la
célula activa la adenilato ciclasa que produce AMP cíclico, este convierte la proteínquinasa inactiva en activa, la proteín-quinasa, activa a la glucógeno forforilasa que una
vez activada fosforila el último resto de glucosa que se desprende en forma de glucosa
6P y entra en la ruta glucolítica.
En el libro en el tema de enzimas hay un capítulo dedicado a vitaminas, las vitaminas
son coenzimas particulares ya que han de ser ingeridos con la dieta al no poder formarlos
el organismo, pero no son los únicos coenzimas, conviene leerlo prestando atención a la
clasificación de las vitaminas en hidrosolubles y liposolubles, También habla un poco de
hormonas, en algunas ocasiones se pueden considerar a las hormonas como
biocatalizadores, pero generalmente las hormonas no se unen a ningún sustrato para
transformarlo, de forma que en los libros más modernos ya no son consideradas como
biocatalizadores, sino como reguladores químicos.