Son moléculas de naturaleza proteica especializadas en la catálisis de
las reacciones biológicas. Son biocatalizadores.
Para que las reacciones bioquímicas que se dan en los seres vivos se
produzcan en el laboratorio se precisan condiciones de alta temperatura u otras
condiciones que aporten la energía necesaria para dichas reacciones. Pero esa
elevación de la temperatura resultaría muy perjudicial para los seres vivos.
Las enzimas salvan ese obstáculo y actúan como catalizadores mucho más eficaces
que los catalizadores hechos por el hombre.
Todas las enzimas conocidas son proteínas de gran difusibilidad
en los medios líquidos del organismo. La mayoría son solubles en agua.
Atendiendo a la composición se distinguen 2 tipos de enzimas:
*Holoproteínas:
cuya molécula está constituida solamente por secuencias de aminoácidos. Poco
frecuentes. Ej.: la ribonucleasa y la lisozima.
*Heteroproteínas: cuya molécula
está formada por 2 componentes:
1) Uno de naturaleza proteica, llamado apoenzima.
Los aminoácidos que forman la apoenzima pueden
clasificarse en diversos grupos:
.No esenciales: no participan directa ni indirectamente en
el proceso catalítico, de forma que pueden ser eliminados de la cadena
polipeptídica sin que se pierda la actividad enzimática.
.Estructurales: que mantienen la estructura terciaria de la
proteína enzimática. No intervienen directamente en la catálisis, pero sí
indirectamente, pues determinan la posición del centro activo de la molécula.
.De unión o fijación: que sujetan la apoenzima
al sustrato y orientan la molécula de éste de tal manera que aproximan la parte
que ha de ser atacada por la enzima al sitio catalítico de ésta.
.Catalíticos: responsables directos de la actividad
enzimática, que forman el sitio catalítico o centro activo.
Los aminoácidos de fijación y los catalíticos forman el centro
activo de la apoenzima, que ocupa una pequeña
parte de la molécula de la apoenzima. El centro
activo (también llamado centro o sitio catalítico) es la parte de la enzima
que se adapta perfectamente al sustrato, debido a su forma espacial o
conformación, y que determina la especificidad de la enzima para su sustrato.
2) Otro no proteico (grupo prostético), llamado cofactor.
El cofactor puede ser un ión metálico, o bien una molécula orgánica de
bajo peso molecular llamada coenzima. Actualmente se sabe que las
coenzimas desarrollan su actividad enzimática cumpliendo alguna o algunas de
las siguientes funciones:
.Colaborar en el acoplamiento del sustrato al centro activo de la apoenzima.
.Servir como sitio adicional de fijación del sustrato.
.Participar directamente en el mecanismo catalítico, actuando de
forma análoga a los aminoácidos catalíticos del centro activo de la apoenzima.
El conjunto (apoenzima + cofactor),
catalíticamente activo, se denomina holoenzima.
La apoenzima separada del cofactor es catalíticamente
inactiva.
Además de los glúcidos, lípidos, proteínas y
ácidos nucleicos, las células vivas contienen también unas sustancias orgánicas
que actúan en cantidades mínimas y que denominamos vitaminas. La
importancia de estas sustancias se manifestó al comprobar que algunos
organismos no las pueden sintetizar y deben adquirirlas, por tanto, por vía
exógena. Las vitaminas -que, para su estudio, suelen clasificarse en dos
grandes grupos: liposolubles e hidrosolubles-, son componentes esenciales de
las coenzimas.
En la siguiente tabla aparecen las principales vitaminas, las
coenzimas de las que forman parte y las reacciones metabólicas específicas
catalizadas por las enzimas correspondientes.
1.8.2. Especificidad y mecanismo de acción
Una reacción química A===>B tiene lugar porque cierto número de
moléculas A se encuentran con la suficiente energía como para alcanzar un
estado activado, que denominamos estado de transición, en el que es muy
probable que se establezca o se rompa algún enlace químico y se forme entonces
el producto P.
La velocidad de una reacción será proporcional a la concentración de
moléculas en ese estado de transición. Por eso hay 2 métodos generales mediante
los cuales se puede acelerar la velocidad de una reacción química:
-Elevar la temperatura: pues se incrementa el nº de moléculas
capaces de alcanzar el estado de transición (en muchas reacciones químicas la
velocidad se duplica cada 10 ºC de aumento de la T).
-Añadir un catalizador: que se combina con los reaccionantes de forma transitoria y produce un estado de
transición con menor energía de activación. (Nota: la energía libre de activación
es la diferencia entre la energía libre -G- de 1 mol de sustancia en el estado
de transición y la de 1 mol de sustancia en el estado inicial).
Energía libre de activación (DG¹)
calculada para la descomposición
del peróxido de hidrógeno a 20
ºC. La catalasa acelera la v de la reacción más de 108veces.
CondicioneslogDG¹ (Kcal/mol)
Sin catalizar18
Catalizada con Pt coloidal13
Catalizada por catalasa7
Las enzimas aceleran la v de las reacciones por el segundo sistema.
Actúan como catalizadores al disminuir la energía de activación de las
sustancias reaccionantes.
En toda reacción enzimática intervienen dos elementos: por una parte,
la enzima; por otra, el sustrato (sustancia o sustancias que,
mediante una reacción catalizada por la enzima, se transformará en otro
producto o productos).
Cuando se forman los productos de la reacción se regenera el
catalizador libre.
a) Especificidad de
sustrato de las enzimas
Una de las propiedades más notables de las enzimas es su especificidad
de acción, por la que actúan sólo sobre determinados sustratos y producen sólo
un tipo de reacción (sin reacciones colaterales).
Si en una reacción de laboratorio el rendimiento fuese de un 90%,
podríamos darnos por satisfechos. Pero si esa reacción fuese el paso de una
secuencia de 10 etapas, cada una de las cuales tuviese un rendimiento del
90%,en el producto final sólo
recuperaríamos 1/3 del producto inicial. De no ser por la especificidad de las
enzimas, las células quedarían rápidamente inmersas en un conjunto de
reacciones laterales y productos secundarios.
EmilFisher descubrió que las enzimas que hidrolizaban
glucósidos eran capaces de distinguir entre formas estereoisómeras
de éstos. En 1894 enunció el principio de que la molécula del sustrato se
adapta al centro activo de la enzima del mismo modo que lo harían una llave y
una cerradura, es decir, que tienen una relación complementaria. El centro
activo es el lugar de la enzima que se adapta exactamente a la estructura
molecular del sustrato y actúa sobre éste para dar lugar al producto. La
estructura del centro activo explicala
especificidad de acción de las enzimas.
No obstante, los datos actuales sobre la estructura de las enzimas han
llevado a modificar el modelo clásico de la llave y su cerradura para explicar
la especificidad de la reacción enzimática. Actualmente se considera que esa esfecificidad radica en la naturaleza de los aminoácidos
de fijación del centro activo. Realizada esa fijación o anclaje, la enzima
puede modificar su forma y amoldarse parcialmente sobre el sustrato, de forma
que el centro catalítico quede correctamente situado para actuar. Entonces no
existiría como en la llave y la cerradura una adaptación predeterminada, sino
una adaptación inducida por los aminoácidos de fijación.
Además el grado de especificidad puede ser muy variado.
Así, la aspartato-amoniaco-liasa, también conocida por aspartasa,
tiene una especificidad de sustrato casi absoluta. Además presenta una estereoespecificidad estricta (es incapaz de desaminar el D-aspartato).
Otra enzima estereoespecífica es la lactato
deshidrogenasa (sólo trabaja con L-lactato).
En cambio, la fosfatasa alcalina
hidroliza muchos ésteres diferentes del ácido fosfórico. Y la carboxipeptidasa cataliza la hidrólisis del enlace
peptídico C-terminal, cualquiera que sea la longitud
de la cadena o el resto aminoácido C-terminal.
En general, la especificidad del sustrato sobre el que actúan las
enzimas se debe a dos rasgos estructurales del sustrato:
1) Un enlace químico susceptible de ser atacado por la enzima.
2) Otra característica estructural necesaria para efectuar su unión al
centro activo de la enzima. Dicha estructura se denomina grupo determinante de
la posición.
b) Factores que
contribuyen a la actividad catalítica de las enzimas
Hemos dicho que las enzimas incrementan de forma considerable la
velocidad de las reacciones que catalizan. Son 4 los factores que parecen
contribuir al gran incremento de velocidad producido por las enzimas:
*Proximidad y orientación del sustrato. La enzima puede
fijar la molécula de sustrato de modo que el enlace susceptible se halle:
-próximo al grupo catalítico
-bien orientado respecto al grupo catalítico.
Esa proximidad y orientación adecuadas del sustrato respecto al grupo
catalítico permiten que se alcance con facilidad el estado de transición y se
incremente de forma considerable (en el caso más espectacular hasta 53.000
veces) la velocidad de reacción.
*Catálisis covalente. Algunas enzimas se combinan con el
sustrato para formar un intermediario covalente que reacciona con más facilidad
para formar los productos.
Este compuesto se forma y se destruye rápidamente.
*Catálisis ácido-base. Al proporcionar grupos funcionales
capaces de actuar como dadores o aceptores de protones, la enzima puede
efectuar una catálisis general ácida o básica.
La catálisis ácido-base específica es la debida al incremento o
disminución del pH.
En la catálisis ácido-base general el catalizador actúa como aceptor o
dador de protones.
La catálisis ácido-base general proporciona un medio para efectuar la
catálisis a pH neutro (en el que las concentraciones
de H+ y de OH- son muy bajas) de reacciones químicas que
de otro modo necesitarían concentraciones muy elevadas de esos iones.
*Factor de tensión de la catálisis enzimática. La enzima
puede inducir una tensión o una distorsión en el enlace susceptible de la
molécula de sustrato, que determine que la ruptura del enlace sea más fácil.
1.8.3. Cinética enzimática. Ecuación de Michaelis-Menten
En las reacciones enzimáticas se da un efecto ausente en las no
enzimáticas: la saturación con el sustrato.
A partir de la saturación la reacción es esencialmente de orden
cero respecto al sustrato (es decir, se mantiene con un v constante).
-d[A]
reacc. química de 1er. orden:A ===> P-------
= K[A]
dt
-d[A]
reacc. química de 2º orden:A + B ===> P------- = K[A][B]
dt
reacc. química de 3er. orden: son raras.
Teoría de Michaelis y Menten:
Luego: la constante de Michaelis-MentenKM
es igual a la concentración de sustrato en la que la velocidad inicial de la
reacción es la mitad de la velocidad máxima. Indica la afinidad de una
enzima por su sustrato: cuanto menor es la KM, mayor es la afinidad.
Conviene recordar que la KM
no es un valor fijo para cada enzima, sino que puede variar con:
-la estructura del sustrato
-el pH
-la temperatura
La vmáx
varía también con esos 3 factores
KM de
algunas enzimasEfecto
de la estructura del sustrato Enzima y
sustratoKM(mM)sobre la vmáx
para la D-aminoácido-Catalasaoxidasa
(los datos se refieren a D-H2O225Ala = 100)
*Transformaciones de la ecuación de Michaelis-Menten
1.8.4. Factores que modifican la actividad enzimática
a) Efecto del pH sobre la actividad enzimática
La mayoría de las enzimas tienen un pH
característico al cual su actividad es máxima; por encima o por debajo de ese pH la actividad disminuye.
En muchos casos los perfiles de actividad de las enzimas en función
del pH son acampanados. En otros casos no.
La relación del pH con la actividad de la
enzima depende del comportamiento ácido-base de la misma, así como de otros factores
difíciles de analizar de forma cuantitativa.
El pH óptimo de una enzima no es necesariamente
idéntico al pH de su entorno intracelular normal, el
cual puede hallarse a su vez en la pendiente ascendente o descendente de la
curva. Por eso la relación pH-actividad de una enzima
puede constituir un factor en el control intracelular de su actividad.
b) Efecto de la
temperatura sobre las reacciones enzimáticas
Al igual que sucede con la mayoría de las reacciones químicas, las
reacciones enzimáticas incrementan su velocidad con la temperatura.
La velocidad de muchas reacciones enzimáticas se duplica,
aproximadamente por cada 10 ºC de aumento de la temperatura.
El pico de la gráfica al representar la actividad catalítica respecto
a la temperatura se debe a que las enzimas, al ser proteínas, se desnaturalizan
por acción del calor y se inactivan a partir de cierto punto.
Luego la aparente temperatura "óptima" viene determinada por
estos dos procesos:
1) El incremento habitual de la velocidad de la reacción con la
temperatura.
2) El incremento en la desnaturalización térmica de la enzima al
sobrepasar una temperatura crítica.
A partir de los 55-60
ºC la mayor parte de las enzimas
se inactivan. Sin embargo, las enzimas de bacterias termofílicas
siguen siendo activas a temperaturas superiores a los 85 ºC.
La ribonucleasa -como vimos en el tema de
proteínas- recupera rápidamente su conformación y su actividad por enfriamiento.
c) Inhibición de las
enzimas
La inhibición de algunas enzimas por metabolitos específicos
constituye un elemento importante en la regulación del metabolismo
intermediario.
Los tres tipos principales de inhibición reversible de las enzimas
son: competitiva, acompetitiva y no
competitiva. Se estudian experimentalmente por los efectos que produce el
inhibidor en la cinética de reacción de la enzima.
*Inhibición competitiva: el inhibidor puede combinarse con
la enzima libre de tal modo que compite con el sustrato normal para unirse al
centro activo.
Un inhibidor competitivo reacciona reversiblemente con la enzima para
formar un complejo enzima-inhibidor (E-I) análogo al complejo enzima sustato:
E+IàEI
La vmáx de la reacción catalizada
por la enzima no variará en presencia del inhibidor competitivo (lógicamente, cuando
la [S] sea muy elevada, apenas habrá ocasión de que se una la E con una molécula de I).
En cambio la Km aparente del sustrato
aumentará en presencia del inhibidor (es decir, será precisa una [S] superior
para alcanzar 1/2vmáx).
Por lo tanto, en la cinética se refleja como una disminución de la afinidad de
E por S.
Un ejemplo clásico de inhibición competitiva es la de la succinatodeshidrogenasa
por el malonato y por otros aniones dicarboxilato.
*Inhibición acompetitiva: aquí el
inhibidor no se combina con la enzima libre. Sin embargo se combina con el complejo
enzima-sustrato-inhibidor (E-S-I), el cual no se transforma en el
producto habitual de la reacción:
ES+IàESI
La presencia del inhibidor hace que disminuya la Kmaparente en la misma proporción que la vmáx
(como el I se une al complejo ES, su presencia se manifiesta también a elevadas
[S], por lo que disminuye vmáx).
La Km aparente disminuye (lo cual quiere decir que la [S] precisa para
alcanzar 1/2vmáx
será menor). No es que haya aumentado la afinidad de E por S: en realidad se mantiene
igual, pero como la vmáx ha disminuido, se
precisará menor [S] para alcanzar 1/2vmáx y por eso la Km disminuye
-y la afinidad aumenta- "aparentemente".
La inhibición acompetitiva es poco frecuente
en las reacciones de un solo sustrato, pero es corriente en las reacciones de
dos sustratos.
*Inhibición no competitiva: el inhibidor no competitivo
puede combinarse con la enzima libre (E) o con
el complejo enzima sustrato (ES), e interfiere en la acción de ambos:
E+IàEI
ES+IàESI
La presencia del inhibidor hace que decrezca la vmáx
(es decir, no puede ser compensada su presencia por elevadas [S]) pero la Km
aparente no varía (o sea, que a la misma [S] se alcanza la 1/2 vmáxcorrespondiente a la presencia
del inhibidor). En realidad la afinidad de E por S sí ha disminuido realmente
(aunque no "aparentemente").
Algunas enzimas (no todas) que poseen un grupo -SH esencial, son
inhibidas no competitivamente por iones de metales pesados (la enzima requiere
esos grupos -SH intactos para su actividad normal).
El agente quelante EDTA (tetra-acetato
de etilen-diamida) se une
reversiblemente al Mg2+ y a otros cationes divalentes, e inhibe así
de modo no competitivo a algunas enzimas que precisan esos iones para su
actividad.
*Inhibición irreversible: no puede ser tratada por los
principios de Michaelis-Menten.
d) Enzimas reguladoras
Son aquellas que desarrollan su actividad en reacciones
"estratégicas" del metabolismo. Pueden ser de 2 tipos:
1) Enzimas alostéricas: cuya
actividad catalítica es modulada por la unión no-covalente de un metabolito
específico a un centro de la proteína distinto del centro catalítico.
2) Enzimas moduladas covalentemente.
Estudiaremos las primeras:
Las enzimas alostéricas poseen, además del
centro catalítico, otro espacio al que se enlaza de modo reversible y no
covalente el efector o modulador. En general, el centro alostérico
es tan específico para la unión del modulador como el centro catalítico (o
centro activo) lo es para la unión del sustrato.
Los moduladores pueden aumentar la actividad enzimática y llamarse moduladores
activos o estimuladores. También hay moduladores negativos o inhibidores,
que actúan dificultando la actividad enzimática (es el caso de la inhibición
por el producto final, inhibición feed-back
o retroinhibición).
e) Cooperatividad
Las enzimas alostéricas no muestran
generalmente la clásica relación cinética de Michaelis-Menten entre [S], vmáx
y Km. Y muchas presentan una gráfica sigmoidea en vez de
hiperbólica cuando se representa la velocidad en función de la [S]. Esto es un
ejemplo de cooperatividad positiva (la
unión de una molécula de sustrato a un centro incrementa la unión de las
moléculas de sustrato a los demás centros).
Conviene aclarar que no todas las enzimas alostéricas
exhiben curvas sigmoidales al representar v0
frente a [S]; además, no todas las enzimas que muestran tales curvas son
necesariamente alostéricas.
Otras enzimas presentan cooperatividad
negativa: la unión de una molécula de sustrato provoca un descenso en la
unión de moléculas de sustrato subsiguientes.