Enzimas: Biocatalizadores Celulares

Las enzimas son los biocatalizadores celulares. Son proteínas específicas que catalizan las reacciones químicas que tienen lugar en las células, acelerándolas hasta hacerlas casi instantáneas, sin consumirse en el proceso. Sin la acción catalítica de las enzimas, las reacciones serían tan lentas que el metabolismo celular no podría desarrollarse. También ciertos ARN presentan actividad catalítica.

Propiedades de las Enzimas

• Aceleran enormemente la velocidad de reacción (cinética).
• No se consumen en la reacción (aunque deben ser renovadas).
• No afectan a la termodinámica de la reacción.
• Alto grado de especificidad por sus sustratos.
• Actúan a temperaturas fisiológicas.

Estructura de las Enzimas

Las enzimas son proteínas y pueden estar formadas por cadenas polipeptídicas o contener un grupo no proteico. Un holoenzima es un enzima formado por:

• Apoenzima: Parte proteica del enzima.
• Grupo prostético o cofactor: Parte no proteica. Se denomina grupo prostético si su unión a la apoenzima es permanente y cofactor si no lo es.

Las holoenzimas son, por tanto, heteroproteínas. Los cofactores son compuestos químicos que aportan los grupos o funciones químicas adecuadas para la catálisis. Los cofactores pueden ser de dos tipos según su naturaleza química:

• De naturaleza orgánica: Se denominan coenzimas, como el FAD, NAD+, etc. Actúan como transportadores transitorios de grupos químicos, que ceden o reciben diferentes sustratos. Muchas vitaminas son coenzimas.
• De naturaleza iónica: Determinados iones minerales.

Especificidad Enzimática

Las enzimas presentan una elevada especificidad por sus sustratos, ya que la formación del complejo enzima-sustrato requiere que la interacción espacial sea específica tanto para la formación de dicho sustrato como para que se produzca la reacción. La enzima realiza una determinada reacción sobre determinadas moléculas. De esta manera, una enzima puede actuar sobre la D-glucosa y no sobre la L-glucosa. Esta especificidad es posible gracias a que las enzimas son proteínas, presentando una conformación que se adapta perfectamente al sustrato. La estructura tridimensional del centro activo permite esta especificidad.

Mecanismo de Acción Enzimática

Las enzimas aceleran la velocidad de reacción disminuyendo la energía de activación. Esta actúa como barrera cinética impidiendo el paso de productos a los reactivos en condiciones fisiológicas, permitiendo que las moléculas sean estables. Las enzimas se combinan con los reactivos produciendo un estado de transición cuya energía de activación es menor que en la reacción no catalizada. Los catalizadores afectan a la cinética de la reacción, por lo que esta debe ser espontánea.

La reacción catalizada se produce en tres etapas:

1. Formación del complejo enzima-sustrato: Se produce gracias a la existencia de un centro activo capaz de fijar específicamente al sustrato y realizar la catálisis. Es una etapa lenta y reversible. El centro activo es de pequeño tamaño e induce a la formación del complejo enzima-sustrato, alcanzando el estado de transición inestable altamente energético que permite disminuir la energía de activación. La formación de este complejo permite un ambiente de distribución de carga óptima y la orientación adecuada de los sustratos. El centro activo está formado por un grupo de aminoácidos cuyas cadenas laterales contienen determinados grupos funcionales. Si existen cofactores, estos realizan la acción catalítica; si no, lo harán los aminoácidos catalíticos. Existen dos teorías para explicar el acoplamiento del sustrato con el centro activo:

• Teoría de llave-cerradura: Enzima y sustrato se acoplan estereoespecíficamente como una llave en una cerradura.
• Teoría del ajuste inducido: Se produce una modificación del centro activo al interaccionar con el sustrato de forma que se produzca el ajuste.

Cinética Enzimática

La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Si comparamos la velocidad de reacción frente a la concentración de sustrato veremos una curva hiperbólica: cuanto menor es la concentración de sustrato, mayor es la velocidad de reacción. Cuando la concentración de sustrato es alta, se considera que la enzima se encuentra formando el complejo enzima-sustrato, se produce saturación enzimática, llegándose a la velocidad máxima de reacción.

Factores que Influyen en la Actividad Enzimática

• Concentración de sustrato: La velocidad aumenta con la concentración de sustrato hasta llegar a la saturación.
• Temperatura: La velocidad de la reacción aumenta con la temperatura hasta llegar a la temperatura óptima. Sin embargo, si la temperatura provoca la desnaturalización de la enzima, su actividad desaparece.
• Cambios en el pH: Cada enzima presenta un pH óptimo al cual su actividad es máxima. Variaciones bruscas del pH pueden provocar la pérdida de actividad.

Mecanismos para Aumentar la Acción Enzimática

• Compartimentalización celular.
• Reacciones en cascada.
• Complejos multienzimáticos.
• Isoenzimas.

Regulación de la Actividad Enzimática

La activación enzimática se realiza mediante activadores que se unen a la enzima provocando un cambio conformacional que favorece la unión del sustrato. Los activadores pueden ser, por ejemplo, cationes.

Los inhibidores de la actividad enzimática disminuyen total o parcialmente la actividad enzimática. Pueden ser:

• Irreversibles: Cuando se destruye la enzima y no puede recuperarse la actividad.
• Reversibles: Cuando el inhibidor se disocia de la enzima y esta puede volver a actuar.

Tipos de inhibidores reversibles:

• Competitivos: Compiten con el sustrato por el centro activo, disminuyendo la proporción de moléculas de enzima que se pueden unir al sustrato. Esta inhibición puede recuperarse si se aumenta la concentración de sustrato.
• No competitivos: No compiten con el sustrato, ya que no interaccionan con el centro activo. Suele producir una modificación en la conformación de la enzima, que impide la unión del sustrato. Esta inhibición no puede invertirse aumentando la concentración de sustrato.

Alosterismo

El alosterismo constituye un sistema de regulación enzimática muy preciso. Los enzimas alostéricos:

• Catalizan reacciones importantes, frecuentemente en las primeras etapas de rutas metabólicas.
• Tienen estructura cuaternaria.
• Poseen un centro activo y un centro alostérico.
• Su actividad está modulada por moléculas denominadas moduladores.
• Presentan la capacidad de adoptar dos conformaciones diferentes y estables: inactiva y activa.
• Los moduladores provocan un aumento o disminución de la afinidad de la enzima por el sustrato.
• Existe un efecto cooperativo entre las subunidades de la enzima.

Nomenclatura y Clasificación de las Enzimas

La nomenclatura de las enzimas suele utilizar el sufijo»-as» unido al nombre del sustrato o al tipo de reacción que catalizan. Según el tipo de reacción que catalizan, las enzimas se clasifican en:

• Oxidorreductasas
• Liasas
• Transferasas
• Isomerasas
• Hidrolasas
• Sintasas o ligasas