Enzimas: Catalizadores Biológicos Esenciales

Las enzimas son proteínas globulares que actúan como catalizadores biológicos, acelerando las reacciones metabólicas que son energéticamente favorables. Regulan todas estas reacciones, aumentando la velocidad de aquellas que son posibles. Permiten que estas reacciones ocurran en condiciones fisiológicas de temperatura, pH y presión, reduciendo significativamente la energía de activación necesaria.

Nomenclatura y Propiedades de las Enzimas

El nombre de una enzima generalmente incluye el sufijo -asa, precedido por el nombre del sustrato o el tipo de reacción que cataliza. Cuando se utilizan coenzimas, sus nombres también se pueden incluir. Por ejemplo, la enzima que cataliza la oxidación del lactato a piruvato utilizando NAD+ como coenzima se llama lactato deshidrogenasa.

Las propiedades generales de los catalizadores, y que las enzimas cumplen, son:

• Se requieren en cantidades mínimas en relación con los reactivos.
• Permanecen inalteradas después de la reacción.
• No alteran el equilibrio químico de la reacción.
• Favorecen ambos sentidos de la reacción.
• Muestran especificidad en el tipo de reacción que catalizan.

Estructura y Función de las Enzimas

Las enzimas realizan su función catalítica gracias a la fijación estereoquímicamente complementaria del sustrato y a la transformación catalítica del mismo. En ambas funciones participan las cadenas laterales de los aminoácidos y, en muchos casos, grupos o moléculas no proteicas, como:

• Grupos prostéticos
• Iones metálicos
• Cofactores

Las enzimas son, en esencia, de naturaleza proteica, aunque existen excepciones como ciertos tipos de ARN con actividad catalítica (ribozimas). Muchas enzimas son proteínas simples, mientras que otras son proteínas conjugadas que requieren componentes no aminoacídicos para su función:

• Cofactor: Parte no polipeptídica. Puede ser un ion metálico o una molécula orgánica (coenzima).
• Apoenzima: Parte polipeptídica.
• Holoenzima: Enzima completa y catalíticamente activa (apoenzima + cofactor).

Centro Activo y Mecanismo de Acción

Las enzimas poseen una región específica denominada centro activo o centro catalítico. Esta zona, a menudo una concavidad en la superficie de la enzima, está formada por segmentos específicos de la cadena de aminoácidos que crean una superficie tridimensional complementaria a la molécula del sustrato.

El centro activo se une al sustrato mediante interacciones débiles, como:

• Interacciones iónicas
• Interacciones hidrofóbicas
• Puentes de hidrógeno

Esta unión forma el complejo enzima-sustrato (ES). La complementariedad entre el centro activo y el sustrato se basa en:

• Complementariedad electrostática: Cargas opuestas entre el centro activo y el sustrato.
• Complementariedad de puentes de hidrógeno: Aminoácidos donadores y aceptores de puentes de hidrógeno en posiciones adecuadas.
• Complementariedad estérica: Ajuste espacial entre la forma del sustrato y la cavidad del centro activo.

Modelo de ajuste inducido (Hipótesis de Koshland): Este modelo propone que la unión del sustrato induce un cambio conformacional en la enzima, optimizando el ajuste y la interacción para la catálisis. La reacción se puede representar como: E + S ⇌ ES → E + P

El centro activo tiene dos funciones principales:

1. Unir el sustrato.
2. Transformarlo catalíticamente en producto.

Ambas funciones se caracterizan por su alta especificidad. Las enzimas suelen emplear mecanismos de catálisis similares a los de las reacciones no enzimáticas, pero de forma mucho más eficiente y específica.

Características Clave de las Enzimas

• Alta especificidad: La enzima actúa sobre un sustrato específico o un grupo muy reducido de sustratos similares.
• Gran efectividad: Las reacciones catalizadas por enzimas son significativamente más rápidas (entre 10³ y 10¹⁰ veces) que las reacciones no catalizadas.
• Localización subcelular: Muchas enzimas se encuentran en orgánulos específicos, creando microambientes favorables y evitando interferencias.
• Regulación: Las enzimas permiten la regulación de las reacciones bioquímicas mediante la activación o inhibición por efectores.

Isoenzimas

El término isoenzima se refiere a las diferentes formas de una enzima que catalizan la misma reacción, pero que difieren en su secuencia de aminoácidos debido a variaciones genéticas. No debe aplicarse a modificaciones covalentes de la misma secuencia.

Clasificación de las Enzimas

Las enzimas se clasifican en seis clases principales según el tipo de reacción que catalizan:

1. Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de óxido-reducción (A_red + B_ox ⇌ A_ox + B_red).
2. Transferasas: Catalizan la transferencia de grupos funcionales (A-X + B ⇌ A + B-X).
3. Hidrolasas: Catalizan reacciones de hidrólisis (A-B + H₂O ⇌ A-OH + H-B).
4. Liasas: Catalizan la adición o eliminación de grupos a dobles enlaces (A=B + X ⇌ A-X-B).
5. Isomerasas: Catalizan reacciones de isomerización (cambios estructurales dentro de una molécula).
6. Ligasas: Catalizan la unión de dos moléculas acoplada a la hidrólisis de ATP (A + B + ATP ⇌ A-B + ADP + Pi o C + D + ATP ⇌ C-D + AMP + PPi).

Cinética Enzimática y Saturación

Las enzimas, al no consumirse durante la reacción, son eficaces incluso cuando la concentración del sustrato es mucho mayor que la de la enzima. Sin embargo, las enzimas muestran saturación por el sustrato. La velocidad de una reacción enzimática no aumenta linealmente con la concentración del sustrato, sino que se aproxima asintóticamente a un valor máximo (V_max).

La V_max se alcanza cuando prácticamente toda la enzima está unida al sustrato formando el complejo ES. La constante de Michaelis-Menten (K_m) es la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de la V_max (1/2 V_max). K_m es una medida de la afinidad de la enzima por el sustrato: una K_m baja indica alta afinidad.

Factores que Afectan la Actividad Enzimática

• Temperatura: La actividad enzimática generalmente aumenta con la temperatura hasta un punto óptimo. Temperaturas superiores al óptimo pueden desnaturalizar la enzima, disminuyendo su actividad. La mayoría de las enzimas tienen una temperatura óptima entre 35°C y 40°C.
• pH: La actividad enzimática también depende del pH. La mayoría de las enzimas tienen un pH óptimo entre 5 y 8, aunque existen excepciones.

Cinética de Michaelis-Menten

La cinética de Michaelis-Menten describe la relación entre la velocidad de reacción (V_o) y la concentración de sustrato ([S]):

V_o = V_max[S] / (K_m + [S])

La ecuación de Lineweaver-Burk, una transformación lineal de la ecuación de Michaelis-Menten, es útil para determinar gráficamente K_m y V_max:

1/V_o = (K_m/V_max)(1/[S]) + 1/V_max

Inhibidores Enzimáticos

Los inhibidores enzimáticos son moléculas que disminuyen o detienen la actividad enzimática. Son importantes en la regulación metabólica y como agentes farmacológicos.

Inhibición Reversible

Existen tres tipos principales de inhibición reversible:

• Inhibición Competitiva: El inhibidor compite con el sustrato por el sitio activo de la enzima. La inhibición competitiva aumenta la K_m aparente pero no afecta la V_max. La ecuación de Michaelis-Menten modificada es: V_o = V_max[S] / (αK_m + [S]), donde α = 1 + [I]/K_i y K_i = [E][I]/[EI].
• Inhibición Acompetitiva: El inhibidor se une solo al complejo ES, no a la enzima libre. La inhibición acompetitiva disminuye tanto la V_max como la K_m aparente. La ecuación es: V_o = V_max[S] / (K_m + α'[S]), donde α’ = 1 + [I]/K’_i y K’_i = [ES][I]/[ESI].
• Inhibición No Competitiva: El inhibidor se une tanto a la enzima libre como al complejo ES. La inhibición no competitiva disminuye la V_max pero no afecta la K_m. La ecuación es: V_o = V_max[S] / (αK_m + α'[S]). En la inhibición no competitiva pura, α = α’.