Enzimas: Catalizadores Biológicos y su Actividad

1. Catalizadores y Enzimas

1.1. Catalizadores

Son moléculas que permiten acelerar la velocidad de una reacción química cientos o miles de veces (actividad catalítica). (V = número de reacciones químicas / segundo).

La función de un catalizador es rebajar la cantidad de energía de activación necesaria para que ocurra la reacción química. ¿Cómo?

La Energía libre (G) es la energía que posee un sistema para poder llevar a cabo un trabajo. En el caso de las moléculas, la energía libre de éstas depende, en parte, de la energía contenida en los enlaces entre átomos de la molécula (Energía química).

En una reacción química exergónica (o exotérmica), por ejemplo, en la que se libera energía durante el proceso, la Energía libre (G) total de los reactivos es mayor que la de los productos.

Esto permitiría que la reacción ocurriera espontáneamente ("cuesta abajo"). Sin embargo, la reacción no ocurre de forma espontánea; primero hay que añadir una cantidad "extra" de energía que permita romper los enlaces entre átomos de los reactivos. Esta fase se denomina estado de transición. La energía extra necesaria para llegar al estado de transición se denomina energía de activación. Los catalizadores rebajan esta energía de activación, facilitando así que ocurra la reacción.

1.2. Enzimas

Son biocatalizadores: moléculas orgánicas que catalizan las reacciones bioquímicas, es decir, las reacciones químicas que ocurren en las células.

Casi todos las enzimas son proteínas globulares de gran masa molecular, aunque existen algunas excepciones como los ribozimas, que son biocatalizadores formados por ARN.

La importancia de los enzimas radica en que:

• La actividad celular, y por lo tanto, la actividad de los seres vivos, está basada en el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en ellos.
• Las enzimas, al acelerar la velocidad de la reacción química miles de veces, en la práctica posibilitan la existencia de dichas reacciones bioquímicas. (Es decir, si no existiera un determinado enzima, la reacción que cataliza en la práctica no ocurriría).
• De modo que las enzimas son, al fin y al cabo, las moléculas que permiten = controlan = regulan la actividad celular (y, por lo tanto, permiten la actividad = el mantenimiento de la vida de la célula y en los seres vivos).

Las enzimas se unen físicamente al reactivo(s) o sustrato(s) para catalizar la reacción.

Las enzimas no se consumen durante la reacción que controlan. Cuando acaba la reacción, se genera(n) el/los producto(s) y la enzima se recupera para poder catalizar de nuevo la reacción. Actúan en cantidades muy pequeñas. Cada enzima es específica. Solo se une a determinado sustrato y cataliza una reacción o tipo de reacción concreta.

1.3. Estructura

En relación con su estructura, se diferencian en:

• a) Enzimas estrictamente proteicas (apoenzimas).
• b) Holoenzimas: formadas por parte proteica y parte no proteica, denominadas:
  • Apoenzima: fracción proteica.
  • Cofactor: fracción no proteica.

Esto se debe a que en muchos casos, las enzimas necesitan la participación de otras moléculas orgánicas no proteicas o iones, para poder llevar a cabo su actividad. Los cofactores suelen ser donadores o aceptores de electrones o de grupos funcionales en la reacción en la que participan. Los cofactores, a su vez, pueden ser:

• Cofactores inorgánicos: Son iones metálicos (Mg²⁺, Zn²⁺, ...).
• Cofactores orgánicos:
  • Coenzimas: se unen débilmente (no covalente) al apoenzima durante la reacción: ATP, NAD⁺, FAD, NADP⁺, Coenzima A.
  • Grupos prostéticos: se unen permanentemente (enlace covalente) al apoenzima. Ej: grupo Hemo de la hemoglobina.
  • Las Vitaminas hidrosolubles son coenzimas o precursores de coenzimas (moléculas a partir de las cuales se forman los coenzimas). Ejemplos:
    • Vitaminas del grupo B: participan en muchas rutas metabólicas.
    • Vitamina C: necesaria en la síntesis del colágeno.

2. Actividad Enzimática

¿Cómo actúa un enzima?

La enzima (E) posee una pequeña zona concreta en su estructura llamada centro o sitio activo.

Es el sitio en el que se une físicamente al sustrato (S) de la reacción bioquímica que controla la enzima. Tiene una forma tridimensional específica, que permite que se le una el sustrato concreto, y no otro tipo de molécula. Al unirse ambas moléculas (por medio de enlaces débiles), se forma un complejo enzima-sustrato (ES). En este momento se llega al estado de transición, en el que el sustrato se transforma en producto (es decir, ocurre la reacción química) con menores necesidades energéticas que si no existiera enzima (menor energía de activación).

El complejo será ahora un complejo enzima-producto (EP).

Por último, tras ocurrir la reacción, el producto (P) obtenido se desprende de la enzima, y ésta última vuelve a ser activa para volver a realizar una y otra vez el mismo proceso.

2.1. Especificidad de las Enzimas

La especificidad de unión entre enzima y sustrato es muy alta, y está basado en distintos modelos:

• a) Modelo de complementariedad (llave-cerradura): Las formas tridimensionales entre sustrato y centro activo son complementarias (la enzima solo puede unirse a un sustrato concreto).
• b) Modelo de ajuste inducido: El centro activo cambia su forma al unirse al sustrato para adaptarse a la forma de éste.

De todas formas, existen distintos grados de especificidad:

• Absoluta (unión a una única molécula).
• De grupo (unión a un tipo de moléculas).
• De clase (actúa con determinado tipo de enlace, sin importar el tipo de molécula).

Así, se puede diferenciar una especificidad de sustrato (a qué molécula se une), y una especificidad de función (sobre qué tipo de enlace químico actúa, sin importar tanto la molécula).

3. Cinética Enzimática

Se realizan estudios sobre cómo varía la actividad enzimática = Velocidad enzimática (número de reacciones que cataliza la enzima / unidad de tiempo) si se alteran determinadas variables.

Por ejemplo, en una situación con concentración de enzima constante, se va aumentando la concentración de sustrato para ver cómo varía la actividad enzimática o velocidad de reacción (Vr). Al principio, con concentraciones bajas de sustrato, conforme aumenta ésta, aumenta también la Velocidad de reacción. Si seguimos aumentando la concentración de sustrato, llega un punto en el que la Vr deja de aumentar (se llega a una Velocidad máxima). Así, aunque sigamos incrementando la concentración de soluto, la Vreac. se mantiene constante (línea horizontal en el valor correspondiente a la Vmáx.) Esto se debe a que, al haber tanta concentración de sustrato, todas las enzimas tienen sus centros activos ocupados, por lo que las enzimas no pueden catalizar más reacciones por segundo (están en una situación de saturación del enzima).

Constante de Michaelis-Menten (Km)

Es un parámetro que se utiliza para conocer el grado de afinidad entre una enzima y su sustrato.

Se define como la concentración de sustrato que necesita un enzima para que su Velocidad de reacción sea la mitad de su Velocidad máxima.

Cuanto menor sea la Km de un enzima, mayor es el grado de afinidad con el sustrato. La siguiente ecuación permite calcular La Vreac. de un enzima conociendo su Vmáx. y su constante de Michaelis.

4. Factores que Afectan a la Actividad Enzimática

Temperatura

En principio, conforme aumenta la temperatura la actividad enzimática también aumenta, ya que las moléculas se mueven más, por lo que enzimas y sustratos se encuentran con más facilidad.

Se llega a una Temperatura óptima, que se corresponde con una actividad máxima del enzima.

A partir de este valor de temperatura óptima, si seguimos aumentando la temperatura la velocidad de reacción cae bruscamente, debido a que las enzimas se desnaturalizan, perdiendo su actividad. Existen casos en los que determinadas enzimas se rigen por gráficas muy desplazadas hacia temperaturas más altas (ejemplo: enzimas de bacterias termófilas).

pH

Ocurre algo parecido. Las enzimas poseen actividad en determinado rango de pH.

Dentro de ese rango, conforme aumenta el pH, también lo hace la actividad enzimática, hasta llegar a un pH óptimo que se corresponde con una V. de reacción máxima. Superado ese valor de pH, la actividad enzimática disminuye debido a la desnaturalización, siendo la gráfica más simétrica que en el caso de la Temperatura.

Existen también enzimas con pH óptimos alejados del pH más o menos neutro. Por ejemplo, los enzimas de los jugos gástricos (pepsina), que necesitan pH muy bajos para realizar su actividad.

Inhibidores

Son moléculas que disminuyen total o parcialmente la actividad de una determinada enzima. Pueden ser perjudiciales o beneficiosos. Existen distintos tipos de inhibición:

• a) Inhibición irreversible: El inhibidor (I), al unirse a la enzima (E), forma un complejo (EI), pero bloquea la enzima permanentemente y la inutiliza totalmente (ej: determinados venenos como el cianuro, o medicinas, como la aspirina).
• b) Inhibición reversible: El bloqueo es temporal. Existen dos subtipos:
  • Inhibición competitiva:

    El inhibidor y el sustrato son moléculas muy parecidas. Ambas compiten por unirse al centro activo de la enzima. Si se une el inhibidor, bloqueará la enzima. Si se une el sustrato, la reacción continuará. Por tanto, el efecto de la inhibición competitiva depende de la concentración de sustrato que haya.

  • Inhibición no competitiva:

    El inhibidor y el sustrato se unen a la enzima en sitios diferentes. No compiten por unirse al centro activo de la enzima. Si se une el inhibidor, impide que el sustrato se una a la enzima y bloqueará ésta. Si se une el sustrato, es posible que también lo haga el inhibidor, por lo que bloquea la reacción enzimática. Por tanto, el efecto de la inhibición no competitiva no depende de la concentración de sustrato que haya.

5. Regulación Alostérica

Algunas enzimas poseen otro sitio (distinto al centro activo), llamado sitio regulador o alostérico. En este sitio se unen determinadas moléculas reguladoras. Cuando ocurre esto, cambia la conformación tridimensional de la enzima, modificando su actividad:

• Regulación alostérica positiva: la modificación provoca que la enzima se active, aumentando la Vr.
• Regulación alostérica negativa: en este caso la modificación inactiva o inhibe la enzima, disminuyendo su Vr.

6. Clasificación de Enzimas

Según la función general que realizan:

• Oxidoreductasas: Catalizan reacciones de oxidación y reducción de los sustratos.
• Transferasas: Transfieren radicales de una molécula a otra.
• Hidrolasas: Rompen enlaces covalentes utilizando para ello una molécula de agua.
• Liasas: Participan en roturas de enlaces sin participación de agua.
• Isomerasas: Transforman un sustrato en algún isómero, trasladando algún grupo de una parte a otra del sustrato.
• Ligasas y sintetasas: En reacciones de unión de grupos o moléculas con gasto energético (consumo de ATP).