Enzimas: Naturaleza química y clasificación

2.1. Enzima: naturaleza química y clasificación

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

Composición química de un enzima

Las enzimas son altamente específicas para las reacciones que catalizan y poseen en su superficie una zona activa, como una especie de hendidura u oquedad, denominada centro catalítico o centro activo, a la que se adapta perfectamente la molécula de sustrato, que presenta la geometría complementaria a la conformación espacial del centro activo. Las enzimas pueden realizar su función con los radicales de sus aminoácidos, aunque algunas necesitan además un componente no proteico llamado cofactor. El conjunto enzima-cofactor se conoce como holoenzima.

Clasificación

Las enzimas pueden ser agrupadas, dependiendo de la acción que realizan. En muchos procesos industriales se emplean enzimas. La gran mayoría reciben el nombre del sustrato sobre el que actúan, al que se añade, a veces, el nombre de la función que desempeñan seguido de la terminación -asa.

Propiedades de las enzimas

• Son solubles en agua y difusibles en los líquidos orgánicos. Se requieren en dosis mínimas, ya que, como catalizadores que son, no sufren ningún cambio en la reacción.
• Tienen gran actividad, pudiendo transformar un sustrato de masa molecular mucho mayor que ellas.
• Hacen que las transformaciones se produzcan a gran velocidad. Disminuyen la energía de activación y permiten que la reacción se realice a menor temperatura.
• Son sustancias muy específicas, no actúan sobre cualquier sustrato. Se alteran por acción del calor, cambios de pH, radiaciones, etcétera, como todas las proteínas.
• Especificidad de sustrato y de acción.

2.3. Centro activo y cinética enzimática

Las enzimas son catalizadores, por lo que aceleran la velocidad de reacción, disminuyendo la energía de activación. Esta energía actúa como barrera cinética impidiendo el paso de los 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. Esto acelera enormemente la velocidad de formación de los productos. Cuando estos productos se forman, las enzimas se recuperan. Las enzimas inducen modificaciones químicas en los sustratos a los que se unen, ya sea por ruptura, formación o redistribución de sus enlaces covalentes, o por introducción o pérdida de algún grupo funcional.

Actuación enzimática

La unión de cada enzima con su sustrato sigue el modelo de llave-cerradura. Cada enzima (cerradura) solo puede unirse (abrirse) con su correspondiente sustrato (llave). Aunque en realidad el centro activo de una enzima no es tan rígido como una cerradura, más bien se parece a un guante que adopta la forma de la mano después de ponerlo. El resultado de esta unión enzima-sustrato es que el sustrato (S) se transforma en otra molécula llamada producto (P), mientras la correspondiente enzima actúa como catalizador de la reacción de transformación S→P.

Una reacción catalizada enzimáticamente consta de dos reacciones:

1. El sustrato S se une a la enzima en una reacción reversible hasta formar el complejo ES, que es un estado de transición.
2. A continuación, el complejo ES se descompone y da lugar al producto P y se regenera la enzima libre E.

La energía que necesita adquirir la molécula del sustrato para alcanzar el estado de transición constituye la energía de activación de la reacción, Ea, y supone una barrera energética que deben superar todas las moléculas de los sustratos para que transcurra la reacción y se produzca su transformación en productos. Cuanto más alta sea la energía de activación, mayor será la barrera que han de franquear las moléculas de sustrato, y más difícil será alcanzar el estado de transición, por lo que la velocidad de la reacción S→P será más lenta.

3. El código de la vida: ADN Y ARN

3.1. Ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son biomoléculas complejas con carácter ácido, que desempeñan funciones biológicas de trascendental importancia en todos los seres vivos. Contienen información genética, es decir, la información codificada que permite a los organismos desarrollar sus ciclos biológicos, desde su nacimiento a su muerte. Existen dos tipos de ácidos nucleicos, el ADN o ácido desoxirribonucleico y el ARN o ácido ribonucleico. Los ácidos nucleicos son biopolímeros formados por otras subunidades más pequeñas o monómeros, denominados nucleótidos.

3.2. ADN: estructura e importancia biológica

El ADN es un ácido que se encuentra fundamentalmente en el núcleo, en las células eucariotas, aunque también está presente en orgánulos como mitocondrias y cloroplastos. Está formado por desoxirribonucleótidos en los que se encuentran las bases: adenina, guanina, citosina y timina. El ADN, salvo en algunos virus, está formado por dos cadenas de polinucleótidos unidas entre sí a nivel de sus bases nitrogenadas mediante puentes de hidrógeno. Esta unión es siempre de adenina con timina (A=T) mediante dos enlaces de hidrógeno, y citosina con guanina (G=C) mediante tres enlaces.

3.3. ARN: tipos, estructura y función

El ARN está formado por ribosa, ácido fosfórico y las bases nitrogenadas adenina, guanina, citosina y uracilo. Estos componentes se unen mediante enlaces fosfodiester en sentido 5'→3', como en el ADN. El ARN es casi siempre monocatenario, excepto en algunos virus en los que es bicatenario. Existen tres tipos de ARN: mensajero (ARNm), ribosomal (ARNr) y transferente (ARNt). Todos ellos se forman a partir de una porción de una de las cadenas del ADN que sirve de molde. El ARN actúa como el intermediario necesario para traducir la información genética contenida en el ADN en la síntesis de proteínas funcionales.

4. ¡Lo que nos queda por descubrir!

Las aplicaciones del estudio de los ácidos nucleicos son también atractivas, en estudios forenses, de paternidad, clonación, transgénicos o el proyecto genoma humano. El proyecto genoma humano (PGH) se inició a principios de los años 90 del siglo pasado y terminó en 2003. Con él se ha conseguido completar la secuencia de nucleótidos del genoma humano. En el genoma se encuentra toda la información biológica que identifica a una especie, por lo que conocer el genoma significa averiguar la secuencia completa de bases nitrogenadas de su ADN, localizar y situar todos los genes en los cromosomas, comprender las relaciones entre los genes, y descubrir e identificar genes antes desconocidos. Algunas aplicaciones del proyecto genoma humano son el diagnóstico y prevención de enfermedades genéticas, la terapia génica, el diseño de fármacos más eficaces y nuevas investigaciones en genética humana.