ENZIMAS DEFINICIÓN Y CONCEPTO DE ENZIMA. Sustrato A > Producto GUIÓN. 1. DEFINICIÓN Y CONCEPTO DE ENZIMA.

Transcripción

1 ENZIMAS. GUIÓN. 1. DEFINICIÓN Y CONCEPTO DE ENZIMA. 2. ENERGÍA DE ACTIVACIÓN. - Concepto intuitivo. - Cambio de energía de una reacción. 3. ACCIÓN DE LAS ENZIMAS COMO CATALIZADORES. - Efectos de la energía de activación. 4. CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS. 5. PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS. - Naturaleza proteíca de las enzimas. Concepto de apoenzima,coenzima y holoenzima. Papelcoenzimático de algunas vitaminas. - Elevada especificidad. - No alteran las reacciones, sólo las aceleran. - No se consumen en las reacciones. - Mayor efectividad que los catalizadores inorgánicos. - Desnaturalización. - Sensibilidad al ph y a la temperatura. 6. MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA. - Afinidad enzima sustrato. - Concepto de centro activo y de inhibición competitiva. - Integración metabólica de las enzimas. Regulación enzimatica DEFINICIÓN Y CONCEPTO DE ENZIMA Todos los compuestos, si se les abandona a si mismos, tienden a cambiar (a mayor o menor velocidad), transformándose en otras sustancias, más estable. Sustrato A > Producto Las transformaciones químicas que tienen lugar en los seres vivos, se realizan entre moléculas orgánicas de elevada estabilidad, por lo que la velocidad de transformación es sumamente baja. Para aumentar la velocidad de reacción, los seres vivos no pueden elevar la temperatura de los procesos, ya que esto significaría su autodestrucción. Por todo esto, los organismos han desarrollado una serie de moléculas orgánicas que son capaces de producir rápidas transformaciones a la temperatura que ellos poseen. Estas moléculas orgánicas se conocen como BIOCATALIZADORES o ENZIMAS. La velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas tienen lugar a velocidades que son entre 10 8 y veces mayores que las correspondientes a las mismas reacciones sin catalizar. Los enzimas (llamados antiguamente fermentos), se conocen con diferentes nombres que acaban en "asa", en honor del enzima "diastasa" que fue uno de los primeros en descubrirse. Los enzimas, en su gran mayoría, son proteínas. Sin embargo, el reciente descubrimiento de moléculas de RNA catalíticamente activas indica que las proteínas no tienen un monopolio absoluto como catalizadores. Precisamente, este hecho ha sido el motivo de la concesión del Premio Nobel de Química del año a los autores del descubrimiento. 1

2 2 ENERGÍA DE ACTIVACIÓN. CONCEPTO INTUITIVO.- Ya hemos dicho, que los compuestos tienden a transformarse en otras sustancias más estables desde un punto de vista energético. Sin embargo, para que las reacciones químicas se produzcan, los reactivos tienen que adquirir previamente un estado más energético, que los activa y les permite transformarse en producto. Si no fuera así, no habría forma de controlar las reacciones y toda la materia se iría transformando vertiginosamente hasta convertirse completamente en productos simples. Por ejemplo, la forma energéticamente más favorable del carbono es el CO 2 y la del hidrógeno es el H 2O. Un organismo, que está compuesto por moléculas con carbono e hidrógeno, no desaparece transformándose en humo, por la misma razón que esta hoja no empieza a arder en cualquier momento. Ambos procesos necesitan una energía de activación para que pueda iniciarse la transformación. En el caso de la hoja, la energía de activación puede ser suministrada por una cerilla encendida. En un sistema sin enzimas, las moléculas del reaccionante poseen distintas energías, ya que cada molécula está sometida a choques con otras moléculas, sus átomos presentan distinta vibración, etc. La mayoría de las moléculas tienen una cantidad de energía medio, que no es suficiente para que adquieran el estado de transición. Sólo un pequeño porcentaje tienen bastante energía para saltar la barrera y sufren la transformación. Si se trata de moléculas gaseosas o de disoluciones, mediante calentamiento se puede conseguir que las moléculas reactivas adquieren la suficiente energía cinética como para que las colisiones las hagan reaccionar y las transformen en producto. Esta claro que cuanto más alta sea la temperatura, mayor será el movimiento de las moléculas, se producen más choques, habrán más moléculas en el estado de transición y la reacción será más rápida. Por ejemplo, a temperatura ambiente la fusión del hielo se realiza sin necesidad de catalizadores, porque las moléculas adquieren del ambiente la suficiente energía como para romper los puentes de hidrógeno que las mantienen unidas y provocan el deshielo. CAMBIO DE ENERGÍA EN UNA REACCIÓN.- En un organismo, elevar la temperatura para acelerar las reacciones sería peligroso, por eso las células vivas utilizan enzimas con los que obtienen el mismo resultado final de una manera menos drástica y destructiva. Notese, que en el caso de la reacción catalizada por enzimas, la energía de los reactivos y de los productos no es diferente de la de la reacción sin catalizar. Los enzimas no cambian termodinámicamente el sistema sino que cambian el camino para alcanzar el estado final (gráfica 1). Puede decirse, que una reacción química (A > P) tiene lugar, porque una fracción de moléculas de A, en un instante dado, adquieren la suficiente energía como para alcanzar un estado activado, llamado estado de transición, en el que es muy probable que se establezca o se rompa un enlace químico que forma el producto P (gráfica 1). Se conoce como ENERGÍA LIBRE DE ACTIVACIÓN a la cantidad de energía necesaria que se tiene que aplicar al sistema (en condiciones standard) para llevar todas las moléculas de un mol de sustancia hasta el estado de transición; o lo que es lo mismo, la diferencia de energía entre el nivel energético del estado de transición y el de los reactivos. En ocasiones, se producen reacciones en las que el producto es un compuesto más rico en energía que el sustrato. Estas reacciones son anabólicas o endergónicas. Cuando el producto posee menos energía que el sustrato, las reacciones son catabólicas o exergónicas. 2

3 Estado de transición Estado de transición Estado final Estado inicial Estado inicial Estado final 33.-ACCIÓN DE LAS ENZIMAS COMO CATALIZADORES Las enzimas logran acelerar las reacciones químicas, uniéndose temporalmente a las moléculas de sustrato, formando un COMPLEJO ACTIVO con ellas y transformándolas en producto. Una vez producida la reacción, el producto se separa del enzima y éste puede reanudar su actividad con otra molécula de sustrato. Un esquema posible, para expresar este hecho podría ser: O también: S + E SE PE P + E S + E SE P + E El complejo activo se produce por medio de enlaces débiles que se establecen entre el sustrato y cadenas laterales de aminoácidos situadas en la superficie del enzima. También pueden permanecer unidos a través de los coenzimas o grupos prostéticos que constituyen la enzima. Al formar el complejo activo, la enzima coloca en tensión al sustrato forzándolo hacia la formación de producto (Ilustración 4). Este fase en la que el sustrato es sometido a una tensión conformacional, correspondería al estado de transición, y una vez en este punto, con muy poca energía, se produce la transformación. En realidad, como ya hemos visto, la enzima rebaja la cantidad de energía de activación necesaria para llevar a cabo la reacción. Los biocatalizadores reducen la energía de activación de las reacciones en que participan de varias formas: Si se trata de producir la ruptura de algún enlace, la enzima deforma a las moléculas de sustrato hasta tal punto, que aquel resulta debilitado y con menos energía, es más probable su ruptura. La enzima, puede aumentar la concentración local de moléculas substrato en el centro catalítico, orientando convenientemente a determinados átomos y facilitando su posterior reacción. Cuando se trata de reacciones de condensación, la enzima atrae hacia su superficie a las sustancias reaccionantes, de modo que su encuentro y su reacción se produzcan más fácilmente. 3

4 4. CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS. La Internacional Unión of Biochemistry (I.U.B.) ha establecido un sistema por el que todos los enzimas se incluyen en seis clases principales. Cada clase se divide en varias subclases que, a su vez, tienen otras subdivisiones. Por cada clase, subclase y sub-subclase se le asigna un número, de manera que cada enzima queda especificado por cuatro dígitos así como por un nombre. Por ejemplo, a la alcohol-nad oxidorreductasa se le asigna el número debido a que es una oxidorreductasa (clase 1), el dador electrónico es un alcohol (subclase 1) y el aceptor es el coenzima NAD (sub-subclase 1); el cuarto dígito identifica al enzima concreto. Nótese que al nombrar una enzima, se señalan primero los sustratos, seguidos por el tipo de reacción al que se añade el sufijo "asa". El nombre simplificado del enzima es alcohol deshidrogenasa. Persisten muchos nombres comunes si bien no son demasiado informativos. Por ejemplo, "aldolasa" no dice demasiado acerca de los sustratos aunque identifica el tipo de reacción. Las seis clases principales de enzimas son: Clase 1. OXIDORREDUCTASAS. Catalizan reacciones de óxido-reducción, reacciones de transferencia electrónica en las que un compuesto gana electrones (reduciéndose) a costa de otro compuesto que los pierde (oxidándose). AH 2 + B A + BH 2 (reducido) (oxidado) Por ejemplo, la alcohol: NAD oxidorreductasa cataliza la oxidación de un alcohol a aldehído. Este enzima elimina dos electrones en forma de dos hidrógenos del alcohol para producir un aldehído y, en el proceso, los dos electrones que originariamente estaba en el enlace carbono-hidrógeno del alcohol se han transferido al NAD+, el cual queda reducido. Dentro de las oxidorreductasas destacan dos subclases: Oxidasas o reductasas.- Toman electrones del sustrato y los ceden al oxígeno. Se trata de enzimas reductoras. Deshidrogenasas.- Enzimas que oxidan indirectamente por transferencia de hidrógeno. Clase 2. TRANSFERASAS. Estos enzimas están implicados en la transferencia de grupos funcionales (amino, fosfato, glucosilo, etc), de una molécula a otra. A-R + B A + B-R Las dos subclases más destacadas son: Aminotransferasas (transaminasas).- Transfieren los grupo amino de un aminoácido a un cetoácido aceptor, dando lugar a la formación de un nuevo aminoácido y un nuevo cetoácido. Quinasas.- Son los enzimas fosforilantes que catalizan la transferencia del grupo fosforilo desde el ATP u otro nucleósido trifosfato a grupos aceptores alcohol o amino. 4

5 Clase 3. HIDROLASAS. Actúan rompiendo enlaces mediante la introducción de los componentes de una molécula de agua, es decir, la adición de -OH y de -H. Se pueden considerar como una clase especial de transferasas en las que el grupo dador se transfiere al agua. H 2O A-B A-OH + B-H Existen numerosas subclases: Esterasas (lipasa, fosfolipasa, fosfatasa, nucleasa, nucleotidasa); Carbohidrasas (amilasas, glucosidasas, lactasa, sacarasa, maltasa); Protidasas (pepsina, catepsina C, tripsina); Amidasas (ureasa). Clase 4. LIASAS. Las liasas son enzimas que añaden o eliminan los elementos del agua (-OH, -H), amoniaco o CO 2. C=A C A + HO-H OH H Dos subclases importantes son: las Descarboxilasas, que eliminan CO 2 de determinadas moléculas, y las Deshidratasas, que eliminan los elementos del agua en una reacción de deshidratación. Clase 5. ISOMERASAS. Constituyen un grupo muy heterogéneo de enzimas que catalizan isomerizaciones de diversos tipos. Entre ellas se encuentran interconversiones cis-trans, ceto-enol y aldosacetosa. COOH COOH HCOH HOCH CH 3 CH 3 Ácido D-láctico Ácido L-Láctico Clase 6. LIGASAS. Estos enzimas participan en reacciones sintéticas en las que se unen dos moléculas a expensas de un "enlace fosfato de alta energía" del ATP. A + B + ATP A-B + ADP + Pi 5

6 5.- PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS. A) NATURALEZA PROTEICA. La actividad de las enzimas depende, en algunas, solamente de su estructura como proteínas, mientras que otras necesitan, además, uno o más componentes. Por ellos se distinguen: Enzimas que son proteínas simples (por ejemplo, la lisozimas o la ribonucleasa). Y los holoenzimas: enzimas con dos componentes, uno proteico y otro no proteico. HOLOENZIMAS.- Los holoenzimas están compuestos por una parte proteica, llamada apoenzima y una parte no proteica llamada cofactor. El cofactor puede ser: - Un ión o elemento metálico, en cuyo caso hablaremos de Metaloenzimas. - Moléculas orgánicas más complejas que, a su vez, se pueden dividir en 2 grupos en función del tipo de unión de éstas a la enzima. Las que están unidas covalentemente a la enzima, se llaman "grupos prostéticos" y las que están unidas de forma laxa, son conocidas como "coenzimas". Holoenzima = apoenzima + cofactor (metaloenzima, grupo prostético o coenzima) PAPEL COENZIMÁTICO DE ALGUNAS VITAMINAS.- Determinadas vitaminas realizan el papel de coenzimas. Por formar parte de moléculas enzimáticas, durante mucho tiempo fueron incluidas en el grupo de los biocatalizadores. El nombre de vitaminas se debe a Funk quien, en 1912, las denominó así refiriéndose a "vida" (vit) y "amina", al poseer la B 1, que fue la primera vitamina identificada, un grupo amino. Actualmente sabemos que no todas las vitaminas poseen grupos amino Salvo algunas excepciones, como las ratas y las aves, que son capaces de sintetizar vitaminas del grupo B, los demás animales son incapaces de sintetizar vitaminas y éstas, deben ser incorporadas en la dieta. Son necesarias para el correcto desarrollo, crecimiento y reproducción. Su carencia extrema, denominada avitaminosis, provoca la aparición de enfermedades muy graves, incluso mortales, como la pelagra o el escorbuto.debido a su función catalítica, las vitaminas se necesitan en pequeñas cantidades, ya que se regeneran cuando finaliza la reacción en la que intervienen. Debido a la variedad que presentan en cuanto a su composición química, se clasifican, de acuerdo con su solubilidad, en hidrosolubles y liposolubles. Esta clasificación, que puede parecer muy simplista, da una idea del tipo de alimentos en los que se encuentran. Las vitaminas hidrosolubles, a excepción del ácido ascórbico, actúan como componentes de algunas coenzimas o grupos prostéticos de enzimas, como el ácido pantoténico, componentes esencial de la coenzima A. Este grupo está formado por la tiamina (vit. B 1), la riboflavina (vit. B 2), el ácido nicotínico (vit. B 3), el ácido pantoténico (vit. B 5), la piridoxina (vit. B 6), la biotina (vit. B 8), el ácido fólico (vit. B 9), la cianocobalamina (vit. B 12) y el ácido ascórbico (vit. C). Las vitaminas liposolubles no se han descubierto hasta la fecha funciones de coenzima. Entre ellas, cabe citar la vitamina A, la vitamina D, la vit. E y la vit. K. 6

7 B) ELEVADA ESPECIFICIDAD. Los enzimas son altamente específicos tanto en el tipo de reacción que catalizan como en la selección de las sustancias reaccionantes, denominadas sustratos. Un enzima cataliza normalmente una sola reacción química o un grupo de reacciones estrechamente relacionadas. Esta especificidad se explica del siguiente modo: la molécula está plegada de tal manera que se crean salientes y entrantes, orificios y cuevas en la superficie de la enzima en los que sólo encajan las sustancias químicas implicadas en la reacción que cataliza la enzima. Sobre la superficie enzimática, en el centro de fijación del sustrato, grupos de aminoácidos están dispuestos de tal forma que atraen al sustrato y lo fijan de la forma correcta. La zona de catálisis, también constituida por un grupo característico de aminoácidos, se encarga de formar o romper enlaces particulares dentro del sustrato, lo cual provoca su transformación. Como cada enzima posee una conformación tridimensional característica, éste sólo puede aceptar a determinados sustratos: ESPECIFICIDAD DE SUSTRATO. En ocasiones, un mismo enzima puede fijar a varias moléculas análogas. Por ejemplo, la hexoquinasa puede catalizar la fosforilación de glucosa, manosa, fructosa, glucosamina y 2- desoxiglucosa, aunque no actúa con la misma eficiencia con todas ellas. Otras veces, el centro activo sólo tolera un tipo de moléculas. Por ejemplo, la D-aminoácido oxidasa sólo fija D-aminoácidos y no L-aminoácidos. Por último, hay enzimas que muestran una especificidad absoluta. La glucoquinasa sólo puede actuar utilizando a la glucosa como sustrato. La tripsina es completamente específica, en el sentido de que rompe los enlaces peptídicos sólo por el lado carboxílico de los residuos de lísina y de arginina. La DNA polimerasa I, un enzima dirigido por molde es un catalizador altamente específico. La secuencia de nucleótidos en el filamento de DNA que está siendo sintetizado está determinada por la secuencia de nucleótidos del otro filamento de DNA que sirve como molde. Las enzimas, además de ser específicas desde el punto de vista del sustrato, también lo son con respecto al tipo de reacción que llevan a cabo sobre él: ESPECIFICIDAD DE ACCIÓN. Así, por ejemplo, las fosfatasas sólo pueden separar los grupos fosfatos de aquellas moléculas con las que reaccionan; para llevar a cabo otro tipo de transformación, se requiere la participación de otra enzima. C) NO ALTERAN LAS REACCIONES, SOLO LAS ACELERAN. Los enzimas aceleran las reacciones multiplicando su velocidad por un millón de veces e incluso más. Sin embargo, por muy sofisticado que llegue a ser un enzima, no puede hacer que la reacción que cataliza, resulte más o menos favorable desde el punto de vista energético. Es decir, si una enzima acelera la velocidad de la reacción en un sentido, A + B AB, en un factor de 10 8, debe acelerar también en un factor 10 8 la velocidad de la reacción contraria, AB A + B. D) NO SE CONSUMEN EN LAS REACCIONES. Por definición, los catalizadores aceleran las reacciones químicas sin que ellos resulten modificados. Por tanto, aunque una enzima pueda estar íntimamente relacionada con la química de una reacción, saldrá de la reacción intacta y lista para realizar la misma tarea una y otra vez. Esto hace que una minúscula cantidad de enzima tenga una gran influencia sobre la actividad química de una célula. E) MAYOR EFECTIVIDAD QUE LOS CATALIZADORES INORGÁNICOS. Existen muchos catalizadores de naturaleza inorgánica como, por ejemplo, el platino, los óxidos de 7

8 cobre, vanadio, zinc, etc. La presencia del catalizador en una reacción química hace que ésta transcurra a una velocidad más alta que si no estuviera presente. Sin embargo, hay que señalar que un catalizador inorgánico acelera tanto la velocidad de reacción directa como la inversa. En el caso de las enzimas, muchas reacciones son impulsadas en una dirección, gracias a su acoplamiento a la hidrólisis del ATP a ADP y Pi. Por tanto, las enzimas presentan una mayor efectividad que los catalizadores inorgánicos. F) DESNATURALIZACIÓN. Dada su naturaleza esencialmente proteica, los enzimas poseen las propiedades de las proteínas, y así, un cambio en las condiciones externas (temperatura, ph, concentración salina...) puede alterar su conformación y, con ello perder su poder catalítico. G) SENSIBILIDAD al ph y a la TEMPERATURA. La introducción o sustracción de iones H+ en el medio (variaciones del ph), altera la frágil estructura molecular de la proteína, por rotura de los débiles enlaces que la mantienen. Siempre hay un nivel de ph en el que la eficiencia del enzima como catalizador es máxima. Cualquier variación de este nivel óptimo provoca un descenso en la velocidad de la reacción. Experiencia para conocer el ph óptimo de un enzima.- Se utilizar un fragmento de tejido animal fresco (por ejemplo, un trozo de hígado) al que se añade, en un tubo de ensayo, agua oxigenada. Por la acción de la catalasa, presente en el tejido, se producirá la reducción del peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) a agua con desprendimiento de oxígeno, lo que producirá la típica efervescencia del agua oxigenada (recordemos dicho fenómeno al aplicar este producto sobre una herida). Si realizamos la experiencia en varios tubos de ensayo a los que hayamos añadido distintas cantidades de un ácido (ej ClH), observaremos que la efervescencia es menor cuanto mayor es la cantidad de ácido añadido, llegando incluso a desaparecer. Lo mismo ocurrirá si, en lugar de ácido añadimos una base (Ej. OHNa). La temperatura provoca diversos efectos: En el caso de que ésta aumente, los compuestos químicos se activan aumentando el número de choques entre ellos. Dichos choques traerán consigo la rotura de los enlaces débiles que mantienen la estructura tridimensional, desestabilizando la enzima. Cuando se produce un descenso de temperatura, los efectos son contrarios a los citados, es decir, descenderá la cantidad de energía, con lo que también disminuirán los choques entre moléculas y, a pesar de mantenerse estable la molécula enzimática, no habrá suficiente energía en el medio para que se produzca la reacción. Esto producirá un descenso de la velocidad de reacción, aunque esté presente el enzima. Comprobación de la efectividad de los enzimas a distintas temperaturas. La pectinestearasa es una enzima presente en zumos de frutas, por ejemplo, de naranjas. Es un hecho bastante conocido el que un zumo de naranja sufre una alteración (concretamente una floculación) si no se consume poco tiempo después de haber exprimido la fruta; este fenómeno se debe a la acción de la enzima pectinesterasa que produce dicha floculación. Este problema se puede resolver eliminando la enzima por desnaturalización por calor (por ejemplo, pasteurización) en unas condiciones no demasiado drásticas para no destruir las vitaminas presentes en el zumo. La experiencia va a consistir en someter a un zumo de naranja recién exprimido, en distintos tubos de ensayo, a varias temperaturas y observar si se produce o no floculación. Si se desea controlar de una forma más precisa las temperaturas, se puede utilizar baños de agua y así podremos saber en cada momento la temperatura que posee el zumo. Se podrá observar la floculación en distinto grado sólo hasta que el zumo alcance la temperatura en que se desnaturalice la enzima, momento a partir del cual, el zumo permanecerá aparentemente inalterado (no se habrá producido floculación). 8

9 5.- MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA Dado que las enzimas modifican la velocidad de las reacciones químicas, es importante conocer la cinética básica y cómo se aplican los principios cinéticos a las reacciones catalizadas por enzimas. La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas. En términos químicos la velocidad se expresa como la variación de la concentración de una determinada sustancia a lo largo del tiempo. La velocidad de la reacción sin el enzima se puede considerar cero (0). Si la concentración de sustrato es constante y saturante, la velocidad de la reacción aumenta en función de la concentración de enzima (Gráfica 2). Por lo tanto, al estudiar la velocidad de la reacción se está midiendo en realidad, la actividad del enzima.. Michaelis y Menten realizaron un estudio experimental sobre la relación que existe entre la velocidad de reacción y la concentración de substrato cuando se mantiene constante la concentración de la enzima (gráfica 3). Dicho estudio les permitió obtener unas gráficas que muestran las siguientes características: A bajas concentraciones de sustrato, la velocidad de reacción aumenta a medida que lo hace la concentración de substrato. La velocidad es proporcional a la [S] y la reacción es de primer orden. Cuando la concentración de substrato es media, la velocidad crece más lentamente y deja de ser proporcional a ella; la reacción es de orden mixto. Para mayores concentraciones de substrato (concentraciones saturantes), la velocidad aumenta poco, de forma que la pendiente de la curva va disminuyendo, tendiendo asintóticamente a un valor máximo de velocidad que nunca llegará a ser alcanzado. En este tramo, la velocidad de la reacción puede considerarse como constante y se dice que la reacción es de orden 0. Ante este comportamiento, se ha propuesto un modelo que explica el proceso de este modo: Cada molécula de enzima se combina con una de substrato, para formar un complejo enzima-substrato. Este complejo se escinde en el momento en que se forma el producto, quedando libres tanto el producto como el enzima. El enzima, una vez liberado, puede iniciar el proceso de nuevo con otra molécula de substrato. Esquema: E + S (ES) E + P. A medida que se aumenta la concentración de sustrato, el enzima tiene más facilidad para encontrar moléculas a las que transformar y esto se manifiesta en un aumento de su actividad (aumento de la velocidad de la reacción). Sin embargo, la actividad de todo enzima tiene un límite. Cuando trabaja en condiciones óptimas y el substrato está en una concentración saturante, el enzima trabaja con la máxima rapidez con la que puede procesar una molécula de substrato. Muchos enzimas pueden transformar del orden de 1000 moléculas de substrato por segundo (número de recambio del enzima) y esto constituye su velocidad máxima de trabajo. Así se explica que por encima de una determinada concentración de substrato, la velocidad de la reacción se haga constante y no aumente. 9

10 A) AFINIDAD ENZIMA-SUSTRATO. Se han propuesto varios modelos para explicar la afinidad enzima-sustrato. La primera propuesta fue el modelo de la "llave y la cerradura" (Ilustración 6) que considera que en la superficie enzimática existe una impresión negativa del sustrato. El sustrato encaja en su centro de fijación de la misma manera que una llave entra en la cerradura adecuada. Este modelo, propuesto por Fischer en 1894, da una visión rígida del enzima y no puede explicar algunos características de los enzimas alostéricos. Un modelo más flexible del centro de fijación es el modelo del acoplamiento o encaje inducido (Ilustración 7) o del ajuste de la mano y el guante. Según este modelo, a medida que el sustrato se acopla en el centro de fijación, induce un cambio conformacional en la enzima que provoca, entre otras cosas, la redistribución de los aminoácidos catalíticos, para situarlos según su conformación activa. Por otra parte, al encajar el sustrato en el enzima, éste adquiere un grado de tensión que le "fuerza" hacia la formación del producto. B) CONCEPTO DE CENTRO ACTIVO Y DE INHIBICIÓN COMPETITIVA. CONCEPTO DE CENTRO ACTIVO.- El centro activo de un enzima es la región que se une al sustrato (y al grupo prostético, si existe). Contiene los residuos que participan en la producción y ruptura de enlaces; estos residuos se denominan grupos catalíticos. Aunque los enzimas difieren ampliamente en estructura, especificidad y modo de catálisis, se puede establecer un número de generalizaciones respecto a sus centros activos: 1) El centro activo supone una porción relativamente pequeña del volumen total 2) El centro activo es una entidad tridimensional, formada por grupos que proceden de distintas partes de una secuencia lineal de aminoácidos. 3) Los centros activos son hoyos o hendiduras. En todos los enzimas de estructura conocida, las moléculas de sustrato quedan ligadas a un hoyo o a una hendidura de la cual el agua ha quedado normalmente excluida, salvo que sea un componente de la reacción. 4) Los sustratos se unen a los enzimas por numerosas fuerzas débiles: enlaces electrostáticos, enlaces de hidrógeno, fuerzas de van der Waals e interacciones hidrofóbicas. 5) La especificidad del enlace depende de la disposición exactamente definida de los átomos del centro activo. Un sustrato debe tener una forma adecuada para introducirse en el centro. La metáfora establecida por Fischer, sobre la llave y la cerradura, ha demostrado ser esencialmente correcta. Sin embargo está actualmente probado que la forma de los centros activos de algunos enzimas se modifica sensiblemente al unirse al sustrato. La inhibición de la actividad enzimática por moléculas específicas pequeñas y por iones es importante porque constituye el principal mecanismo de control en los sistemas biológicos. También muchos fármacos y agentes tóxicos actúan inhibiendo los enzimas. La inhibición enzimática puede ser tanto reversible como irreversible. Dentro de la reversible, hay una variedad que se conoce como inhibición competitiva. 10

11 INHIBICIÓN COMPETITIVA.- Hay sustancias con una estructura análoga a la del sustrato, que colocadas en el medio de reacción compiten con éste para unirse al centro activo de la enzima. Mientras las moléculas de enzima están atrapadas por el inhibidor, no actúan transformando al sustrato y, por lo tanto, la velocidad de la reacción es menor (figura 9). Esquema: I + E + S E-S E + P E-I Este efecto puede contrarrestarse aumentando la concentración de sustrato pues, en este caso, ya que la acción inhibidora es una competencia por la enzima, quien más concentrado se encuentre, dominará sobre el otro en la posesión del centro activo. C) INTEGRACIÓN METABÓLICA DE LAS ENZIMAS: REGULACIÓN ENZIMÁTICA. Hasta este momento hemos estudiado a los enzimas individualmente, sin embargo, en las células hay miles de enzimas y es necesario que estos trabajen de forma coordinada. Por ejemplo, la glucosa de la dieta se puede convertir en: glucógeno, grasa, determinados aminoácidos u oxidarse a dióxido de carbono. En cada caso la glucosa se convierte en un producto final diferente a través de rutas metabólicas específicas en las que están implicados diversos enzimas cada uno de los cuales es único para el tipo de reacción catalizada. Después de la comida, hay una abundancia de glucosa en el sistema, pero no se desvía en cantidades iguales hacia cada uno de los productos mencionados, sino que existen unos mecanismos reguladores que mantienen un nivel constante de glucosa en la sangre, utilizan la glucosa necesaria para la producción de energía, mantienen los depósitos de glucógeno y, si persiste un exceso de glucosa la convierten en grasa. Desde un punto de vista fisiológico, las enzimas se estudian en lo que se conoce como VÍAS METABÓLICAS, grupos de reacciones químicas ligadas, en las que el producto de una se convierte en el sustrato de la siguiente. Estas secuencias se encuentran catalizadas por SISTEMAS MULTIENZIMÁTICOS, en los que encontramos tres niveles de complejidad: 1) En los más simples, las enzimas están en el citoplasma como entidades independientes, siendo los sustratos, que poseen elevadas velocidades de difusión, los que hallan el camino de una enzima a la otra. 2) En otros, las enzimas están asociadas físicamente (complejos enzimáticos), lo que les confiere gran ventaja biológica, limitando la distancia a la que han de difundir los sustratos. 3) Por último, los sistemas más complejos están formados por enzimas que están asociadas a grandes estructuras supramoleculares, como los ribosomas o las membranas. Por ejemplo, la cadena respiratoria. 11

12 El control de la REGULACIÓN METABÓLICA puede hacerse: 1) Controlando la síntesis de uno o más enzimas claves de la ruta mediante estimulación hormonal o por medio de la síntesis de novo de más enzima. Las hormonas también pueden suprimir la síntesis de novo del enzima.. 2) Mediante activadores o inhibidores enzimáticos (ENZIMAS ALOSTÉRICOS). 3) O finalmente, la ruta puede desarrollarse en un compartimento especial (por ejemplo, un orgánulo) y puede regularse, controlando el acceso del sustrato inicial. La regulación alostérica puede ser por: INHIBICIÓN RETROACTIVA (feed back).- Es cuando una secuencia de reacciones es regulada por una enzima que es inhibido por el producto final de la vía. Este tipo de inhibición es fundamental para la célula ya que es el mejor sistema para evitar un exceso de productos que representaría un peligro para la célula o, en cualquier caso, un gasto superfluo. De esta manera, son las propias sustancias las que controlan su síntesis, que se hace mayor cuando escasean y menor cuando hay suficiente cantidad de ellas. ACTIVACIÓN RETROACTIVA.- El enzima que controla la vía metabólica es activado por el producto final de la secuencia de reacciones. REGULACIÓN CRUZADA.- Un producto de una ruta actúa como inhibidor o activador de un enzima presente en los primeros pasos de otra ruta. Una regulación de este tipo se ejerce en la producción de desoxirribonucleótidos para la síntesis de DNA, de tal manera que la cuatro vías metabólicas van a una velocidad parecida y la cantidad de cada tipo de nucleótidos es aproximadamente igual. ACTIVACIÓN POR UN PRECURSOR.- El enzima es activado por un metabolito precursor más o menos lejano de su sustrato inmediato, el cual estimulará a la enzima a iniciar la cadena de reacciones. 3) La COMPARTIMENTACIÓN es el sistema que más eficiencia muestra, ya que así, en cada lugar se desarrollan un tipo de reacciones. No sería lógico, por ejemplo, que la oxidación de los ácidos grasos tuviese lugar al mismo tiempo y en el mismo compartimento que la biosíntesis de los ácidos grasos. Si esto tuviese lugar, se producirían ciclos inútiles. Al realizar la biosíntesis de los ácidos grasos en el citoplasma y su oxidación en la mitocondria, se puede ejercer un control preciso, regulando el transporte de intermediarios comunes a través de la membrana mitocondrial, o por medio de hormonas u otro sistema. 12