ENZIMAS I TEMA Introducción

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1 TEMA 7 ENZIMAS I 1. Introducción 2. Las enzimas como catalizadores 3. Nomenclatura y clasificación de enzimas 4. Cofactores enzimáticos 5. Modelos de actuación de las enzimas 1. Introducción La vida depende de la existencia de unos catalizadores muy potentes y altamente específicos denominados enzimas. De hecho, todos los pasos de todos los procesos metabólicos están catalizados por enzimas y la capacidad catalítica se considera, junto con la capacidad de autorreplicación, una de las características fundamentales de la vida. Con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de RNA catalítico (los ribozimas), todas las enzimas conocidas son proteínas. El nombre de enzima ("en la levadura") no se empleó hasta 1877, pero mucho antes ya se sospechaba que ciertos catalizadores biológicos intervenían en muchos procesos. Así en 1850, Louis Pasteur concluyó que la fermentación de azúcar en alcohol por levaduras estaba catalizada por lo que llamó fermentos, que él consideraba inseparable de las células de levadura vivas. En 1897, Büchner, consiguió extraer las enzimas que catalizaban la fermentación alcohólica de las células de levadura, terminando así con la teoría vitalista. No obstante hubo que esperar hasta 1926, cuando Sumner consiguió purificar y cristalizar por primera vez una enzima, la ureasa, para demostrar su naturaleza proteica. En la actualidad se conocen más de 2000 enzimas diferentes, muchas de las cuales se han aislado en forma pura. Se utilizan potentes técnicas de purificación y secuenciación, técnicas de difracción de rayos X, RMN, etc., para conocer sus envíeles estructurales, y técnicas de mutagénesis dirigida para conocer más sobre su funcionalidad y sus mecanismos de actuación. 72

2 2. Las enzimas como catalizadores La función principal de las enzimas es actuar como catalizadores de las reacciones de los seres vivos; como tales catalizadores tienen ciertas características que vamos a estudiar a continuación. Todas las reacciones químicas tienen lugar porque cierta fracción de la población de moléculas reactantes poseen la suficiente energía como para alcanzar un estado activado, llamado estado de transición, en el que es muy elevada la probabilidad de que se rompan o se establezcan enlaces para formar los productos. Este estado de transición reside en la cima de la barrera energética que separa los reactantes de los productos, como muestra la Figura 1. En ella se observa el diagrama de energía para una reacción química, no catalizada y catalizada, donde la energía libre de activación es la cantidad de energía necesaria para llevar todas las moléculas de un mol de sustancia, a una temperatura determinada, al estado de transición. Figura 1. Evolución energética de una reacción química. Se observa la diferencia energética entre los estados de transición de las reacciones catalizada y no catalizada. Existen dos métodos generales mediante los cuales puede acelerarse la velocidad de una reacción química. Uno de ellos es la elevación de la temperatura (ya que provoca un incremento en la velocidad de las moléculas); el otro consiste en utilizar un catalizador. El catalizador se combina con los reactantes de modo transitorio 73

3 activándolos, produciendo un estado de transición de menor energía que en la reacción no catalizada. Una vez formados los productos el catalizador queda libre, y puede ser de nuevo utilizado. Las enzimas disminuyen la energía de activación, de tal forma que aumentan la velocidad de la reacción catalizada, sin afectar a las funciones termodinámicas ni a las constantes de equilibrio. La Tabla 1 muestra una comparación de las energías de activación para la descomposición del peróxido de hidrógeno, en ausencia o presencia de un catalizador. En ella se puede apreciar cómo el catalizador enzimático baja aún más la barrera energética que ha de superarse desde el nivel de reactivos para alcanzar el estado de transición. Esta es una característica común de las enzimas. Su alto poder catalítico se debe en parte a su alta especificidad por los sustratos, la cuál puede ser absoluta para un único sustrato o relativa, cuando permite la reacción de compuestos diferentes pero con una estructura similar. Tabla 1 Descomposición enzimática del agua oxigenada. comparación de las energías de activación para la descomposición del peróxido de hidrógeno, en ausencia o presencia de un catalizador Reacción Catalizador Temperatura (ºC) Energía (Kcal/mol) Descomposición Ninguno de H 2 O 2 Fe Catalasa 22 1,7 La especificidad de las enzimas es muy importante para los seres vivos. Cada célula contiene varios cientos de miles de compuestos diferentes, y existen muchas combinaciones posibles entre las reacciones químicas que estos compuestos pueden experimentar. Las enzimas cuidan de que tengan lugar, de manera específica, aquellas reacciones que son esenciales e indispensables para que la célula viva. 74

4 Además de la especificidad y la alta eficiencia, otras dos características que diferencian a las enzimas de los catalizadores químicos, son que las enzimas pueden saturarse por sustrato y tienen capacidad para regular su actividad. 3. Nomenclatura y clasificación de las enzimas Muchas enzimas han sido designadas añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato, es decir, la molécula sobre la cuál ejerce su actividad catalítica. Por ejemplo la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea, y la arginasa cataliza la hidrólisis de la arginina. Otras enzimas han recibido su nombre en función del tipo de reacción que catalizan; así la Gliceraldehído-3-fosfato-deshidrogenasa cataliza la deshidrogenación (oxidación) del Gliceraldehído-3-fosfato a 3-fosfoglicerato. Incluso algunas se conocen de hace mucho tiempo y mantienen su nombre, sin dar información alguna del sustrato o la reacción que catalizan (tripsina). No obstante, existe una clasificación sistemática de las enzimas que las divide en 6 grandes grupos, cada uno de los cuales se divide a su vez en subclases: 1: Oxido-reductasas (reacciones de oxido-reducción) 2: Transferasas (transfieren grupos funcionales) 3: Hidrolasas (reacciones de hidrólisis), 4: Liasas (reacciones de adición a los dobles enlaces) 5: Isomerasas (reacciones de isomerización) 6: Ligasas (formación de enlaces con consumo de ATP). A cada enzima se le asigna un número con cuatro dígitos. Los tres primeros indican la clase, subclase y sub-subclase, respectivamente, y el último es un número de orden. La Tabla 2 muestra la clasificación internacional de las enzimas en los seis grupos antes citados. 75

5 Tabla 2 Clasificación internacional de enzimas. Así, por ejemplo, la enzima alcohol deshidrogenasa (EC, ), es una oxidoreductasa (1.), que cataliza la oxidación de etanol (1.1.) a acetaldehído, utilizando NAD + (1.1.1.) como aceptor de electrones y por lo tanto pertenece al grupo 1, se designa como EC Cofactores enzimáticos La actividad de algunas enzimas depende solamente de su estructura como proteína, mientras que otras necesitan, además, uno o más componentes no proteicos, llamados cofactores. El cofactor puede ser un ion metálico o bien una molécula orgánica, llamada coenzima, aunque algunos enzimas necesitan de ambos. El cofactor puede estar fuertemente unido a la proteína (suele ser el ión metálico, aunque puede igualmente ser un coenzima) y recibe entonces el nombre 76

6 de grupo prostético, o débilmente unido, por lo que en realidad actúa como un sustrato específico de la enzima (co-sustrato; suele ser una molécula orgánica, coenzima). El complejo enzima-cofactor catalíticamente activo recibe el nombre de holoenzima. Cuando se separa el cofactor, la proteína restante, que por sí misma es inactiva catalíticamente, se designa con el nombre de apoenzima. HOLOENZIMA = APOENZIMA + COFACTOR Centro activo Holoenzima Apoenzima Cofactor En las enzimas el cofactor puede actuar como centro catalítico primario, grupo puente para reunir el sustrato y la enzima ó agente estabilizante de la actividad enzimática (conformación). La Tabla 3 muestra una relación de iones metálicos que actúan como cofactores de enzimas. Tabla 3 Iones metálicos como cofactores. 77

7 Por su parte, cada uno de los coenzimas catalogados suele contener en su estructura, alguna vitamina (sustancias orgánicas que, en cantidades mínimas, son vitales para el funcionamiento de todas las células, y deben figurar en la dieta de algunas especies) o molécula derivada de ella. Los coenzimas actúan por lo general como transportadores intermedios de átomos específicos o de electrones. La Tabla 4 muestra algunos de los coenzimas más habituales en la catálisis enzimática. Tabla 4 Algunos coenzimas mayoritarios en catálisis enzimática. Entre las distintas cofactores enzimáticos, el NAD + /NADH (nicotinamida adenin dinucleótido) y el FAD/FADH 2 (falvin adenin dinucleótido), en sus forma oxidada/reducida, constituyen coenzimas esenciales en el metabolismo, como aceptores, transportadores y donadores electrónicos. La siguiente figura muestra el par redox NAD + /NADH. 78

8 Estructura del NAD(P)H en su forma oxidada y reducida, ambas requieren como precursor la vitamina ácido nicotínico (en azul). El ácido nicotínico es una vitamina precursora del NADH y del NADPH, su falta produce una enfermedad conocida con el nombre de pelagra, aunque nuestro organismo puede producir esta vitamina a partir del aminoácido triptófano, en dietas pobres en proteínas, en la que está limita el aporte del aminoácido, se puede producir la deficiencia. 5. Modelos de actuación de las enzimas Para explicar la actividad catalítica de las enzimas, se ha propuesto un mecanismo general, en dos etapas: S + E ES P + E En la primera etapa, la enzima (E) se une a la molécula de sustrato (S), para formar el complejo enzima-sustrato (ES). En una segunda etapa, el complejo se fragmenta dando lugar al producto (P) y a la enzima (E), que vuelve a estar disponible para reaccionar con otra molécula de sustrato. Por lo general, la molécula de enzima es mucho mayor que la del sustrato por lo que sólo una pequeña parte de la enzima está implicada en la formación del complejo; esta región que interacciona con el sustrato y en la que tiene lugar la reacción, se 79

9 denomina sitio activo de la enzima. El sitio activo es un dominio tridimensional de la enzima con una distribución de los grupos única para posibilitar la unión a su sustrato específico. Dichos grupos del enzima no tienen por qué ser necesariamente consecutivos en la secuencia de la proteína y reciben el nombre de centros catalíticos. El modelo más conocido sobre el mecanismo de reacción de las enzimas es el de Fischer, quien propuso que la molécula de sustrato se adapta al centro activo de la enzima del mismo modo que lo haría una llave al encajar en una cerradura, es decir, que tienen una relación estructural complementaria (Figura 2). No obstante, esta hipótesis tiene ciertas limitaciones, así si el centro activo posee una estructura prediseñada para el sustrato, en caso de que sea un proceso reversible, dicho sitio activo también debería estar perfectamente diseñado para que encaje el producto de la reacción. De la misma forma, la teoría de la llave-cerradura tampoco explica bien algunos fenómenos de inhibición enzimática. Figura 2. Modelos de acción enzimática. Modelo llave-cerradura de Fischer. Otra hipótesis más aceptada actualmente es la del enzima flexible o de ajuste inducido (modelo de Koshland), que sugiere que el sitio activo no necesita ser una cavidad geométricamente rígida y preexistente, sino que dicho sitio activo debe tener una disposición espacial, precisa y específica, de ciertos grupos de la enzima que al interaccionar con el sustrato se adaptan y ajustan a su estructura (Figura 3). 80

10 Figura 3. Modelos de acción enzimática. Modelo de ajuste inducido de Koshland. Independientemente del modelo, una vez formado el complejo enzima sustrato, mediante un mecanismo de distorsión, se activan los enlaces que hay que romper y se aproximan los grupos que hay que enlazar, favoreciendo la formación del producto resultante de la reacción catalizada y quedando la enzima libre para comenzar de nuevo el proceso catalítico. Una visión gráfica de esta distorsión enzimática puede observarse con claridad en la enzima hexoquinasa, que cataliza la fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato, durante la glucólisis. Como muestra la Figura 4, la unión de la glucosa hace que dos dominios de la enzima se plieguen uno hacia el otro, con lo que se cierra la hendidura del sitio activo al que se une la glucosa. Figura 4. Modelo de ajuste inducido de Koshland. Hexoquinasa. 81