ENZIMAS
Son proteínas cuya función es catalizar las reacciones metabólicas de la célula y del organismo (aparato digestivo etc.). Son imprescindibles para el mantenimiento de la actividad vital de todos los seres vivos por la lentitud de estas reacciones en las suaves condiciones que tenemos los organismos vivos, de pH, temperatura, etc. De su grado de actividad dependen el tipo y la velocidad de las reacciones que se lleven a cabo.
Pueden estar formadas sólo por cadenas polipeptídicas o además contener un grupo no proteico (grupo prostético o cofactor). La apoenzima (parte protéica) permite la unión al sustrato y sus Aas pueden ser: no esenciales, estructurales, de unión o catalíticos. El grupo prostético tiene una unión permanente al apoenzima y el cofactor puede estar unido o separado. Los cofactores son iones metálicos o moléculas orgánicas como coenzimas. Las vitaminas participan en los procesos metabólicos en forma de coenzimas.

Propiedades de las enzimas


Por su carácter proteico, las enzimas poseen las mismas propiedades que las proteínas, es decir, se desnaturalizan al ser sometidas a cambios de PH, a variaciones de temperatura y a elevadas concentraciones salinas; y presentan un alto grado de la especificidad, tanto en la selección de los sustratos como en la reacción que catalizan sobre ellos.

El grado de especificidad puede variar. Hay enzimas que muestran una especificad absoluta y sólo actúan sobre un tipo concreto de sustrato, y hay otras que sólo muestran especificidad con respecto a un grupo funcional, como las enzimas esterasas que llevan a cabo la saponificación de cualquier lípido con grupos éster.

Una molécula solo puede ser metabolizada por un ser vivo si existe la enzima adecuada. Por el contrario, la molécula no tiene utilidad metabólica y es eliminada en el curso evolutivo.

La especificidad de reacción significa que para cada tipo de reacción química, existe una enzima diferente, es decir, una enzima cataliza una sola reacción química o un grupo de reacciones estrechamente relacionadas.

Además, las enzimas no se consumen en el transcurso de las reacciones. Las necesidades enzimáticas son muy bajas y cantidades mínimas de enzima pueden transformar grandes cantidades de sustrato.

Sin embargo, las enzimas se alteran y se destruyen con el tiempo, por lo que existe una pérdida. Tampoco la misma enzima actúa eternamente y por tanto, es necesaria una renovación periódica.

Centro activo y especificidad
Mecanismo de las reacciones enzimáticas

Toda reacción química inicia con la rotura de enlaces entre los átomos de las moléculas de los reactivos para formar nuevos enlaces de las moléculas de los productos.

El estado en el que los enlaces están rotos pero todavía no se han formado los nuevos, lo llamamos estado de transición.

Para alcanzarlo es preciso comunicar a los reactivos cierta cantidad de energía, energía de activación.

En las reacciones endotérmicas se necesita energía, mientras que las reacciones exotérmicas la desprenden, aunque para éstas últimas también se necesita la energía de activación.

En las reacciones espontáneas la energía de activación es tan baja que se obtiene de la propia energía cinética de las moléculas o de la luz que incide en el lugar de reacción. En las no espontáneas esta energía es tan alta que no se producen si no se aplica calor. La acción catalizadora de las enzimas consiste en rebajar la energía de activación para llegar fácilmente al estado de transición y permitir que la reacción se lleve a cabo.

Todas las reacciones metabólicas son reacciones catalizadas por enzimas.

Cuando un sustrato encuentra a la enzima correspondiente se produce la reacción catalizada. Hay tres etapas:

1) El sustrato se une a la apoenzima formando el complejo enzima-sustrato (ES). Alto grado de especificidad. Se debe a la estructura proteica de la apoenzima, el centro activo. Hay dos tipos de uniones y las dos son reversibles:

a) Modelo de la llave-cerradura: el centro activo de la apoenzima posee una forma complementaria al sustrato.

b) Modelo de ajuste inducido: el centro activo tiene la capacidad de cambiar su forma según sea la del sustrato.

2) Formado el complejo enzima-sustrato, el cofactor lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final (P). Etapa rápida e irreversible. ES E+P.

En el caso de no haber cofactores, la acción catalítica la realizan algunos aminoácidos del centro activo.

3) El producto se libera del centro activo y la apoenzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato. La coenzima puede liberarse intacta o liberarse quedando modificada.

Cinética enzimática

Gráfica sobre la velocidad con que aparece el producto de una determinada reacción enzimática, en función de la concentración de sustrato inicial, para una cantidad constante de enzima.

Al aumentar la concentración del sustrato, también aumenta la velocidad de la reacción. Esto resulta lógico, ya que mientras existe enzima libre, a mayor número de moléculas de sustrato, más moléculas de producto aparecerán. Pero llega un momento en que, aunque la concentración de sustrato sigue aumentando, la velocidad no varía. Se alcanza velocidad máxima. No hay más enzimas libres.

Factores que influyen en la velocidad de las reacciones enzimáticas.
  • Concentración del sustrato: al aumentar la concentración de sustrato existen más centros activos ocupados y la velocidad de la reacción aumenta hasta que no quedan centros activos libres. A partir de ahí, la velocidad es constante.
  • El PH. Cada enzima tiene un PH óptimo de actuación. Los valores por encima o por debajo de este valor óptimo provocan un descenso de la velocidad enzimática.
Por debajo de un PH mínimo y por enzima de un PH máximo, se produce la desnaturalización de la enzima y su actividad se anula por completo.
  • La temperatura. Existe una temperatura óptima en la que la actividad enzimática es máxima. Las temperaturas inferiores a este valor óptimo dan lugar a una disminución de la vibración molecular que hace más lento el proceso, mientras que temperaturas superiores a la óptima pueden provocar la desnaturalización de la enzima y la pérdida total de su funcionalidad.

Activación enzimática



La presencia de activadores permite que ciertas enzimas que se mantenían inactivas lleven a cabo su acción (se activen). La unión del activador hace que el centro activo adquiera la estructura adecuada para el acoplamiento del sustrato. Cationes con Mg2+ o Ca2+ son activadores enzimáticos. También pueden actuar como activadores algunas moléculas orgánicas y el propio sustrato.

La enzima permanece inactiva hasta que aparece el sustrato. Si no hay sustrato, no es necesaria la actividad enzimática.



Inhibición enzimática

Los inhibidores son sustancias que disminuyen o anulan la actividad de una enzima. Es el proceso inverso a la activación.

Puede ser algún Ion, una molécula orgánica o el producto final de la reacción. En el caso del producto final es en el que la enzima se inhibe cuando ya no se necesita obtener más cantidad de producto. Se llama inhibición feed-back.

La inhibición puede ser:

- Irreversible: cuando el inhibidor (“veneno metabólico”), se une covalentemente a la enzima, alterando su estructura e inutilizándola de forma permanente.

- Reversible: cuando la enzima vuelve a tener actividad una vez eliminada la sustancia inhibidora. La unión del inhibidor con la enzima se realiza con enlaces no covalentes, fáciles de romper.

Según la unión a la enzima hay dos tipos de inhibición reversible:

1) Competitiva. El inhibidor se une al centro activo impidiendo la unión del sustrato. Hay competencia entre ambos. Si es ocupado por el sustrato la reacción se lleva a cabo, pero no se lleva a cabo si lo ocupa el inhibidor. El grado de inhibición dependerá de la proporción entre sustrato e inhibidor. El inhibidor debe tener la forma espacial semejante al sustrato.

2) No competitiva. El inhibidor no compite con el sustrato, sino que se une a otra zona de la enzima distinta del centro activo. Esta unión modifica la estructura de la enzima al tiempo que dificulta el acoplamiento del sustrato. A veces, el inhibidor se une al sustrato e impide la formación del producto.

Alosterismo



Sistema de regulación enzimática preciso. Catalizan, las enzimas alostéricas, algunas reacciones importantes como el primer paso de una ruta metabólica compuesta por varias reacciones consecutivas. También se encuentran en los puntos de ramificación de las rutas metabólicas desde los que se pueden seguir varios caminos alternativos. Características:

- Formadas por varias subunidades, estructura cuaternaria.

- Varios centros de regulación.

- Estado R (la afinidad por el sustrato es alta) que se estabiliza cuando tienen unidos activadores, o estado T (afinidad baja) que se estabiliza cuando tienen unidos inhibidores.

- Efecto cooperativo entre las subunidades. La activación o inhibición de una de ellas provoca el mismo efecto en las demás. Regulación más rápida y menor cantidad de activadores e inhibidores.

- Cinética diferente al resto de enzimas.





Clasificación de enzimas

- Óxidorreductasas: reacciones de oxidación-reducción con pérdida y ganancia de electrones.

- Liasas: adición de moléculas sencillas a dobles enlaces.

- Transferasas: transferencia de grupos funcionales entre moléculas.

- Isomerasas: transformación de un isómero a otro.

- Hidrolasas: hidrólisis.

- Ligasas: unión de moléculas o de un grupo funcional a una molécula, utilizando la energía proporcionada por el ATP.