Enzimas

TEMA 2 - ENZIMAS • Las enzimas son biomoléculas catalizadoras que aumentan la velocidad de las reacciones químicas. • La gran mayoría de las enzimas son proteínas. • Si en el organismo no hubiera enzimas, las reacciones químicas ocurrirían con extrema lentitud y los procesos fisiológicos no se podrían llevar a cabo. Las enzimas aceleran las reacciones químicas millones de veces, por lo que su actividad catalítica determina qué reacciones suceden en una célula. • Las sustancias que participan en una reacción química catalizada por enzimas se llaman sustratos y las sustancias que resultan de la reacción se llaman productos. • Una reacción química catalizada por enzimas puede tener uno o varios sustratos y pueden resultar uno o varios productos. • La enzima se une transitoriamente a el o los sustratos, formando un complejo enzimasustrato donde se dan los cambios químicos requeridos para generar sustancias diferentes, el o los productos. • Los productos son liberados por la enzima, que vuelve a su estado original y queda lista para catalizar la reacción con nuevos sustratos

Enzima

Enzima Complejo enzima-sustrato

+

+

Sustrato

Productos

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• Las reacciones químicas se producen cuando los sustratos poseen energía suficiente para alcanzar un estado activado llamado estado de transición en el que es muy fácil que se rompan o se formen uno o más enlaces químicos para formar los productos. • La energía que se necesita para que los sustratos lleguen al estado de transición se llama energía de activación. Las enzimas se unen a los sustratos y bajan la energía de activación, acelerando la reacción.

= energía de activación

Tomado de Stryer, L., Berg, J., Tymoczko J. (2013) Bioquímica con aplicaciones clínicas (p. 225). Barcelona, España: Editorial Reverté.

Estructura de las enzimas • Las enzimas son proteínas globulares que en su superficie tienen un centro activo, que es el sitio de la proteína que interactúa con el o los sustratos. Cada enzima tiene una secuencia de aminoácidos distinta y por lo tanto las cadenas laterales de los aminoácidos que forman el centro activo tienen distintas propiedades químicas en cada enzima. Esto permite que al centro activo de cada enzima se una a sustratos que tienen una composición química complementaria a la del centro activo, lo que les permite formar enlaces no covalentes. Esto determina que la unión entre la enzima y el o los sustratos sea específica. • Una vez unidos a la enzima, el o los substratos quedan a una distancia y en una orientación óptimas para llegar al estado de transición, por lo que la reacción química procede a una velocidad muchísimo mayor de la que procedería sin enzima. • Una vez que la reacción ha sido catalizada, los productos salen del centro activo y este queda libre para catalizar otra reacción.

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Regulación de la actividad de las enzimas • La actividad de las enzimas puede depender simplemente de la cantidad de sustratos presentes o puede estar sujeta a regulación por factores externos. En el primer caso, las enzimas se llaman no reguladas y en el segundo reguladas. Enzimas no reguladas • Las enzimas no reguladas son aquellas cuya actividad no está sujeta a regulación externa. Su centro activo siempre está disponible para que entren los sustratos y por lo tanto las reacciones químicas que catalizan ocurrirán si los sustratos están presentes. • Las reacciones catalizadas por enzimas no reguladas tienen la característica de que la misma enzima que se une a los sustratos y cataliza la generación de los productos puede unirse a los productos y convertirlos nuevamente en sustratos, es decir catalizar la reacción inversa. Estas reacciones se llaman reversibles.

A+B

C+D Enzima no regulada

• La dirección en la que proceden las reacciones reversibles depende únicamente de la concentración de los sustratos y los productos. Mientras exista más concentración de sustratos la reacción procederá hacia la generación de productos, pero si la concentración de los productos llega a ser mayor que la de los sustratos la reacción procederá en la dirección inversa hasta que las concentraciones se igualen. Enzimas reguladas • Las enzimas reguladas son aquellas cuya acción no depende de la cantidad de sustratos presente sino de un factor regulador externo que determina si la reacción química se necesita o no. • Estas enzimas tienen dos estados: • Un estado activo en el cual su centro activo está accesible a los sustratos. • Un estado inactivo en el cual el centro activo no está accesible a los sustratos porque no está en una conformación adecuada o porque está bloqueado físicamente. • El factor regulador externo determina si la enzima está en el estado activo o inactivo.

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• Cuando están activas, las enzimas reguladas son capaces de catalizar la reacción química en una sola dirección. Es decir que para que los productos de esa reacción vuelvan a convertirse en los sustratos se necesita de otra enzima regulada. Este tipo de reacciones se llaman irreversibles y no depende de la concentración de los sustratos sino de la presencia o ausencia del factor regulador.

A+B

C+D

A+B

Enzima regulada 1

Enzima regulada 2

C+D

• Las reacciones irreversibles catalizadas por enzimas reguladas constituyen puntos de regulación importantes para procesos fisiológicos. • Existen 2 tipos de enzimas reguladas: • Enzimas reguladas alostéricas: se regulan por la unión específica de una molécula reguladora llamada factor alostérico o modulador a un sitio de la enzima diferente al sitio activo. Esta unión produce un cambio de conformación en la enzima que puede facilitar o bloquear la unión del sustrato. • Un factor alostérico activador o modulador positivo es aquel que se une a la enzima en estado inactivo y produce un cambio de conformación en la enzima que hace que el centro activo quede accesible a los sustratos.

Sustrato

Factor alostérico activador

Centro activo inaccesible

Enzima activa

Enzima inactiva

Sitio alostérico

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• Un factor alostérico inhibidor o modulador negativo es aquel que se une a la enzima en estado activo y produce un cambio de conformación en la enzima que hace que el centro activo quede inaccesible a los sustratos. Factor alostérico inhibidor Sustrato Centro activo accesible

Enzima activa

Enzima inactiva

Sitio alostérico

• La naturaleza del factor alostérico es variable: puede ser un sustrato o producto de la reacción catalizada por la enzima, un producto de otra reacción relacionada u otras moléculas cuya concentración varíe por procesos relacionados a la reacción. Sea cual sea la naturaleza del factor alostérico, este siempre es una señal que indica a la enzima que la reacción debe realizarse o no sin importar la concentración de sustrato presente. • Cuando un factor alostérico inhibidor es el producto de la reacción o de una reacción posterior que depende de la reacción catalizada por la enzima, la inhibición de la enzima recibe el nombre de retroalimentación negativa. • Enzimas reguladas modificadas covalentemente: son aquellas que se activan o inactivan por adición de un grupo químico que afecta de alguna manera al centro activo, haciéndolo accesible o inaccesible a los sustratos. • El grupo químico que regula la actividad de la enzima se une por un enlace covalente. La formación de enlaces covalentes requiere de una reacción química catalizada por otra enzima. Por lo tanto, las enzimas modificadas covalentemente son reguladas por otras enzimas que a su vez son enzimas reguladas. La existencia de varios niveles de regulación permite que las células integren señales que les indiquen si una reacción química debe proceder. Por ejemplo, la hormona insulina actúa sobre receptores celulares que inician una cascada de activación de enzimas que finalmente activan o inactivan varias enzimas reguladas de vías metabólicas importantes.

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• El grupo químico que con mayor frecuencia se añade a las enzimas reguladas modificadas covalentemente es el fosfato. La adición del grupo fosfato es catalizada por enzimas llamadas cinasas y su eliminación por enzimas llamadas fosfatasas. • Existen enzimas que requieren que el grupo fosfato esté presente para que a su centro activo se puedan unir los sustratos. Por lo tanto, estas enzimas estarán activas solamente cuando esté activa la cinasa que las fosforila: Sustrato Grupo fosfato

P

P

Centro activo inaccesible

Enzima activa

Enzima inactiva Cinasa

• Otras enzimas requieren que el grupo fosfato no esté presente para que a su centro activo se puedan unir los sustratos. Por lo tanto, estas enzimas estarán activas solamente cuando esté activa la fosfatasa que separa el grupo fosfato de la enzima:

Sustrato Grupo fosfato Centro activo inaccesible

P

P

Enzima activa

Enzima inactiva Fosfatasa

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Cofactores enzimáticos • Los cofactores enzimáticos son sustancias no proteicas que algunas enzimas requieren para realizar su acción catalítica. Su unión a la enzima es necesaria porque transfieren grupos químicos o estabilizan uniones de moléculas durante la reacción. La enzima sin cofactor no es funcional y se llama apoenzima. El complejo funcional formado por la enzima y el cofactor se llama holoenzima. • Los cofactores de naturaleza orgánica se llaman coenzimas. Las coenzimas son moléculas complejas derivadas de las vitaminas y no se unen fuertemente a la apoenzima sino que lo hacen transitoriamente. • Los cofactores inorgánicos son metales pesados (hierro, cobre, magnesio, manganeso, níquel, zinc).

Bibliografía Stryer, L., Berg, J., Tymoczko J. (2013) Bioquímica con aplicaciones clínicas. Barcelona, España: Editorial Reverté. Lieberman, L., Marks, A., Peet A. (2013) Marks’ Basic Medical Biochemistry. Philadelphia, PA: Lippincott, Williams & Wilkins.

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