Las Enzimas: Fundamentos de la Catálisis Biológica

Las reacciones químicas son procesos en los que se produce la transformación de unas sustancias iniciales o reactivos en otras sustancias finales o productos. Este paso no se verifica directamente, sino que se realiza a través de una etapa intermedia, denominada etapa de transición o estado activado.

Este es un estado inestable, altamente energético y de muy corta duración, en el que los reactivos se activan, debilitándose algunos de sus enlaces, lo que favorece su ruptura y la formación de otros nuevos. Para que los reactivos alcancen la etapa de transición y la reacción se produzca, es necesario suministrarles una cierta cantidad de energía, denominada energía de activación. Esta energía se puede suministrar calentándolos a temperaturas (Tª) elevadas, sometiéndolos a descargas eléctricas o mediante otras fuentes de energía.

Catalizadores y Biocatalizadores

Los catalizadores son compuestos químicos de distinta naturaleza que facilitan y aceleran las reacciones químicas porque disminuyen la cantidad de energía de activación que se necesita para que estas ocurran. Los catalizadores no se consumen en la reacción que catalizan; actúan únicamente mediante su presencia. Por ello, cuando termina la reacción, quedan libres y pueden volver a utilizarse de nuevo, por lo que se necesitan en pequeñas cantidades.

Los catalizadores que actúan en los seres vivos se denominan biocatalizadores y son imprescindibles para que las reacciones se produzcan adecuadamente por dos razones:

1. En los seres vivos, los reactivos no pueden ser calentados a Tª elevadas ni se pueden someter a fuertes descargas eléctricas, ya que eso destruiría a las propias células.
2. En los seres vivos se produce una enorme cantidad de reacciones químicas, lo que haría necesaria una enorme cantidad de energía para que se pudieran llevar a cabo sin ayuda.

Los biocatalizadores son las enzimas, vitaminas y hormonas, aunque las que realmente intervienen como catalizadores son las enzimas.

Definición y Características de las Enzimas

Las enzimas son biocatalizadores producidos en las células que catalizan (facilitan y aceleran) las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos, ya que disminuyen la energía de activación que se necesita, permitiendo que se produzcan a velocidades y temperaturas adecuadas.

Como catalizadores que son, actúan mediante su presencia, no se consumen en la reacción y, al finalizar esta, quedan libres, pudiendo utilizarse de nuevo. Por eso se necesitan en pequeñas cantidades.

Además, tienen otras características fundamentales:

• Son muy específicas, por lo que actúan en una determinada reacción sin alterar otras.
• Actúan a temperatura ambiente (la del ser vivo).
• Actúan en condiciones suaves de pH.
• Son muy activas; algunas aumentan la velocidad de la reacción más de un millón de veces.

Las enzimas suelen realizar su acción en las células en las que se producen, aunque a veces pueden actuar fuera de ellas (ej. enzimas digestivas).

Composición Molecular de las Enzimas

Generalmente, las enzimas son proteínas globulares, que tienen pesos moleculares muy elevados (12.000 – 10⁶ uma), por lo que su tamaño es mucho mayor que el de la molécula sobre la que actúa, a la que se denomina sustrato. Son solubles en agua y se difunden fácilmente en los líquidos orgánicos.

Excepcionalmente, existen algunas moléculas de ARN, denominadas ribozimas, que también tienen función catalítica.

Tipos de Enzimas según su Composición

1. Enzimas que son proteínas simples u holoproteínas

   Están formadas únicamente por una o varias cadenas de aminoácidos. Son poco frecuentes; un ejemplo lo constituye la ribonucleasa, que cataliza la hidrólisis del ARN.

2. Enzimas que son proteínas conjugadas o heteroproteínas (Holoenzimas)

   Estas son la mayoría. En este caso, se denominan holoenzimas. En ellas se diferencia una parte proteica llamada apoenzima y una parte no proteica denominada cofactor.

   El cofactor puede ser de distinta naturaleza:

   • Pueden ser cationes metálicos como: Fe⁺⁺, Mg²⁺, Cu²⁺ o Zn²⁺. Ej. la citocromo oxidasa, que tiene como cofactor un átomo de hierro y uno de cobre.
   • Pueden ser moléculas orgánicas complejas. En este caso se denominan:
     • Coenzimas: Si se unen débilmente y de forma temporal al apoenzima (por ejemplo, el NAD⁺, FAD, etc.). Algunos de ellos tienen en su composición una vitamina.
     • Grupo prostético: Si se unen mediante enlaces covalentes y de forma permanente al apoenzima (por ejemplo, el grupo hemo del citocromo c).

Tanto la apoenzima como el cofactor son inactivas por sí mismas; deben estar unidas para que la enzima (holoenzima) sea activa. El apoenzima determina la especificidad de la reacción (es decir, el sustrato sobre el que puede actuar), mientras que el cofactor presenta los grupos que permiten la transformación del sustrato. Un mismo cofactor puede ser constituyente de diferentes holoenzimas.

Mecanismo de la Acción Enzimática

En toda reacción enzimática se diferencian dos fases principales:

1. Fijación del Sustrato y Formación del Complejo Enzima-Sustrato

   El sustrato (reactivos) se fija específicamente a la enzima, formándose el complejo enzima-sustrato (E-S). La unión entre la enzima y el sustrato se debe a enlaces débiles (puentes de hidrógeno, atracciones electrostáticas, etc.), que se rompen fácilmente una vez que la enzima ha realizado su acción. La unión se produce en una zona de la enzima denominada centro activo.

   El centro activo es una pequeña región de la superficie de la enzima que tiene forma de hueco o repliegue, y cuya estructura tridimensional se adapta perfectamente a la estructura complementaria del sustrato. Este centro activo está formado por:

   • Los aminoácidos de unión: Son los que unen la enzima al sustrato.
   • Los aminoácidos catalíticos: Son los que realizan la acción enzimática.

   Estos aminoácidos pueden encontrarse muy alejados en la secuencia de la proteína enzimática, pero se encuentran muy próximos entre sí debido a la estructura terciaria de la proteína. Por eso, si la proteína enzimática se desnaturaliza, el centro activo se destruye y la enzima deja de realizar su función. Una vez que la enzima se une al sustrato, actúan sobre él los aminoácidos catalíticos, que producen la ruptura de enlaces y la formación de otros nuevos, transformando el sustrato en producto. Cuando la enzima presenta un cofactor, este se localiza en el centro activo.

2. Liberación de los Productos

   Una vez producida la acción enzimática, el complejo enzima-sustrato se desintegra, quedando libre por un lado la enzima (la cual podrá volver a ser utilizada de nuevo) y, por otro lado, el sustrato ya convertido en producto.

Especificidad Enzimática

Una de las características más importantes de las enzimas es su alta especificidad sobre la reacción que catalizan. Cada enzima cataliza un solo tipo de reacción y casi siempre actúa sobre un único sustrato o sobre un grupo muy reducido de ellos. Esta especificidad se debe a la complementariedad que debe existir entre el sustrato y el centro activo de la enzima.

La especificidad se establece a dos niveles:

• Especificidad de acción: Una enzima solo puede realizar un determinado tipo de reacción (hidrólisis, óxido-reducción, etc.).
• Especificidad de sustrato: Cada enzima solo puede actuar sobre un sustrato o sobre un reducido número de sustratos. Esta especificidad puede ser:
  • Absoluta: La enzima actúa sobre un único sustrato. Ej. la ureasa actúa sobre la urea y la desdobla en CO₂ y NH₃.
  • De grupo: La enzima actúa sobre un grupo de sustratos que presentan un determinado tipo de enlace. Ej. las descarboxilasas eliminan un grupo CO₂ de los aminoácidos.
  • Estereoquímica: La enzima actúa sobre un estereoisómero y no sobre el otro. Ej. la aspartasa actúa sobre el L-aspártico y no sobre la forma D.

Factores que Influyen en la Actividad Enzimática

La eficacia de una enzima se mide por la velocidad de transformación del sustrato en producto. La actividad de las enzimas se ve afectada por diversos factores, entre los que destacan los siguientes:

Concentración del Sustrato

En toda reacción catalizada por una enzima, si se mantiene constante la concentración de la enzima (E), la velocidad de la reacción aumenta exponencialmente al incrementarse la concentración del sustrato (S), ya que al existir más moléculas de sustrato es más probable el encuentro con la enzima y la formación del complejo E-S.

Este aumento de velocidad es rápido para concentraciones bajas de sustrato y, a medida que este aumenta, se va haciendo más lento hasta que la concentración del sustrato alcanza un cierto valor. A partir de este punto, aunque aumente la concentración del mismo, no aumenta la velocidad de la reacción. Esto se debe a que la enzima está saturada por el sustrato; es decir, todas las moléculas de la enzima están unidas al sustrato formando el complejo E-S. Cuando esto ocurre, se dice que la reacción ha alcanzado la velocidad máxima (V_máx).

En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten estudiaron la variación de la velocidad de una reacción enzimática en función de la concentración del sustrato y propusieron la ecuación que lleva sus nombres, válida para concentraciones de sustrato no saturantes.

La Constante de Michaelis-Menten (K_m)

La K_m es una constante característica de cada enzima. Se define como la concentración de sustrato necesaria para que la velocidad de la reacción sea la mitad de la velocidad máxima (V_máx/2). Se mide en unidades de concentración.

La K_m nos indica la afinidad de una enzima por su sustrato:

• Si K_m es alta, indica que la enzima tiene poca afinidad por el sustrato, ya que se necesita una concentración de sustrato elevada para alcanzar la mitad de la velocidad máxima.
• Si K_m es baja, indica que la enzima tiene mucha afinidad por el sustrato, ya que se necesita una concentración de sustrato baja para alcanzar la mitad de la velocidad máxima.

Temperatura

La temperatura (Tª) influye en la actividad enzimática. En general, por cada 10ºC que aumente la temperatura, la velocidad de la reacción aumenta de 2 a 4 veces. Esta regla se cumple hasta que la temperatura alcanza un valor máximo (temperatura óptima), donde la actividad es máxima. Esto se debe a que al aumentar la Tª, aumenta el movimiento de las moléculas y, por tanto, aumenta la probabilidad de encuentro entre el sustrato (S) y la enzima (E).

Si la Tª aumenta por encima de la temperatura óptima, disminuye e incluso cesa la actividad enzimática debido a que la enzima se desnaturaliza.

Cada enzima posee una Tª óptima; en las enzimas humanas suele estar alrededor de 37ºC. Los animales poiquilotermos, debido a que carecen de mecanismos para regular la Tª corporal, se ven obligados a hibernar en la estación fría, pues la actividad de sus enzimas es muy baja a bajas temperaturas.

pH

El pH es otro factor que influye en la actividad enzimática, debido a que afecta la ionización de los grupos funcionales de los aminoácidos que forman la proteína enzimática. Cada enzima realiza su acción dentro de un determinado intervalo de pH. Dentro de este intervalo, habrá un pH óptimo donde la actividad enzimática será máxima.

Por debajo del pH mínimo o por encima del pH máximo, la enzima se inactiva, ya que se desnaturaliza. En la mayoría de las enzimas, el pH óptimo está próximo a la neutralidad, aunque hay excepciones.

Inhibidores

Son compuestos químicos que se unen a la enzima, en distintos puntos de la misma, y disminuyen o incluso impiden su actividad. Estos compuestos pueden ser de distintos tipos: iones, moléculas orgánicas y, a veces, el producto final de la reacción. A la acción que realizan se la denomina inhibición.

La inhibición puede ser:

• Inhibición Irreversible

  Ocurre cuando el inhibidor impide permanentemente la actividad enzimática, bien porque se une de forma permanente con grupos funcionales importantes del centro activo o bien porque altera su estructura. A estos inhibidores se les denomina venenos y a la inhibición que realizan se la denomina envenenamiento de la enzima. Ej. La penicilina, que inhibe las enzimas que sintetizan la pared bacteriana. El ión cianuro actúa sobre la citocromo oxidasa (enzima respiratorio).

• Inhibición Reversible

  El inhibidor se une a la enzima de forma temporal mediante enlaces débiles e impide el normal funcionamiento de la misma, pero no la inutiliza permanentemente. Puede ser de dos tipos:

  1. Competitiva: El inhibidor es similar al sustrato y se puede unir al centro activo de la enzima, impidiendo que lo haga el sustrato. Es decir, ambos, inhibidor y sustrato, compiten por unirse al centro activo de la enzima. La acción suele anularse aumentando la concentración del sustrato.
  2. No Competitiva: El inhibidor no compite con el sustrato. Puede actuar de dos formas:
     • Sobre la enzima, uniéndose a ella en un lugar diferente al centro activo y modificando su estructura, lo que dificulta que la enzima se pueda unir con el sustrato.
     • Sobre el complejo E-S, uniéndose a él y dificultando su desintegración y, por lo tanto, la formación de los productos.

Nomenclatura y Clasificación de las Enzimas

La forma de nombrar a las enzimas ha cambiado a lo largo de la historia. Al principio se las nombró sin seguir unas normas, a capricho (Ej. pepsina, ptialina, etc.). Estos nombres aún hoy día se siguen utilizando por la fuerza de la costumbre.

Hoy día, a muchas se las nombra con el nombre del sustrato acabado en -asa (Ej. Maltasa, Sacarasa, etc.).

Aunque la forma más correcta de nombrar una enzima es la siguiente:

1. Se nombra el sustrato sobre el que actúa.
2. A continuación, el nombre de la coenzima, si la hay.
3. Por último, la función que realiza acabado en -asa.

Ej. Lactato nicotinamida deshidrogenasa. Generalmente, el nombre de la coenzima no se escribe, quedando Lactato deshidrogenasa.

Clasificación Internacional (Según el Tipo de Reacción)

Las enzimas se han dividido en 6 grupos según el tipo de reacción que catalizan. A cada uno de estos grupos se les designa con el nombre de la reacción acabado en -asa.

1. Clase I: Oxidorreductasas

   Catalizan reacciones de óxido-reducción o redox. Normalmente, las reacciones de oxidación van siempre acopladas a las de reducción, pues cuando un compuesto se oxida, otro se reduce.

2. Clase II: Transferasas

   Catalizan reacciones en las que se transfieren grupos funcionales de un compuesto a otro.

3. Clase III: Hidrolasas

   Catalizan reacciones de hidrólisis, es decir, la ruptura de enlaces con la intervención del agua. A este grupo pertenecen las enzimas digestivas.

4. Clase IV: Liasas

   Catalizan la adición y separación de grupos funcionales sin la intervención de agua, mediante la eliminación o la formación de dobles enlaces.

5. Clase V: Isomerasas

   Catalizan reacciones de isomerización, que producen reordenaciones de los átomos dentro de la molécula.

6. Clase VI: Ligasas o Sintetasas

   Catalizan la unión de dos moléculas para sintetizar una mayor. Obtienen la energía necesaria para crear el enlace de la hidrólisis del ATP.