La especificidad de las enzimas

Las enzimas

Verdaderas llaves maestras del metabolismo celular, constituyen los catalizadores orgánicos más eficientes de la naturaleza.

Las enzimas son biocatalizadores de naturaleza proteica. Todas las reacciones químicas del metabolismo celular se realizan gracias a la acción de catalizadores o enzimas. La sustancia sobre la que actúa una enzima se denomina substrato. Pasteur descubrió que la fermentación del azúcar mediante levaduras, con su conversión en alcohol etílico y anhídrido carbónico es catalizada por fermentos o enzimas. En 1897 Buchner logró extraer de las células de levadura las enzimas que catalizan la fermentación alcohólica. Sumner en 1926, aisló en forma cristalina la enzima ureasa, a partir de extractos obtenidos de Cannavalia enzyformis (Fabaceae) la que hidroliza la urea según la siguiente reacción:

UREASA

(NH2)2 CO + H2O CO2 + 2 NH3

En 1930, Northrop aisló en forma cristalina las enzimas digestivas: pepsina, tripsina y quimotripsina. En la actualidad se conocen más de 2000 enzimas que han sido aisladas en forma cristalina.

En términos generales los catalizadores se caracterizan por las siguientes propiedades:

1º Son eficaces en pequeñas cantidades. Tienen un número de recambio alto, que varia entre 100 y 36 millones (anhidrasa carbónica). El número de recambio o actividad molar, se define como la cantidad de substrato transformado en la unidad de tiempo por una cantidad dada de enzima, por ej. la catalasa hidroliza 5,6 * 106 moléculas de H2 O2 por molécula de enzima por minuto, por lo que su número de recambio es 5,6 * 106 .

2º No se alteran durante las reacciones en que participan.

3º Aceleran el proceso para la obtención del equilibrio de una reacción reversible.

4º Muestran especificidad. La acción de la enzima es extremadamente selectiva sobre un substrato específico.

Las enzimas tienen pesos moleculares que oscilan entre 12.000 y un millón. Algunas enzimas son proteínas conjugadas; ya que poseen un grupo no proteico o prostético, por Ej. un azucar -glucoproteínas, un lipido -lipoproteinas, un ácido nucléico -nucleoproteinas. Una enzima completa se denomina holoenzima, y está formada por una parte proteica (apoenzima) y un cofactor no proteico (coenzima).

HOLOENZIMA = APOENZIMA + COENZIMA

Entre los cofactores que requieren las enzimas para su funcionamiento están las coenzimas: NADPH+H (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido), NAD (nicotinamida adenina dinucleotido), FAD(flavina adenina dinucleótido), piridoxal, biotina, tiamina, ácido tetra hidrofólico , cobalamina, etc. Así mismo, muchas enzimas requieren activadores metálicos, y he de allí la importancia de los minerales para el buen funcionamiento y crecimiento de las plantas

En los organismos vivos, se producen una gran cantidad de reacciones químicas que les permiten obtener, a partir de los nutrientes recibidos desde el exterior, la energía y las materias primas necesarias tanto para construir y mantener sus propios componentes, como para crecer, reproducirse y realizar una serie de otras acciones, muchas veces específicas de cada célula. Estas reacciones deben ocurrir de una forma muy ordenada y a una velocidad adecuada, de forma tal que el organismo pueda disponer de los compuestos en el momento y cantidad que él los requiera.Todo esto es posible por la existencia de un tipo especial de proteínas cuya función es catalizar de un modo específico y eficaz un amplio espectro de reacciones químicas. A las proteínas que tienen esta actividad catalítica se les denomina Enzimas.

Las enzimas son catalizadores excepcionales en varios aspectos. En primer lugar, son extraordinariamente eficientes. Las reacciones enzimáticas proceden a velocidades muchísimo mayores (10/8 - 10/ 11 veces más rápido) que las correspondientes reacciones no catalizadas por enzimas.

Reacciones que en el laboratorio sólo ocurren en condiciones extremas de temperatura o de concentración de ácido o álcali, en presencia de una enzima adecuada se producen con gran rapidez, bajo condiciones de neutralidad y a temperatura ambiente.

Especificidad

Otra característica especial de estos catalizadores, es su especificidad. Las enzimas son específicas tanto respecto a la naturaleza de las reacciones que catalizan, como en lo que respecta a la estructura del sustrato utilizado y a los productos generados a partir de él.

A diferencia de los catalizadores químicos, las enzimas pueden ser reguladas. Así, la velocidad de su síntesis se encuentra bajo control genético, su actividad está influida por sus sustratos, por los productos de la reacción que ellas catalizan o por otros metabolitos.

En la mayor parte de las reacciones enzimáticas, los sustratos son de un tamaño molecular mucho menor que la enzima. (Fig. 1). Así, sólo un pequeño número de los aminoácidos, que forman la enzima, participan ya sea en unión del sustrato -formando el complejo enzima-sustrato-, como en la transformación de éste en producto y su posterior liberación (Ec. 1). Tanto los aminoácidos que a través de sus cadenas laterales están en contacto directo con el sustrato, como aquellos que sin estarlo participan activamente en el proceso catalítico, conforman el sitio activo de la enzima. El resto de la proteína cumple la función de mantener la estructura tridimensional del sitio activo necesaria para la catálisis. No se sabe si la conformación tridimensional del sitio activo, en ausencia del sustrato, es la catalíticamente activa. Al respecto se han propuesto dos teorías: Una de ellas explica la especificidad de las enzimas, en términos tales que el sitio activo se dispondrá de una manera relativamente rígida donde podría fijarse el sustrato de la forma como encaja una llave en una cerradura. De esta manera, cualquier molécula estructuralmente diferente al sustrato, no podría unirse a dicho sitio. La segunda teoría que explica la unión del sustrato a la enzima es la llamada de encaje inducido. Esta teoría postula que la unión del sustrato al sitio activo de la enzima altera considerablemente la conformación de ésta. De esta manera, los grupos que participan en la catálisis se orientan a la posición requerida por la acción enzimática. Esta teoría se apoya en observaciones que indican la existencia de cambios en la conformación de la enzima luego de la unión del sustrato.

El cambio de la velocidad de una reacción enzimática respecto a la variación de la concentración de su sustrato, queda descrita en un gran número de reacciones, por la ecuación de Michaelis-Menten y la forma que adopta la curva de velocidad en función de la concentración de sustrato es una hipérbola rectangular definida por dos parámetros cinéticos: Vmax y Km. Vmax corresponde a la velocidad máxima de la reacción que se obtiene cuando la concentración de sustrato tiende a infinito. Km por su parte, es la constante de Michaelis, que operacionalmente se define como la concentración de sustrato necesaria para obtener la mitad de la velocidad máxima (Fig. 2). Para poder determinar con exactitud Vmax y Km, la representación hiperbólica no es de mucha utilidad, puesto que requiere la determinación de una asíntota cuando la concentración de sustrato tiende a infinito. Sin embargo existen métodos que permiten dar a la ecuación de velocidad formas lineales y que transforman por lo tanto, la hipérbola en línea recta (Fig. 3).

Inhibidores

Una sustancia que disminuye la velocidad de una reacción enzimática es un inhibidor. La inhibición de reacciones claves de una vía metabólica ya sea por producto de la misma vía o por producto de alguna otra vía metabólica relacionada, constituyen mecanismos de regulación muy sensibles y que permiten mantener relativamente constante el ambiente celular o bien para responder a modificaciones en el ambiente extracelular. La inhibición de reacciones específicas, por sustancias naturales o sintéticas, pueden ser de gran utilidad para una quimioterapia efectiva.

Inhibidores estructuralmente semejantes al sustrato, son capaces de unirse al sitio activo de la enzima, formando el complejo enzima-inhibidor, incapaz de transformarse en producto, en lugar del complejo enzima-sustrato (Bc. 2).

Este tipo de inhibidores se denominan competitivos, ya que se produce una competencia entre el sustrato el inhibidor por la unión al sitio activo. Cinéticamente, este tipo de inhibición se caracteriza por que aumenta la Km y se mantiene constante Vmax..

Un inhibidor no competitivo se une a un sitio diferente al sitio activo, por lo que es posible la formación de los complejos inhibidor-enzima e inhibidor-enzima-sustrato (Ec. 3). Al revés de lo que ocurre en la inhibición competitiva, la presencia del inhibidor puede afectar la afinidad del sustrato por el sitio activo de la enzima. La velocidad de formación de producto a partir del complejo inhibidor-enzima-sustrato es menor que la velocidad en ausencia del inhibidor. Es por esto que el análisis cinético revela que en una inhibición del tipo no competitiva varían tanto la Vmax como la Km.

Casi todas reacciones enzimáticas son muy sensibles a variaciones de pH. Se supone que las cadenas laterales de los aminoácidos que forman parte del sitio activo, son catalíticamente activos cuando se encuentran en un cierto estado de protonación. El pH al cual se obtiene dicha protonación y por lo tanto la máxima actividad, se denomina pH óptimo. Si el pH disminuye (aumentando la protonación de los grupos de las cadenas laterales) o aumenta

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