Las enzimas tienen un enorme poder catalítico

INTRODUCCIÓN A LOS ENZIMAS

Las reacciones químicas en los sistemas biológicos, raramente ocurren en ausencia de catalizadores. Estos catalizadores son proteínas específicas denominadas enzimas. La característica sorprendente de todas las enzimas es su poder catalítico y su especificidad. Además, la actividad de muchas enzimas queda regulada. Adicionalmente algunas enzimas están relacionadas íntimamente en la transformación de diferentes formas de energía. Examinemos estas propiedades de las enzimas, altamente distintivas y biológicamente cruciales.

LAS ENZIMAS TIENEN UN ENORME PODER CATALÍTICO

Las enzimas aceleran las reacciones por factores de, al menos, un millón. Verdaderamente, la mayoría de las reacciones en los sistemas biológicos no proceden a velocidades perceptibles en ausencia de las enzimas. Incluso una reacción tan simple como la hidratación del dióxido de carbono, viene catalizada por una enzima.

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De otra manera, la transferencia del CO₂ desde los tejidos a la sangre y desde ésta al aire alveolar, sería incompleta. La anhidrasa carbónica, enzima que cataliza esta reacción, es una de las más rápidas que se conocen. Cada molécula enzimática puede hidratar 105 moléculas de CO2 en un segundo. Esta reacción catalizada es 107 veces más rápida que la reacción no catalizada.

LAS ENZIMAS SON ALTAMENTE ESPECÍFICAS

Las enzimas son altamente específicas tanto en la reacción que catalizan como en su selección de reactantes, los cuales son denominados sustratos. Una enzima cataliza normalmente una sola reacción química o un grupo de reacciones estrechamente relacionadas. El grado de especificidad del sustrato es normalmente alto y virtualmente absoluto.

Consideremos las enzimas proteolíticas como ejemplo. La reacción catalizada por estas enzimas es la hidrólisis de un enlace peptídico.

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 La mayoría de enzimas proteolíticas también catalizan una reacción diferente pero relacionada, es decir, la hidrólisis de un enlace éster.[pic 4]

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 Las enzimas proteolíticas varían marcadamente en su grado de especificidad del sustrato. La subtilisina, que procede de algunas bacterias, es completamente indiscriminada acerca de la naturaleza de las cadenas laterales adyacentes del enlace peptídico que ha de ser roto. La tripsina, como ya fue mencionado en el Capítulo 2, es completamente específica, en el sentido que rompe los enlaces peptídicos sobre el lado carboxílico de los residuos de la lisina y de la arginina solamente (fig. 6-1). La trombina, una enzima relacionada con la coagulación sanguínea, es todavía más específica que la tripsina. La cadena lateral del lado carboxílico del enlace peptídico susceptible puede ser la arginina, mientras que el lado amínico debe ser la glicina (fig.,6-2). Otro ejemplo del alto grado de especificidad de las enzimas es suministrado por la polimerasa I del DNA. Esta enzima sintetiza DNA uniendo conjuntamente las cuatro clases de los bloques básicos nucleótidos. La secuencia de nucleótidos en el DNA que está siendo sintetizado, viene determinada por la secuencia de nucleótidos en otro filamento de DNA que sirve como molde (fig. 6-3). La polimerasa I del DNA es extraordinariamente precisa en llevar a cabo las instrucciones que le da el molde. Se inserta un nucleótido equivocado en el filamento nuevo del DNA menos de una vez en un millón.[pic 6]

LA ACTIVIDAD DE ALGUNAS ENZIMAS VIENE REGULADA

Algunas enzimas están sintetizadas en forma de precursor inactivo y son activadas en un tiempo y en un lugar, fisiológicamente apropiado. Las enzimas digestivas muestran este tipo de control. Por ejemplo, el tripsinógeno se sintetiza en el páncreas y es activado por la rotura de un enlace peptídico en el intestino delgado para formar el enzima activo tripsina (fig. 6-4). Este tipo de control está utilizado también repetidamente en la secuencia de reacciones enzimáticas que llevan al coágulo de la sangre. Los precursores enzimáticamente inactivos de los enzimas proteolíticos se denominan zimógenos (proenzima).[pic 7]

 Otro mecanismo que controla la actividad es la inserción covalente de un pequeño grupo sobre una enzima. Este mecanismo de control es denominado modificación covalente. Por ejemplo, las actividades de las enzimas que sintetizan y degradan el glucógeno están reguladas por la introducción de un grupo fosforilo a un residuo específico de serina en estas enzimas (véase el Capítulo 16). Esta modificación puede ser invertida por la hidrólisis del grupo. Enzimas específicas catalizan la inserción y la separación del fosforilo y de otros grupos modificantes[pic 8]

 Un tipo diferente de mecanismo regulador afecta muchas secuencias de reacciones que dan por resultado la síntesis de pequeñas moléculas tales como los aminoácidos. La enzima que cataliza la primera etapa en tal vía biosintética es inhibido por el producto último o final (figura 6-5). La biosíntesis de isoleucina ilustra este tipo de control que es denominado inhibición feedback o contrainhibición. La treonina se convierte en isoleucina en cinco etapas, la primera de las cuales viene catalizada por la treonina desaminasa. Esta enzima es inhibida cuando la concentración de isoleucina ha alcanzado un nivel suficientemente alto. La isoleucina se une en un lugar diferente al de la treonina. La inhibición de la treonina desaminasa viene mediatizada por una interacción alostérica, que es reversible. Cuando el nivel de isoleucina se rebaja suficientemente, la treonina desaminasa se vuelve activa nuevamente y, por consiguiente, la leucina se sintetiza de nuevo.[pic 9][pic 10]

 La especificidad de algunas enzimas está bajo control fisiológico. La síntesis de lactosa por la glándula mamaria es un ejemplo particularmente especial (fig. 6-6). La lactosa sintetasa, la enzima que cataliza la síntesis de lactosa, consta de una subunidad catalítica y una subunidad modificadora. La subunidad catalítica por sí misma no puede sintetizar lactosa. Tiene un papel diferente, que consiste en catalizar la unión de galactosa a las proteínas que contienen una cadena carbohidratada unida covalentemente. La subunidad modificadora altera la especificidad de la subunidad catalítica de tal manera que así une la galactosa a la glucosa para formar la lactosa. El nivel de la subunidad modificadora queda bajo control hormonal. Durante el embarazo, la subunidad catalizadora se forma en la glándula mamaria, pero se forma muy poca subunidad modificadora. Al tiempo del nacimiento, los niveles hormonales cambian drásticamente y la subunidad modificadora es sintetizada en grandes cantidades. La subunidad modificadora se une entonces a la subunidad catalítica para formar un complejo de lactosa sintetasa activa. Este sistema muestra claramente que las hormonas pueden ejercer sus efectos fisiológicos alterando la especificidad de las enzimas.

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