Enzimas

Hasta finales del siglo XIX, estaba aceptado universalmente que los procesos de la vida eran el resultado directo de una fuerza vital y que ocurrían exclusivamente en las células. En el verano de 1896, esta doctrina llamada vitalismo, parte de las ideas de la generación espontánea, fue desacreditada por el experimento que dio origen al nacimiento de la Bioquímica. M Hahn, un científico alemán, trataba de separar proteínas de las levaduras moliéndolas en un mortero con arena muy fina y tierra de diatomeas, que no es sino las frústula o envoltura de las diatomeas unos protoctistas muy bonitos. El extracto de levadura se filtraba en un paño muy fino, pero desafortunadamente para Hahn, era muy difícil de preservar. Hans Buchner, colega de Hahn le recordó que la fruta se conserva agregándole azúcares, haciendo una mermelada; le sugirió agregar sacarosa al extracto de levaduras. El experimento lo realizó Eduard, hermano de Hans y que visitaba el laboratorio para experimentar precisamente con los extractos de levadura. Cuando agregó la sacarosa al extracto, observó que de la solución emergían burbujas. Eduard concluyó que la fermentación, el proceso descrito por Louis Pasteur como la vida sin aire, estaba ocurriendo. Actualmente esta observación tal vez no seria particularmente importante para nosotros, pero Buchner había demostrado que los procesos de la vida (la fermentación en este caso), podían ocurrir fuera de las células vivas. El fantasma poseído de la máquina viviente se había exorcizado.

La hipótesis de Buchner consistió en que la fermentación resulta de la actividad de una enzima, que él llamó zimasa. Actualmente llamamos a este proceso que realmente se lleva a cabo por 10 enzimas, glucólisis del griego glycos: dulce + lysis: ruptura. Por estas observaciones, Buchner recibió el premio Nobel de Química en 1907.

Eduard Buchner

Los sistemas vivientes están formados por una enorme variedad de reacciones bioquímicas, la inmensa mayoría de las cuales se llevan a cabo por entidades proteicas con actividad catalítica conocidas como enzimas. La enzimología, en estudio de las enzimas.

Virtualmente todas las reacciones en los seres vivos se llevan a cabo por enzimas, que son las proteínas que catalizan a las reacciones químicas, incrementando la velocidad a las cuales estas reacciones de manera natural ocurren, en el proceso las enzimas no resultan modificadas, es decir, el estado inicial de la enzima es igual al final. A pesar de la inmensa variedad de reacciones que son energéticamente posibles en los seres vivos, las enzimas conducen a los reactivos, a menudo denominados substratos, en las vías metabólicas de los seres vivos.

Definición:

Las enzimas son moléculas de proteínas que tienen la capacidad de facilitar y acelerar las reacciones químicas que tienen lugar en los tejidos vivos, disminuyendo el nivel de la "energía de activación" propia de la reacción.
Se entiende por "energía de activación" al valor de la energía que es necesario aplicar (en forma de calor, electricidad o radiación) para que dos moléculas determinadas colisionen y se produzca una reacción química entre ellas. Generalmente, las enzimas se nombran añadiendo la terminación "asa" a la raíz del nombre de la sustancia sobre la que actúan.

Las enzimas no reaccionan químicamente con las sustancias sobre las que actúan (que se denominan sustrato), ni alteran el equilibrio de la reacción. Solamente aumentan la velocidad con que estas se producen, actuando como catalizadores. La velocidad de las reacciones enzimáticas dependen de la concentración de la enzima, de la concentración del sustrato (hasta un límite) y de la temperatura y el PH del medio.

Las moléculas sobre las que actúa la enzima en el comienzo del proceso son llamadas sustratos, y estas los convierten en diferentes moléculas, los productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para que ocurran en tasas significativas.

Estructura y función de una enzima.

Las enzimas son grandes proteínas que aceleran las reacciones químicas. En su estructura globular, se entrelazan y se pliegan una o más cadenas polipeptídicas, que aportan un pequeño grupo de aminoácidos para formar el sitio activo, o lugar donde se adhiere el sustrato, y donde se realiza la reacción. Una enzima y un sustrato no llegan a adherirse si sus formas no encajan con exactitud. Este hecho asegura que la enzima no participa en reacciones equivocadas. La enzima misma no se ve afectada por la reacción. Cuando los productos se liberan, la enzima vuelve a unirse con un nuevo sustrato.

Uno de los modelos más aceptados para explicar el mecanismo de acción de las enzimas, es el de "la llave y la cerradura"[1], que a la vez da luces sobre otro aspecto estructural de las enzimas.

Este modelo, propuesto por Emil Fisher en 1894, establece que durante las reacciones enzimáticas los compuestos se combinan con ciertos sitios específicos de las enzimas para convertirse en productos. Se le denomina sitio activo al lugar específico de la enzima donde ocurre la catálisis.

El sitio activo tiene una estructura tridimensional complementaria a la del sustrato, además de tener una distribución complementaria de áreas con carga y sin carga lo que facilita la unión entre el sustrato y el sitio activo.

Prácticamente todas las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos están catalizadas por enzimas. Los enzimas son catalizadores específicos: cada enzima cataliza un solo tipo de reacción, y casi siempre actúa sobre un único sustrato o sobre un grupo muy reducido de ellos. En una reacción catalizada por un enzima:

1. La sustancia sobre la que actúa el enzima se llama sustrato.
2. El sustrato se une a una región concreta del enzima, llamada centro activo. El centro activo comprende (1) un sitio de unión formado por los aminoácidos que están en contacto directo con el sustrato y (2) un sitio catalítico, formado por los aminoácidos directamente implicados en el mecanismo de la reacción
3. Una vez formados los productos el enzima puede comenzar un nuevo ciclo de reacción.

El enzima y su sustrato Unión al centro activo Formación de productos

Propiedades de las enzimas

Las enzimas son proteínas que incrementan la velocidad de una reacción química y no se consumen durante la misma (algunos tipos de ARN pueden actuar como enzimas, usualmente rompen y sintetizan enlaces fosfodiester; a estas moléculas se les denomina “ribozimas” y se encuentran en muy baja proporción en la naturaleza).

• Sitio activo:

Las moléculas de enzimas contienen hendiduras o cavidades denominadas sitio activo. El sitio activo está formado por las cadenas laterales de residuos específicos, lo que ocasiona que tenga un arreglo tridimensional particular, diferente al resto de la proteína. Este sitio es afín por la estructura tridimensional del sustrato:

El sitio activo la enzima (E) une al substrato (S) formando un complejo enzima-substrato (ES). En el complejo ES, E transforma a S en él o los productos, formando el complejo enzima-producto (EP), finalmente la enzima libera del sitio activo a P, regenerándose.

E + S D ES D E + P

• Eficiencia catalítica:

La mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas son muy eficientes y transcurren desde 10⁶ hasta 10¹⁴ veces más rápido que la misma reacción no catalizada. Típicamente, cada molécula de enzima es capaz de transformar cada segundo de 100 a 1000 moléculas de substrato en producto. El número de estas moléculas transformadas a producto por molécula de enzima en cada segundo, se conoce como el número de recambio.

Enzima		Velocidad en ausencia de enzima	Velocidad de reacción catalizada	Rendimiento
Anhidrasa carbónica Corismato mutasa Triosafosfato isomerasa Carboxipeptidasa A AMP nucleosidasa Nucleasa estafilococal		1.3 X 10 –1 2.6 X 10 –5 4.3 X 10 –6 3.0 X 10 –9 1.0 X 10 –11 1.7 X 10 -13	1.0 X 106 50 4300 578 60 95	7.7 X 106 1.9 X 106 1.0 X 109 1.9X 1011 6.0 X 1012 5.6 X 1014

Tabla: Eficiencia de las reacciones catalizadas por algunas enzimas.

• Especificidad:

Las enzimas son muy específicas por el substrato de la reacción que catalizan. Interactúan con una o muy pocas moléculas y catalizan únicamente un tipo de reacción, por lo que las moléculas con las que interactúan deben ser muy parecidas, tanto en composición, como en estructura tridimensional.

• Cofactores:

Algunas enzimas se asocian con moléculas de carácter no proteíco que son necesarias para el funcionamiento de la enzima, estas moléculas se denominan cofactores. Comúnmente, los factores encontrados en las enzimas incluyen iones metálicos como el Zn²⁺ o el Fe²⁺, también pueden ser moléculas orgánicas que se denomina coenzimas como el NAD⁺, FAD, la conezima A y la C, generalmente las coenzimas son derivados de las vitaminas. A la enzima en ausencia de su cofactor (cuando lo tiene), se le denomina apoenzima, en presencia de su cofactor (cuando lo tiene), se le denomina holoenzima. La apoenzima generalmente carece de actividad biológica. La diferencia entre un cofactor y un grupo prostético, como el grupo hemo, es que este último está unido de manera covalente a la enzima, mientras que el cofactor puede ser removido de la misma con relativa facilidad.

• Regulación:

La actividad enzimática puede ser regulada, esto quiere decir que dependiendo de los requerimientos metabólicos, las enzimas son activadas o inhibidas, para acelerar o disminuir la velocidad con la que catalizan la reacción, respondiendo así a las diferentes necesidades de sus productos en la célula. La regulación más común es modificando la concentración de su(s) substrato(s).

• Localización en la célula:

En los eucariontes o eucarióticas, muchas enzimas se localizan en organelos específicos en la célula. Esta compartamentalización ayuda a aislar los substratos de la reacción o productos de la misma, de tal forma que no hay competencia de reacciones, de esta manera se provee un medio favorable para la reacción, de tal forma que es posible localizar diferentes partes del metabolismo en diferentes organelos, haciendo a la célula una entidad organizada en donde simultáneamente funcionan miles de enzimas.

Los factores que influyen de manera más directa sobre la actividad de un enzima son:

• pH.
• Temperatura.
• Cofactores.
  

Tipos de Enzimas

Oxireductasas:Catalizan reacciones de Oxidoreducción o REDOX. tras la acción cataítica quedan modificados en su grado de oxidación por lo que deben ser transformadas antes de volver a efectuar la reacción catalítica.

Ejemplos:Dehidrogenasas,Aminoxidasa, Deaminasa, Catalasa. d

Transferasas: Transfieren grupos activos(obtenidos de la ruptura de ciertas moléculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos de interconversion de azúcares, de aminoácidos, etc.

Ejemplos:Transaldolasas, Transcetolasas, Transaminolasas.

Hidrolasas:Verifican reacciones de Hidrólisis, con la consiguiente obtención de monómeros a partir de polímeros. Suelen ser de tipo digestivo, por lo que normalmente actuan en primer lugar.

Ejemplos:Glucosidasas, Lipasas, Peptidasas, Esterasas, Fosfatasas.

Isomerasas:Actúan sobre determinadas moléculas obteniedo de ellas sus isómeros de función o de posición. Suelen actuar en procesos de interconversión.

Ejemplos:Epimerasas, Mutasas

Liasas:Realizan la degradación o síntesis de los enlaces denominados "fuertes" sin ir acoplados a sustancias de alto valor energético.

Ejemplos:Aldolasas, Decarboxilasas.

Ligasas:Realizan la degradación o síntesis de los enlaces denominados "fuertes" mediate al acoplamiento a sustancias de alto valor energético(como el ATP).

Ejemplos: Carboxilasas, Peptidosintetasas.

Importancia biomédica de las enzimas

Sin enzimas, no sería posible la vida que conocemos. Igual que la biocatálisis que regula la velocidad a la cual tienen lugar los procesos fisiológicos, las enzimas llevan a cabo funciones definitivos relacionadas con la salud y la enfermedad. En tanto que, en la salud todos los procesos fisiológicos ocurren de una manera ordenada y se conserva la homeostasis, durante los estados patológicos, esta última puede ser perturbada de manera profunda. Por ejemplo, el daño tisular grave que caracteriza a la cirrosis hepática pueden deteriorar de manera notable la propiedad de las células para producir enzimas que catalizan procesos metabólicos claves como la síntesis de urea. La incapacidad celular para convertir el amoniaco tóxico a urea no tóxica es seguida por intoxicación con amoniaco y por ultimo coma hepático. Un conjunto de enfermedades genéticas raras, pero con frecuencia debilitantes y a menudo mortales, proporciona otros ejemplos dramáticos de las drásticas consecuencias fisiológicas que pueden seguir al deterioro de la actividad enzimática, inclusive de una sola enzima.

Después del daño tisular grave (por ejemplo, infarto del miocardio o pulmonar, trituración de miembros) o siguiendo a multiplicación celular descontrolada (por ejemplo, carcionoma prostatico), las enzimas propias de tejidos específicos pasan a la sangre. Por lo tanto, la determinacion de estas enzimas intracelulares en el suero sanguineo proporciona a los medicos informacion valiosa para el diagnostico y el pronostico.