Enzimas: Catálisis, Regulación e Inhibición - Claves para la Bioquímica

Enzimas: Catalizadores Biológicos Esenciales

Las enzimas son, en su mayoría, proteínas que actúan como catalizadores biológicos. Esto significa que aumentan la velocidad de las reacciones químicas que ocurren a nivel celular sin consumirse en el proceso. Son fundamentales para la vida, ya que permiten que las reacciones metabólicas se produzcan a velocidades compatibles con los requerimientos celulares.

Sitio Activo y Mecanismo de Acción

El sitio activo (CA) es la región específica de la enzima donde se une el sustrato (la molécula sobre la cual actúa la enzima) y donde se lleva a cabo la reacción catalítica. El CA consta de dos partes principales:

• Sitio de unión (o anclaje): Aquí, la enzima reconoce y se une al sustrato a través de interacciones específicas.
• Sitio catalítico: Contiene los residuos de aminoácidos (AAs) que participan directamente en la transformación química del sustrato. Estos AAs suelen ser comunes en muchas enzimas, como Serina (Ser), Histidina (His), Cisteína (Cys), Tirosina (Tyr) y Lisina (Lys).

La parte apoenzimática se refiere a la porción proteica de la enzima, y cuando coincide con el sitio activo, se produce la interacción con el sustrato.

Parámetros Clave de la Reacción Enzimática

Varios factores influyen en la actividad enzimática:

1. Energía de activación (Ea): Es la energía mínima que se debe suministrar a los reactivos para que alcancen el estado de transición, el punto de máxima energía en el transcurso de la reacción. Las enzimas disminuyen la Ea, facilitando la reacción.
2. Acción sobre el equilibrio: Las enzimas aceleran la velocidad de la reacción, pero no alteran la posición del equilibrio químico. Esto significa que la reacción alcanza el equilibrio más rápidamente, pero las concentraciones finales de reactivos y productos permanecen iguales.
3. Efecto de la temperatura (Tº): Cada enzima tiene una temperatura óptima a la cual su actividad es máxima. Fuera de este rango, la enzima puede desnaturalizarse (perder su estructura tridimensional) y perder su función. La temperatura óptima para muchas enzimas humanas es alrededor de 37ºC, aunque existen excepciones, como las enzimas de bacterias termófilas que viven a altas temperaturas.
4. Efecto del pH: El pH también afecta la actividad enzimática. Valores extremos de pH pueden desnaturalizar la enzima. Además, el pH puede influir en la ionización del sustrato y de los residuos del sitio activo, alterando la interacción enzima-sustrato.

Inhibidores Enzimáticos

Los inhibidores son moléculas que disminuyen o bloquean la actividad enzimática. Existen diferentes tipos:

• Inhibidores competitivos: Tienen una estructura similar al sustrato y compiten con él por la unión al sitio activo.
• Inhibidores no competitivos: Se unen a la enzima en un sitio diferente al sitio activo, alterando su conformación y, por lo tanto, su actividad. Algunos ejemplos incluyen:
  1. Inhibidores que se combinan con la enzima.
  2. Inhibidores que se combinan con el sitio activo, aunque no sean estructuralmente parecidos al sustrato (venenos del CA).
  3. Agentes desnaturalizantes, como la penicilina.

Mecanismos de Activación Enzimática

Algunas enzimas requieren la presencia de cofactores para su actividad:

1. Agentes protectores: Compuestos con grupos tiol (-SH), como la cisteína, que protegen a la enzima de la oxidación.
2. Catálisis por iones metálicos: Aproximadamente el 30% de las enzimas requieren iones metálicos para su función catalítica. Estos pueden ser:
   • Metaloenzimas: Contienen iones metálicos fuertemente unidos a la enzima, generalmente metales de transición como Fe²⁺ o Cu²⁺.
   • Enzimas activadas por metales: Requieren iones alcalinos o alcalinotérreos (Na⁺, K⁺, etc.) que se fijan débilmente.

Los activadores metálicos pueden actuar de diversas maneras:

1. Fijando y orientando el sustrato al sitio activo.
2. Facilitando reacciones redox (transferencia de electrones).
3. Estabilizando cargas en el estado de transición.

Enzimas Bisustrato

La mayoría de las reacciones enzimáticas involucran a dos o más sustratos. Un ejemplo es la glucokinasa, que utiliza glucosa y ATP como sustratos.

Mecanismos de Reacciones Bisustrato

1. Reacciones con formación de complejo ternario: Los sustratos se unen a la enzima formando un complejo enzima-sustrato1-sustrato2. La unión puede ser:
   • Aleatoria: Los sustratos se unen en cualquier orden.
   • Ordenada: Los sustratos se unen en un orden específico.
2. Reacciones ping-pong (sin formación de complejo ternario): El primer sustrato se une a la enzima, transfiere un grupo químico y se libera un producto. Luego, el segundo sustrato se une y recibe el grupo químico.

Enzimas Alostéricas

Las enzimas alostéricas son enzimas reguladoras que poseen, además del sitio activo, un sitio regulador (o alostérico) donde se unen moléculas moduladoras (activadores o inhibidores). Estas enzimas presentan una cinética sigmoidal (en forma de S) en lugar de la cinética hiperbólica típica de las enzimas no reguladoras. Existen dos formas interconvertibles en equilibrio:

• Forma relajada (R): Forma activa.
• Forma tensa (T): Forma inactiva.

Los moduladores alostéricos actúan desplazando el equilibrio entre las formas R y T:

• Activadores alostéricos (moduladores positivos): Desplazan el equilibrio hacia la forma R (activa). Pueden incluso convertir la cinética sigmoidal en una hipérbola.
• Inhibidores alostéricos (moduladores negativos): Desplazan el equilibrio hacia la forma T (inactiva).

Clasificación de las Enzimas

Las enzimas se clasifican en seis clases principales según el tipo de reacción que catalizan:

1. Oxidoreductasas: Catalizan reacciones de oxidación-reducción (transferencia de electrones). Ejemplo: alcohol deshidrogenasa.
2. Transferasas: Transfieren grupos funcionales (distintos de H⁺) entre sustratos. Ejemplo: glucosa-kinasa.
3. Hidrolasas: Catalizan la ruptura de enlaces mediante la adición de agua (hidrólisis). Ejemplo: lactasa.
4. Liasas: Catalizan la ruptura de enlaces C-C, C-O, C-N u otros, por mecanismos distintos a la hidrólisis o la oxidación. Ejemplo: acetoacetato descarboxilasa.
5. Isomerasas: Catalizan la interconversión de isómeros (moléculas con la misma fórmula molecular pero diferente estructura). Ejemplo: triosa-fosfato isomerasa.
6. Ligasas (o sintetasas): Catalizan la unión de dos moléculas acoplada a la hidrólisis de ATP (o un nucleótido trifosfato similar). Ejemplo: piruvato carboxikinasa.

Inhibición de las Sulfamidas: Un Ejemplo de Aplicación

Las sulfamidas son un grupo de fármacos antibacterianos que actúan como análogos estructurales del ácido p-aminobenzoico (PABA). Inhiben competitivamente a la enzima dihidropteroilsintetasa, que es esencial en la ruta de síntesis del ácido tetrahidrofólico (THF) en las bacterias. El THF es una coenzima crucial para el crecimiento bacteriano. Dado que los humanos obtienen el THF de la dieta, las sulfamidas son selectivamente tóxicas para las bacterias.