Enzimas: Cofactores, Vitaminas, Cinética y Regulación de su Actividad

Holoenzimas y Cofactores: Componentes Esenciales

Las holoenzimas, por sí solas, carecen de los componentes químicos apropiados para la actividad catalítica. Por ello, utilizan sustancias no proteicas (cofactores) fijadas a la superficie mediante enlaces covalentes o débiles. Estos cofactores aportan los grupos y funciones químicas de los que carece la enzima.

La fracción proteica de la holoenzima se denomina apoenzima, mientras que la fracción no proteica es el cofactor. Así, la relación es: Holoenzima = Apoenzima + Cofactor.

Tipos de Cofactores

Los cofactores pueden ser de dos tipos:

Naturaleza Orgánica o Metaloorgánica

Unidos a la apoenzima por:

• Enlaces débiles (Coenzimas): Moléculas como NAD y FAD, y muchas vitaminas.
• Covalentemente (Grupo Prostético): Uniones más fuertes, como el grupo hemo en la hemoglobina, mioglobina y citocromos.

Naturaleza Iónica

Iones minerales que actúan como cofactores. Ayudan a moldear la forma requerida para la adaptación perfecta entre la molécula del sustrato y el centro activo de la enzima.

Vitaminas: Cofactores Vitales

Las vitaminas son sustancias orgánicas indispensables para el metabolismo, pero imposibles de sintetizar por el organismo; debemos ingerirlas en la dieta en pequeñas cantidades.

Las carencias vitamínicas (hipovitaminosis) suelen deberse a malnutrición. El exceso (hipervitaminosis) puede acarrear efectos secundarios, que son más graves en las vitaminas liposolubles que en las hidrosolubles (estas últimas son eliminadas con facilidad).

Las vitaminas liposolubles generalmente no se comportan como coenzimas, mientras que las hidrosolubles sí. Ejemplos:

• Vitamina B2 (Riboflavina): Componente de las coenzimas FAD y FMN. Interviene en el transporte electrónico y reacciones de oxidorreducción encaminadas a obtener energía de carbohidratos metabólicos. Indispensable para la respiración celular y el mantenimiento de mucosas y piel.
• Vitamina B3 (Niacina, Ácido Nicotínico): Sus coenzimas, NAD+ y NADP+, intervienen en el transporte electrónico. Es un vasodilatador que mejora la circulación sanguínea y es esencial para el funcionamiento del sistema nervioso, la piel, la lengua y el sistema digestivo.

Especificidad de las Enzimas

Cada enzima posee en su superficie una zona activa (una hendidura u oquedad denominada centro catalítico) a la que se adapta perfectamente la molécula de sustrato que posea la geometría complementaria a este centro activo.

Modelos de Interacción Enzima-Sustrato

Inicialmente, se siguió el modelo llave-cerradura, que postula que cada enzima solo puede unirse con su correspondiente sustrato, como una llave en su cerradura.

Sin embargo, este modelo no es tan rígido. Existe el modelo de acoplamiento inducido, donde tanto el sustrato como la enzima se distorsionan ligeramente al unirse, permitiendo un ajuste más preciso.

Cinética Enzimática

La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas y deduce parámetros cinéticos como la actividad de la enzima, su afinidad por el sustrato y los mecanismos a través de los cuales lleva a cabo la catálisis.

La actividad de ciertas enzimas se usa para determinar patologías (por ejemplo, un elevado nivel de transaminasas indica enfermedades hepáticas).

Ecuación de Michaelis-Menten

Una ecuación fundamental en cinética enzimática es la de Michaelis-Menten: v = vmax · ([S] / (Km + [S])).

Donde Km es la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de la vmax (velocidad máxima) y hace referencia a la afinidad de la enzima por el sustrato (un Km bajo indica alta afinidad).

Factores que Modulan la Actividad Enzimática

Variación de Temperatura

La función enzimática depende de la estructura terciaria (o cuaternaria). La mayoría de las enzimas muestran inactividad entre 50 y 60 ºC (excepto en bacterias termófilas).

Existe una temperatura óptima donde la actividad enzimática es máxima. Si la temperatura aumenta más allá de este punto, la actividad disminuye y puede llegar a desaparecer por desnaturalización de la enzima.

La disminución de temperatura también puede inactivar la actividad, aunque generalmente de forma reversible. Por eso, animales ectotérmicos carecen de mecanismos homeostáticos y hibernan en la estación fría.

Cambios de pH

Grandes cambios en el pH provocan grandes cambios en la actividad de las enzimas, pues se modifican las cargas superficiales y se altera la conformación espacial de la estructura terciaria.

Cada enzima tiene un pH óptimo. Ejemplos: pepsina (estómago, pH ácido), ptialina (saliva, pH neutro), quimotripsina (intestino, pH ligeramente alcalino).

Alosterismo

El alosterismo es un mecanismo de regulación. Se refiere a enzimas alostéricas que pueden ser activas o inactivas. El cambio de estado es inducido por la unión de ligandos o efectores a lugares conocidos como centros reguladores en la superficie de la enzima, distintos del centro activo.