Enzimas, Metabolismo y Diabetes: Fundamentos de Bioquímica y Salud

Enzimas: actividad enzimática

La actividad enzimática se mide bajo condiciones definidas: temperatura, pH, concentración de tampón, sustrato y coenzimas. La tasa o velocidad es la velocidad de conversión del sustrato en producto por unidad de tiempo. La actividad enzimática depende de la función metabólica.

La especificidad de la reacción de cada enzima se debe a los residuos de aminoácidos que se encuentran en el centro catalítico de la enzima. Hay enzimas muy específicas (ketolasa, ureasa) que catalizan solo una reacción; algunas tienen especificidad de sustratos más amplia.

Isoenzimas

Son enzimas que catalizan la misma reacción, pero tienen una estructura primaria y/o composición subunitaria distinta.

Importancia de las enzimas

La actividad enzimática en fluidos corporales es importante para el diagnóstico de muchas enfermedades. Muchos fármacos son inhibidores de la actividad enzimática.

Las enzimas actúan bajando la energía de activación de la reacción específica. Cada enzima es muy específica en relación al sustrato que liga y a la reacción que cataliza. La reacción ocurre en la superficie de la enzima. El equilibrio de la reacción catalizada sigue siendo determinado por el cambio de energía libre.

Cofactores y coenzimas

Algunas enzimas no necesitan grupos químicos adicionales; otras requieren un componente químico adicional:

• Cofactor: necesario para la actividad enzimática. Pueden ser iones (Fe, Mg, Mn) o coenzimas. Cuando están fuertemente unidos a la enzima se denominan grupo prostético.
• Holoenzima: enzima catalíticamente activa + coenzima y/o ion metálico.
• Apoenzima o apoproteína: la parte proteica de las enzimas.

Coenzima: molécula no proteica que forma parte de una reacción enzimática y se regenera para ser reutilizada. Son compuestos orgánicos que muchas veces son vitaminas o están relacionados metabólicamente con vitaminas.

Nomenclatura

Sustrato + tipo de reacción + asa, o número de clasificación.

Clasificación de las enzimas

• Oxidorreductasas: transferencia de electrones; generalmente involucra coenzimas flavina o nicotinamida.
  • Oxidasas: transfieren 2 electrones al oxígeno, resultando en 2 O₂.
  • Oxigenasas: catalizan la incorporación de oxígeno al sustrato.
  • Hidrogenasas y reductasas.
• Transferasas: transfieren grupos funcionales (amino, carboxilo, metilo, fosforilo y acilo) entre donador y aceptor.
• Hidrolasas: transfieren un grupo funcional al agua, resultando en la hidrólisis de enlaces C-O.
• Liasas: eliminan grupos como H₂O o CO₂ para formar dobles enlaces, o se añaden dobles enlaces (descarboxilasas: CO₂ de los aminoácidos; deshidratasas: remueven H₂O).
• Isomerasas: catalizan la isomerización cis-trans y alfa-cetosa.

Teorías de especificidad enzimática

• Llave-cerradura (Fischer): para encajar en el sitio activo, la enzima debe presentar una forma complementaria al sustrato.
• Forma inducida (Koshland): el sitio activo no es una cavidad rígida; se adapta a la forma del sustrato.

Factores que influyen en las reacciones enzimáticas

• Temperatura: la actividad enzimática aumenta con el aumento de la temperatura hasta alcanzar su óptimo.
• pH: cada enzima presenta un pH óptimo en el cual su actividad es máxima.
• Concentración enzimática: a medida que aumenta la concentración de enzima, se incrementa la tasa de reacción.
• Concentración de sustrato: el sustrato debe combinarse con la enzima antes de que ocurra la reacción. La cantidad de enzima puede limitar la tasa de reacción; no puede aumentar si toda la enzima está en uso.

Introducción al metabolismo

Los seres vivos necesitan un suministro de energía libre para: realizar trabajo mecánico en la contracción muscular y otros movimientos celulares, transporte activo de iones y moléculas, y síntesis de macromoléculas y otras moléculas a partir de precursores sencillos.

El metabolismo es una serie de reacciones químicas interconectadas que comienzan con una molécula y transforman a otras moléculas.

Metabolismo de la glucosa

Glucosa → 10 reacciones consecutivas → piruvato. Si es anaeróbico: lactato; si es aeróbico: acetil-CoA. Los carbonos derivados de la glucosa se oxidan hasta ser CO₂.

Las reacciones metabólicas están catalizadas por enzimas: transferencia de nutrientes, excreción de productos, transferencia de energía en procesos de síntesis y degradación.

Vías metabólicas

• Reacciones catabólicas: convierten la energía en una forma biológicamente útil.
• Reacciones anabólicas: necesitan energía.

Cuando necesita ambas, son anfibólicas.

En general, las vías catabólicas son oxidativas y producen poder reductor; las vías anabólicas son reductoras y utilizan poder reductor.

ATP: moneda energética

Parte de la energía libre se obtiene de la oxidación de alimentos y luz, y se transfiere en ATP, que actúa como donador de energía libre para: movimiento, transporte activo y biosíntesis. El ATP consta de ribosa, adenina y un grupo trifosfato. Es rico en energía; tiene dos enlaces anhídrido fosfato y un enlace éter fosfato. Tiene mayor tendencia a transmitir el grupo fosforilo terminal al agua. El ATP no se almacena como energía libre a largo plazo. El principal función del catabolismo es regenerar ATP.

Generación de energía

1. Primera etapa: a partir de la oxidación de alimentos, las proteínas se hidrolizan a aminoácidos, los polisacáridos a azúcares simples y las grasas a ácidos grasos y glicerol. No hay generación de energía.
2. Segunda etapa: moléculas pequeñas se degradan a otras más simples que desembocan en un punto central del metabolismo: la acetil-CoA.
3. Tercera etapa: se produce ATP a través de la oxidación completa del fragmento acetilo en el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa; los carbonos se oxidan hasta CO₂.

Cada grupo acetilo se oxida y transfiere 4 electrones al O₂, donde se genera un gradiente de protones que se utiliza para generar ATP.

Transportadores activados

1. Transportadores activados de electrones en la oxidación de combustibles: en organismos aerobios el aceptor de electrones es el O₂ y no tiene un paso directo; existen transportadores de flavinas y piridina.
   • NAD+: principal aceptor de electrones en la oxidación de moléculas de combustible. El anillo de nicotinamida es su parte reactiva. Durante la oxidación, el NAD+ acepta un ion hidruro (un H⁺ y 2 electrones) y forma la forma reducida NADH.
   • FAD: flavina adenina dinucleótido; forma reducida FADH₂. El FAD acepta protones.
2. Transportadores activados de electrones para la biosíntesis reductora: se requieren electrones de alto potencial, ya que los precursores están más oxidados que el producto. El NADPH transporta electrones para la biosíntesis reductora, distinto del NADH que participa en la generación de ATP.
3. Transportadores activados de fragmentos de dos carbonos: la coenzima A (CoA) es un transportador de grupos acilo; los grupos acilos son importantes para el catabolismo y anabolismo. La acetil-CoA tiene alto poder de acetilación; la transferencia del grupo acetilo es exergónica.

Glucólisis

La glucólisis tiene 3 posibles destinos para el piruvato: oxidación aeróbica, glucólisis anaeróbica y fermentación anaeróbica. Bajo condiciones anaeróbicas las células deben ser capaces de regenerar NAD+, o la glucólisis se detendrá. Puede regenerarse por fosforilación oxidativa, lo que requiere O₂. Existen 2 vías anaeróbicas que consumen NADH y regeneran NAD+: la fermentación láctica y la fermentación alcohólica.

Gluconeogénesis

Se producen aproximadamente 150 g de glucosa al día. En humanos, tiene 3 precursores principales: lactato (músculo esquelético y glóbulos rojos), glicerol (catabolismo lipídico) y aminoácidos, especialmente alanina. Sirve para mantener los niveles de glucosa cuando el glucógeno está bajo. Ocurre a nivel del hígado; es la conversión de piruvato en glucosa.

Primer rodeo

El piruvato se transporta del citosol a la mitocondria, donde se transforma la alanina. La piruvato carboxilasa, mitocondrial y dependiente de biotina, fija CO₂ y convierte el piruvato en oxalacetato.

En el citosol, el malato se reoxida a oxalacetato con producción de NADH citosólico por la malato deshidrogenasa citosólica. El oxalacetato se reduce reversiblemente a malato mediante la malato deshidrogenasa mitocondrial a expensas de NADH. El malato abandona la mitocondria a través del transportador malato-α-cetoglutarato de la membrana interna mitocondrial.

En el citosol, el malato se reoxida a oxalacetato con producción de NADH citosólico por la malato deshidrogenasa citosólica. El oxalacetato se convierte en fosfoenolpiruvato por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK). Esta reacción es dependiente de Mg²⁺ y requiere GTP como donador de fosfato.

En función del precursor gluconeogénico (lactato o piruvato) predomina una u otra ruta. La importancia relativa de las 2 rutas está determinada por la disponibilidad del lactato y las necesidades citosólicas de NADH en la gluconeogénesis.

Segundo rodeo

La formación de glucosa 6-fosfato a partir de fructosa 1,6-bisfosfato está catalizada por la enzima fructosa 1,6-bisfosfatasa, dependiente de Mg²⁺, que promueve la hidrólisis del fosfato en el C-1. Esta reacción no es la inversa de la PFK-1 y no se produce ATP; se libera P_i.

Tercer rodeo

Es la reacción final de la gluconeogénesis: la desfosforilación de la glucosa 6-fosfato para dar glucosa libre mediante la glucosa 6-fosfatasa. Esta glucosa libre pasa a la sangre. La glucosa 6-fosfatasa está situada en la membrana del retículo endoplasmático.

La síntesis de glucosa a partir de piruvato es costosa energéticamente; este costo energético es para que sea irreversible. La variación de la energía libre en la gluconeogénesis es de -16 kJ/mol. La gluconeogénesis tiene lugar durante el ayuno; también se estimula durante el ejercicio y con alimentación rica en proteínas.

Digestión de los carbohidratos

La digestión de los azúcares comienza en la boca gracias a la acción de la amilasa salival (enzima digestiva), que actúa sobre los almidones de la dieta (amilosa, amilopectina y glucógeno), descomponiéndolos en oligosacáridos o en disacáridos. Recién a nivel de intestino delgado (duodeno), la amilasa pancreática reduce los glúcidos a disacáridos (lo más frecuente es la maltosa).

En el ribete en cepillo de la mucosa intestinal existen disacaridasas que descomponen los disacáridos. La lactosa y sacarosa del alimento y el producto de la digestión del almidón son convertidos en monosacáridos por glucosidasas unidas a la membrana del ribete en cepillo. Las 4 actividades glucosidasa se encuentran en 4 glucoproteínas: glucoamilasa, complejo sacarosa-maltasa, trehalasa y lactasa; en conjunto se denominan disacaridasas del intestino delgado.

Los almidones con gran cantidad de amilosa o hidratos de carbono (como en porotos secos) son resistentes a la digestión y entran al colon. Las bacterias metabolizan los sacáridos generando gases (H₂, CO₂ y metano), ácidos grasos de cadena corta (ácido acético, ácido propiónico, ácido butírico) y lactato.

Intolerancia a la lactosa

Produce náuseas, dolor y flatulencia tras la ingesta de productos lácteos. Se debe a la ausencia de lactasa o a una lesión intestinal que daña las células absortivas, generando una deficiencia de lactasa secundaria.

Diabetes mellitus

La diabetes mellitus es un trastorno metabólico de etiología múltiple, caracterizado por hiperglucemia, con trastornos metabólicos de los carbohidratos, grasas y proteínas, lo cual resulta en defectos en la secreción de insulina, acción de la insulina o ambos. Es una enfermedad metabólica heterogénea caracterizada por hiperglucemia y por la presencia de complicaciones vasculares a largo plazo. Es una enfermedad frecuente, con susceptibilidad genética.

Hay 2 formas principales de diabetes:

• Tipo 1: corresponde al 10% de los pacientes. Son incapaces de producir insulina (insulinodependiente).
  • Se desarrolla en gente joven, con mayor incidencia a los 12 años.
  • La causa es la destrucción autoinmunitaria de las células β pancreáticas. El factor desencadenante no está claro aún.
• Tipo 2: corresponde al 90% de los pacientes. Estos pacientes secretan insulina, pero tienen resistencia a la misma.
  • Normalmente se desarrolla en pacientes mayores de 40 años y generalmente obesos.
  • Implica la resistencia a la insulina y deficiencias en la secreción de insulina.
  • No se conoce un patrón hereditario, pero hay un componente hereditario: los parientes de primer grado de una persona diabética tienen un 40% de probabilidad de desarrollar diabetes; quienes no tienen pariente diabético tienen una probabilidad de 10%.
  • Hay una forma genética de diabetes tipo 2 (tipo MODY).

Diabetes gestacional (tipo 2)

Definición: alteración en el metabolismo de los hidratos de carbono que se inicia o se reconoce por primera vez durante el embarazo.

Habitualmente es una enfermedad asintomática, por lo que debe buscarse de forma dirigida.