Enzimas: Propiedades, Funcionamiento y Regulación Metabólica

Enzimas: Catalizadores Esenciales en los Sistemas Biológicos

Las enzimas son biocatalizadores, es decir, catalizadores de los sistemas biológicos. Son moléculas con actividad catalítica que aceleran las reacciones del metabolismo.

Características Principales de las Enzimas

• Presentan una alta especificidad para la reacción catalizada y para los sustratos sobre los que actúan.
• Son de naturaleza proteica. Algunas están formadas solo por aminoácidos, como la pepsina. Sin embargo, es muy frecuente que esté presente también una parte no proteica, formando entonces un holoenzima.
• Un holoenzima está formado por una parte polipeptídica (apoenzima) y una parte no polipeptídica (cofactor). Un cofactor es, por tanto, un componente no proteico necesario para el funcionamiento de una enzima. Un mismo cofactor puede encontrarse en diferentes holoenzimas.

Mecanismo de Acción de las Enzimas

A. Disminución de la Energía de Activación

La energía de activación es la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción.

• Las enzimas disminuyen la energía necesaria para que ocurra la reacción. Así, al haber mayor cantidad de moléculas que alcancen ese estado energético menor, habrá más moléculas reaccionando en cada momento, por lo que aumenta la velocidad de reacción.
• Aceleran las reacciones sin alterar su equilibrio o la concentración de los productos obtenidos: al final se obtiene lo mismo, pero más rápidamente.

B. Formación de un Complejo Enzima-Sustrato

En las reacciones enzimáticas se forma un complejo enzima-sustrato (ES), un complejo activado (con algunos enlaces relajados y otros nuevos empezando a formarse) que se separa tras la reacción en los productos (P) y el enzima (E), nuevamente libre.

ES → Complejo ES → EP

La unión ES se produce en el centro activo, un hueco de la enzima con forma tridimensional complementaria a la del sustrato.

En el centro activo se distinguen dos sitios:

• Sitio de unión: Formado por aminoácidos que facilitan la unión del sustrato en su posición adecuada.
• Sitio catalítico: Formado por aminoácidos que intervienen en la transformación química del sustrato al inducir la formación o rotura de enlaces.

En los holoenzimas, el cofactor está en el centro activo.

C. Especificidad Enzimática

Al existir una estrecha relación entre el centro activo y la forma del sustrato, la mayor parte de las enzimas tienen una alta especificidad. La especificidad enzimática se da a dos niveles:

• De acción: Una enzima solo facilita una transformación de todas las posibles sobre un sustrato y otra enzima con distinta especificidad facilitará una reacción diferente en el mismo sustrato.
• De sustrato: Cada enzima actúa sobre un sustrato o un número reducido de ellos.

D. Modelos de Unión Sustrato-Centro Activo

• El modelo llave-cerradura se da cuando el sustrato y el centro activo son complementarios y encajan sin ninguna modificación previa.
• En otros casos se da el modelo de ajuste inducido, que propone que, inicialmente, la forma del centro activo de la enzima y la del sustrato no son totalmente complementarias. Al contactar, la enzima y el sustrato (o solo la enzima) cambian de forma y pasan a ser complementarios al unirse, lo que provoca la transformación del sustrato en los productos y la posterior vuelta de la enzima a su conformación primitiva.

Cinética Enzimática

La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas y la influencia de factores como la concentración del sustrato, el pH, la temperatura y los inhibidores, que en las células regulan la actividad de las enzimas.

Influencia de la Concentración del Sustrato [S]

• Para una concentración constante de la enzima, al aumentar la concentración del sustrato, aumenta la velocidad de reacción.
• El aumento de la velocidad es más acelerado a bajas concentraciones del sustrato y va haciéndose más lento cuanto más aumenta la concentración, hasta que se alcanza un valor de concentración del sustrato en que la velocidad ya no aumenta, aunque se añada más (Vmáx).
• A concentraciones bajas de sustrato hay muchas moléculas de enzima libres, disponibles para formar complejos ES. Por eso, la velocidad aumenta rápido al aumentar la concentración de sustrato, porque se forman cada vez más complejos ES.
• A altas concentraciones de sustrato, todas las moléculas de enzima se encuentran formando complejos ES porque, en cuanto estos se escinden en el producto y la enzima libre, esta se une inmediatamente a otra molécula de sustrato. La enzima está saturada y la velocidad ya no puede aumentar más, se alcanza la velocidad máxima.

Ecuación de Michaelis-Menten

La ecuación de Michaelis-Menten permite calcular la velocidad de una reacción enzimática (cantidad de producto producido por unidad de tiempo) para una concentración determinada de sustrato.

• Vmáx: Velocidad máxima de la reacción.
• [S]: Concentración de sustrato (mmol/l).
• Km: Constante de Michaelis-Menten. Es un valor propio de cada enzima: concentración de sustrato a la que se alcanza la mitad de la velocidad máxima de la reacción enzimática. La mitad de las moléculas de enzima forman complejos ES. Refleja la afinidad de una enzima por su sustrato. Si es pequeña, significa que la mitad de Vmáx se alcanza a bajas [S], lo que indica que la enzima tiene gran afinidad por el sustrato. Si es alta, indica una baja afinidad de la enzima por el sustrato por la razón contraria.

Influencia del pH

• Las enzimas presentan un valor de pH óptimo al cual su actividad es máxima.
• Variaciones pequeñas del pH en torno al valor óptimo provocan un descenso de su actividad.
• Una gran variación del pH provoca la desnaturalización de la enzima, lo que la vuelve no funcional.

Influencia de la Temperatura

• El incremento de la temperatura, en general, aumenta la velocidad de las reacciones químicas, incluidas las enzimáticas.
• La velocidad aumenta con la temperatura porque aumenta el número de moléculas ricas en energía que pueden alcanzar la energía de activación.
• Existe un valor óptimo de temperatura (temperatura óptima) al que la actividad enzimática es máxima y a partir del cual disminuye rápidamente a causa de la desnaturalización de la enzima.

Efecto de los Inhibidores

Los inhibidores son sustancias químicas que disminuyen o anulan la actividad de las enzimas.

Hay dos tipos de inhibición (y de inhibidores):

• Irreversible: El efecto inhibidor es permanente.
• Reversible: El efecto inhibidor es temporal porque no destruye la actividad catalítica de la enzima. Hay dos tipos:
  • Inhibición competitiva: El inhibidor competitivo es una molécula de estructura similar al sustrato de la enzima, por lo que se puede unir al centro activo de este (no se forman productos) de forma que compite con el sustrato por esa unión, lo que hace que un aumento de [S] aminore el efecto del inhibidor.
  • Inhibición no competitiva: El inhibidor no competitivo se une a la enzima por un sitio diferente del centro activo, pero alterando su conformación, de forma que impide la unión del sustrato, por lo que un aumento de [S] no aminora el efecto del inhibidor.

Regulación de la Actividad Enzimática

En el metabolismo, grupos de enzimas actúan secuencialmente en rutas metabólicas, de forma que el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente.

• En cada ruta hay al menos una enzima reguladora (que suele ser la primera) que es la que establece la velocidad, dependiendo de si está disponible o no, ya que las demás intervienen en sus reacciones solo cuando se han formado previamente los sustratos necesarios.
• Así, la célula regula la síntesis de productos que necesita en cada momento, evitando la sobreproducción.

La regulación de la actividad enzimática puede ejercerse de dos formas:

• Sobre la síntesis de la enzima, que se sintetiza solo cuando se necesita (por ejemplo, cuando está disponible el sustrato inicial o cuando falta el producto final) y en la cantidad adecuada, para degradarse rápidamente después de su intervención.
• Sobre su actividad, al presentar dos conformaciones, activa e inactiva, que dependen de la unión de un ligando que lo activa o lo inactiva (por ejemplo, el producto final).