Fundamentos de Enzimología y Bioquímica Aplicada: Propiedades, Cinética e Impacto en la Salud

Características Esenciales de las Enzimas y su Función Catalítica

1. Propiedades Generales de las Enzimas

Las enzimas, catalizadores biológicos por excelencia, presentan una serie de características fundamentales que las distinguen:

• No sufren modificaciones permanentes durante la reacción, recuperándose intactas al finalizar el proceso.
• No afectan el equilibrio de la reacción química, pero sí incrementan drásticamente su velocidad.
• Son altamente específicas para sus sustratos y el tipo de reacción que catalizan.

Una de las propiedades más destacadas es su capacidad de recuperación intacta. Esto significa que, una vez que la enzima ha facilitado la conversión del sustrato en producto, queda libre y disponible para catalizar nuevas moléculas de sustrato, lo que permite que actúen en cantidades muy pequeñas y de forma continua.

2. Especificidad de la Interacción Enzima-Sustrato (E-S)

La interacción entre una enzima y su sustrato (E-S) exhibe una gran especificidad estructural. Las enzimas reconocen y se unen a sus sustratos de forma muy precisa, pudiendo incluso diferenciar entre dos isómeros de un mismo compuesto. Esta especificidad se extiende también al producto final que se obtiene, siendo muy raro el caso en el que una reacción catalizada por enzimas genere productos laterales indeseados. Este fenómeno se explica por la complementariedad geométrica y electrónica entre el sitio activo de la enzima y la molécula del sustrato, a menudo descrita por modelos como el de "llave-cerradura" o "ajuste inducido".

3. Efecto de la Concentración de Sustrato en la Actividad Enzimática: El Fenómeno de Saturación

Al aumentar la concentración de sustrato, la velocidad de reacción catalizada por una enzima inicialmente se incrementa de forma rápida. Sin embargo, si se continúa aumentando la concentración de sustrato, la velocidad de reacción deja de aumentar y se mantiene constante, alcanzando un plateau o meseta. Esto ocurre porque los centros activos de la enzima se encuentran saturados. En este punto, todas las moléculas de enzima están ocupadas catalizando la reacción, y la velocidad máxima (Vmax) se ha alcanzado, independientemente de la cantidad adicional de sustrato presente.

4. Definición de la Constante de Michaelis (Km)

La constante de Michaelis (Km) es un parámetro cinético fundamental en enzimología. Se define como: "La concentración de sustrato para la cual la velocidad de reacción corresponde a la mitad del valor de la velocidad máxima (Vmax)". Un valor bajo de Km indica una alta afinidad de la enzima por su sustrato, mientras que un valor alto sugiere una menor afinidad.

5. Impacto del pH y la Temperatura en la Actividad Enzimática

La actividad de las enzimas es altamente sensible a las variaciones de pH y temperatura, ya que estos factores afectan directamente su estructura tridimensional y, por ende, su función catalítica:

• Efecto del pH:

  • Alteración de las cargas de los sitios activos, lo que puede impedir la unión adecuada del sustrato o la catálisis.
  • Modificación de los grupos funcionales responsables de la acción catalítica.
  • Un pH extremo (muy ácido o muy básico) puede llevar a la desnaturalización parcial o total de la enzima, perdiendo su estructura y actividad.

• Efecto de la Temperatura:

  • A mayor temperatura (por encima de la óptima): Se produce una mayor desestabilización de las estructuras proteicas (desnaturalización), lo que resulta en la pérdida irreversible de la actividad enzimática.
  • A menor temperatura (por debajo de la óptima): Se observa una mayor rigidez de las uniones débiles y una menor flexibilidad conformacional de la enzima, lo que reduce su actividad, pero generalmente de forma reversible.

6. Tipos de Inhibidores Enzimáticos

Los inhibidores enzimáticos son moléculas que disminuyen o anulan la actividad de una enzima. Se clasifican principalmente en:

• Inhibidores Reversibles: Se unen a la enzima de forma no covalente y pueden disociarse, permitiendo que la enzima recupere su actividad. Incluyen:
  • Competitivos: Compiten con el sustrato por el sitio activo.
  • No Competitivos: Se unen a un sitio diferente del sitio activo, alterando la conformación de la enzima.
  • Acompetitivos: Se unen solo al complejo enzima-sustrato.
• Inhibidores Irreversibles: Se unen a la enzima de forma covalente o muy fuerte, inactivándola permanentemente.

Un ejemplo notorio de inhibidor irreversible son los gases nerviosos, como el fluorofosfato de diisopropilo (DFP). Este compuesto forma un complejo covalente con la enzima acetilcolinesterasa, esencial para la transmisión de impulsos nerviosos. Los animales envenenados con DFP quedan paralizados debido a la imposibilidad de transmitir adecuadamente estos impulsos.

7. Intoxicación por Mercurio: Manifestaciones Clínicas

La exposición al mercurio, un metal pesado tóxico, puede provocar una serie de efectos adversos graves en el organismo. Las manifestaciones clínicas de la intoxicación por mercurio incluyen:

• Atrofia muscular.
• Temblores involuntarios.
• Alteraciones del aparato digestivo.
• Pérdida del apetito y de peso.
• Daños en los riñones.
• Malformaciones (en casos de exposición prenatal).
• En casos severos, puede llevar al coma y la muerte.

8. Antioxidantes y Radicales Libres: Mecanismos de Neutralización

Los radicales libres son moléculas altamente reactivas que pueden causar daño celular. Para su neutralización, el organismo cuenta con un sistema de defensa basado en antioxidantes, que se clasifican en endógenos y exógenos:

• Antioxidantes Endógenos:

  Son enzimas (proteínas) con capacidad antioxidante que el propio organismo produce. No se consumen al reaccionar con los radicales libres y su actividad es dependiente de cofactores metálicos como el cobre, el hierro, el zinc, el magnesio y el selenio. Ejemplos incluyen la superóxido dismutasa, la catalasa y la glutatión peroxidasa.

• Antioxidantes Exógenos:

  Provienen de la dieta (vitaminas, polifenoles, etc.). A diferencia de las enzimas antioxidantes, estos se consumen al reaccionar con los radicales libres y, por lo tanto, deben ser reemplazados continuamente a través de la alimentación.

9. Yatroquímica y su Relación con la Toxicología Moderna

La Yatroquímica, también conocida como química médica, es una disciplina histórica que sentó las bases para la farmacología y la toxicología modernas. Se define como la ciencia que, utilizando compuestos químicos, diseña una terapéutica para el paciente. Propone el estudio de la evolución patológica del paciente explorado a través de la química, y esta ciencia permite el diseño de medicamentos contra diversas enfermedades.

Su relación con la toxicología moderna radica en que ambas disciplinas estudian la interacción de sustancias químicas con sistemas biológicos. Mientras la yatroquímica se enfoca en el uso beneficioso de químicos para la salud (medicamentos), la toxicología se centra en los efectos adversos de estas y otras sustancias. La comprensión de los mecanismos de acción de los fármacos (yatroquímica) es fundamental para entender también sus posibles efectos tóxicos (toxicología), y viceversa, permitiendo el desarrollo de terapias más seguras y efectivas.