Principios Bioquímicos de la Catálisis Enzimática: Función, Especificidad y Mecanismos de Acción

BQ35: Introducción a las Enzimas

1. Definición y Características de la Actividad Enzimática

¿Qué es una enzima?

Las enzimas tienen una función transformadora de moléculas. Las enzimas son proteínas catalizadoras que permiten que las reacciones alcancen un ritmo adecuado.

Características de la Actividad Enzimática

1. Eficacia Catalítica: Actúan como facilitadores o dinamizadores de un proceso químico, pero no son generadores del mismo. Son esenciales para multiplicar el ritmo de producción millones de veces, haciendo más rápido lo que se da de forma espontánea.

2. No Sufren Transformación: Las enzimas intervienen en las reacciones sin sufrir transformaciones (son reutilizables en todo momento). No sufren cambios, sino que recuperan su estado inicial tras cada ciclo catalítico.

3. Alta Especificidad: Se especializan en un determinado tipo de reacción y en un determinado tipo de sustrato.

   Ejemplo: Metabolismo de la β-D-glucosa.

4. Actividad Regulable: No operan en cualquier condición, sino que se regulan por el entorno: pH, concentración de sales, concentración de producto o moduladores. Una forma de regulación es el alosterismo.

2. Acción Termodinámica de las Enzimas

Para que la enzima logre bajar la energía de activación y facilite lo que antes no era fácil, se basa en una serie de condiciones o motivos:

1. Factor de Proximidad y Orientación: (A + B = C). Las enzimas tienen una zona de reconocimiento y unión, conocida como Centro Activo. La presencia de A y B no es garantía de que se dé la reacción; reaccionarán más fácilmente si están cerca. La enzima acerca las moléculas. El Centro Activo es una zona que une fácilmente a A y a B. La enzima aproxima lo que estaba en disolución y que solo de vez en cuando se encontraban, poniendo en cercanía las moléculas que han de reaccionar.

2. Fenómenos de Superficie (Microambiente): Debido al microambiente que ofrece el centro activo, se activa la molécula que participa en la reacción a través de la interacción con la enzima. El centro activo establece cargas y enlaces que inestabilizan una molécula, la hacen más reactiva y susceptible. La enzima inestabiliza y activa el sustrato para que su actividad sea mayor.

3. Factores de Distorsión o Tensión de Enlaces: Una enzima que enlaza la molécula por varios puntos cambia su forma, facilitando su ruptura o la división en distintos fragmentos. La enzima somete a la molécula a un estrés conformacional.

4. Presencia de Grupos Catalíticos: La orientación del sustrato que ocupa el centro activo lo enfrenta a grupos funcionales de la enzima que interaccionan con el sustrato y tienen alta especificidad.

3. Mecanismos de Acción Catalítica

Esta catálisis se puede dar por varios procedimientos:

3.1. Catálisis Ácido-Base

Es muy presente en la proteólisis. Una base (puede ser un aminoácido, Aa) atrae protones y tensiona la molécula de H₂O. Estos mecanismos establecen estados de transición favorables a la acción catalítica.

La presencia de una base que capta un protón deja libre un ion hidroxilo (OH⁻) que ataca el enlace carbonilo. Si en el medio hay un ácido, este libera protones que pueden unirse al oxígeno del carbonilo del enlace peptídico, lo que aumenta la electrofilia del carbono involucrado. Por último, en la catálisis ácido-base concertada, actúan simultáneamente un ácido y una base.

3.2. Catálisis Covalente

Es un grupo químico de la enzima el que ataca al sustrato y forma un producto intermedio covalente transitorio y muy inestable que se transformará rápidamente en producto. Se forman enlaces entre aminoácidos del centro activo y el sustrato.

3.3. Catálisis por Iones Metálicos

Hay enzimas que contienen metales. Dominan los metales bivalentes (de valencia 2). El metal es determinante; si no hay metal, la enzima no es activa. El metal se utiliza para la formación y transformación de la enzima. Si no hay metal, el sustrato no se acopla.

Los iones metálicos pueden actuar de varias maneras:

• Estabilizando compuestos intermedios.
• Aportando moléculas de agua ácidas de su recubrimiento, quedándose con el OH⁻.
• Actuando como portadores de electrones, lo que les permite participar en reacciones redox.