Clases

Función

Todas las reacciones metabólicas están catalizadas por enzimas. El modo que tiene una célula de controlar su actividad es el de expresar o no los genes que codifican para cada enzima, activando o desactivando así cada una de las reacciones metabólicas.

Composición y Estructura

• Son proteínas:
  • Holoproteínas o
  • Heteroproteínas:
    • Parte proteínica: apoenzima: fija los sustratos.
    • Parte no proteínica: modifica los sustratos en productos.
      • Grupo prostético: permanente.
      • Cofactor: no permanente.
        • Metálico: Mg²⁺, Ca²⁺...
        • Orgánico: coenzimas. Las principales son las vitaminas:
          • Son nutrientes esenciales: han de venir en la dieta.
          • Son micronutrientes: basta con una dieta variada y equilibrada, no específica.
          • Muy lábiles ante la elevada temperatura, O₂, luz y cambios de pH.
          • Su déficit (más fácil en las hidrosolubles que en las liposolubles) origina enfermedades carenciales = hipovitaminosis.
          • Su exceso (más fácil en las liposolubles que en las hidrosolubles) genera hipervitaminosis.
          • Hidrosolubles:
            • Se eliminan con facilidad por la orina.
            • Ejemplos e hipovitaminosis: B₃ (pelagra), B₆ (trastornos nerviosos), B₁₂ (anemia), C (escorbuto).
          • Liposolubles:
            • Se acumulan en el hígado y demás tejidos/órganos grasos.
            • Ejemplos: A (antioxidante, visión), D (calcificación de huesos), E (antioxidante), K (coagulación).

Propiedades

• Desnaturalizables: variaciones del pH, aumento de la temperatura o aumento de la salinidad.
• No se consumen durante la reacción, ni se alteran tras ella → son reutilizables.
• Son específicas de sustratos:
  • De una molécula concreta (ATPasa, lactasa, sacarasa);
  • De una familia de moléculas con un enlace concreto (lipasas, exonucleasas).
• Son específicas respecto de la reacción que catalizan:
  • Cada enzima cataliza solo un tipo de reacción y cada tipo de reacción es catalizada por un enzima diferente. Hay excepciones: RuBisCO (carboxila u oxida a su sustrato según haya poco o mucho O₂).

Mecanismo de Acción

• En cualquier reacción química:
  • Para avanzar del reactivo al producto se pasa por 2 etapas:
    • Los reactivos han de alcanzar un estado transicional llamado complejo de activación, en que los enlaces iniciales del sustrato están rotos, debilitados o alterados;
    • Se forman unos enlaces nuevos entre los átomos de los reactivos, dando lugar a moléculas nuevas: los productos.
  • Si la G de los sustratos es mayor que la de los productos, la reacción es exergónica (~ exotérmica). Si la G de los productos es mayor, la reacción es endergónica (~ endotérmica). Pero en cualquiera de los 2 casos hay que hacer un aporte inicial de E para alcanzar el complejo de activación.
  • Si la energía de activación (Ea) es muy baja, la reacción puede ser espontánea, porque bastará con la propia E cinética de las moléculas o el eventual aporte externo de E lumínica para alcanzarla.
• En una reacción enzimática:
  • El reactivo, llamado sustrato, se une al enzima por las cadenas laterales de los aminoácidos del centro activo de este, del mismo modo que una llave encaja en una cerradura, o una mano en un guante. La unión se denomina complejo enzima-sustrato. Esta unión debilita los enlaces del sustrato, haciendo que alcanzar el estado de activación requiera mucha menos energía. De este modo se consigue que sean espontáneas reacciones que, de otro modo, apenas tendrían lugar.

Cinética Enzimática

• La velocidad de una reacción enzimática aumenta de modo proporcional a la [S] hasta un determinado punto: aquel en el que todas las moléculas del enzima están ocupadas. A partir de aquí, la velocidad de reacción se mantiene constante.
• El incremento de velocidad inicial (la pendiente de una gráfica v/[S]) puede ser mayor o menor, dependiendo de la mayor o menor afinidad del enzima por el sustrato. Y se expresa a través de la constante de Michaelis-Menten, K_M, que es la [S] a la que se alcanza la mitad de la velocidad máxima. Cuanto más baja sea la K_M de un enzima, mayor será su afinidad por el sustrato.

Factores que Influyen en la Velocidad de las Reacciones Enzimáticas

• [S]. Aumenta la velocidad de reacción hasta un determinado punto, en el que la cantidad de S excede de la que los enzimas pueden procesar simultáneamente.
• pH. Según nos alejamos del pH óptimo del enzima, se empiezan a alterar las cargas eléctricas de las cadenas laterales de sus aminoácidos (que se ven forzadas a aceptar o a ceder H⁺, según baje o suba el pH). Esto hace que...
  • Se deshagan los enlaces iónicos entre ellos que permitían mantener la conformación del enzima, llegándose incluso a producirse su desnaturalización;
  • Se deshagan los enlaces que unen el centro activo del enzima con el sustrato.
• Temperatura:
  • Por debajo del óptimo disminuye la velocidad de las moléculas de E y S, por lo que disminuyen sus posibilidades de encuentro, y de que se forme el complejo enzima-sustrato.
  • Por encima del óptimo se empiezan a romper los enlaces que ayudan a mantener la conformación del enzima, perjudicando a su funcionalidad, y llegando a desnaturalizarlo.

Mecanismos que Aumentan la Eficacia Enzimatica

• Compartimentalización celular. La presencia de orgánulos membranosos en las células eucarióticas (p.e. lisosomas, peroxisomas) permite crear ambientes que favorezcan de forma específica la actuación de determinadas enzimas:
  • porque tengan un pH o una salinidad óptimas para dichas enzimas;
  • porque abunden en ellos los cofactores propios de esos enzimas;
  • porque abunden en ellos los sustratos sobre los que actúan esos enzimas.
• Complejos multienzimáticos. Cuando sobre un sustrato hay que realizar varias transformaciones químicas consecutivas, el proceso se puede acelerar agrupando los enzimas que catalizan esas transformaciones, de modo que cada uno le pasa su producto al de al lado, del cual es el sustrato. Un ejemplo es el complejo piruvato-deshidrogenasa que transforma en 2 pasos el piruvato en acetil-coenzima A en la 2ª etapa de la respiración celular.
• Isozimas. Catalizan la misma reacción, pero a velocidades diferentes y en contextos físico-químicos diferentes, adaptándose a las diferentes necesidades que puedan tener distintos orgánulos o distintas clases de células. Un ejemplo son las amilasas salival (pH óptimo de 6,9) y pancreática (pH óptimo de 8).
• Reacciones en cascada. Cuando se necesita una respuesta muy masiva (como en la coagulación de la sangre), la enzima que produce el producto que se busca (como la fibrina), no es la primera ni la única en producirse, sino la última de una serie de enzimas, cada una de las cuales activa a la siguiente. Aunque pudiera parecer mejor, por ser más rápido, depender de una sola enzima para fabricar el producto final, lo que se consigue con la cascada es un aumento geométrico en la producción del enzima final a costa de un pequeño retardo inicial, con lo que se acaba produciendo mucha mayor cantidad de producto en el mismo tiempo.

Regulación de la Actividad Enzimatica

La necesidad que tiene una célula de realizar una determinada reacción metabólica, es cambiante. Por ejemplo, la lactólisis solo es necesaria cuando hay lactosa en el quilo; y la gluconeogénesis cuando hace falta energía. El resto del tiempo, para evitar un gasto innecesario de energía, los enzimas que catalizan estas reacciones ni deben de sintetizarse, ni deben de estar activos. Lo último puede conseguirse de las siguientes formas:

• Activación Enzimática:

  • El enzima tiene inicialmente una conformación inactiva (el centro activo no puede aceptar al sustrato).
  • Solo alcanza su conformación activa tras asociarse a una molécula activadora.
  • Estas pueden ser cofactores (Ca²⁺, Mg²⁺...) o incluso el propio sustrato.

• Inhibición Enzimática:

  • El enzima tiene inicialmente una conformación activa (el centro activo puede aceptar al sustrato).
  • Esta conformación activa se pierde tras la unión de una molécula inhibidora al enzima.
  • Estos pueden ser diversas moléculas, entre ellas el propio producto del enzima = retroinhibición metabólica.
  • La unión del inhibidor al enzima puede ser por enlaces covalentes. Entonces es irreversible: el inhibidor se llama veneno metabólico.
  • La unión del inhibidor al enzima puede ser por enlaces iónicos o puentes de H. Entonces es reversible, y el enzima recuperará su conformación activa cuando el inhibidor desaparezca. Y puede ser:
    • Competitiva:
      • El inhibidor es un análogo metabólico del sustrato (tiene una forma similar), y por ello se puede unir al centro activo del enzima, desplazando al sustrato.
        • Ej.: las sulfamidas son análogos competitivos del ácido aminobenzoico, necesario para la síntesis del ácido fólico (vitamina B₉), necesario para la síntesis de los ácidos nucleicos. Como las bacterias se dividen mucho más rápidamente que nuestras células, las sulfamidas pueden usarse para acabar con una infección bacteriana, aunque con efectos secundarios notables.
    • No Competitiva:
      • Un inhibidor se une a una región del enzima distinta del centro activo. Sin embargo, tras la unión, el centro activo se altera y es incapaz de unirse al sustrato.
      • Un inhibidor se une al complejo enzima-sustrato, impidiendo la formación y liberación del producto.

Clasificación

• Isomerasas: Transforman una molécula en un isómero suyo: glucosa → galactosa.
• Hidrolasas: Hidrólisis: péptido → aminoácidos
• Ligasas o sintasas: Unen moléculas, consumiendo energía: ADP + Pi → ATP + H₂O..
• Transferasas: transfieren grupos funcionales de una moléculas a otras: quinasas, transaminasas...
• Oxidorreductasas: transfieren electrones de unos átomos a otros.
• Liasas: añaden moléculas sencillas a enlaces dobles, deshaciéndolos.