ESPECIFICIDAD DE LOS ENZIMAS.
Los enzimas, además de ser unos catalizadores muy eficaces, presentan un alto grado de especificidad química, es decir, son capaces de inducir la transformación de un sólo tipo de moléculas y no de otros que también se encuentran presentes en el medio de reacción. Un enzima es capaz de discriminar entre dos sustancias que potencialmente podrían actuar como sustratos.
Como ya se apuntó anteriormente, la relación que existe entre el enzima y su sustrato es un caso particular de un fenómeno más amplio: la relación entre las proteínas y sus respectivos ligandos. Aunque hemos introducido alguna salvedad sobre el particular (el enzima no es exactamente complementario con el sustrato sino más bien con el estado de transición), podemos afirmar que entre el enzima y su sustrato se da un acoplamiento espacial (el sustrato "encaja" en el centro activo del enzima) y químico (ambos poseen grupos funcionales que pueden establecer interacciones débiles entre sí). La especificidad de los enzimas reside en estacomplementariedad estructural (Figura 14.7). Así, aquellos potenciales sustratos que, por falta de acoplamiento espacial y/o químico, no puedan acceder al centro activo del enzima, no podrán ser transformados por él. Por otra parte, es necesario tener en cuenta que, en muchos casos, no es la totalidad de la molécula de sustrato, sino solamente una parte de ella, denominada grupo determinante de la posición, la que se acopla espacial y químicamente con el centro activo.
La importancia de las interacciones débiles entre grupos funcionales complementarios del sustrato y del centro activo en la determinación de la especificidad de los enzimas debe hacernos reflexionar sobre un hecho crucial: la energía de fijación, que como hemos visto es la principal fuente de energía libre para la catálisis, proporciona también especificidad. Catálisis y especificidad son dos propiedades de los enzimas que, aunque conceptualmente se distinguen con facilidad, responden en realidad a un mismo fenómeno: la interacción energéticamente favorable entre el enzima y el sustrato.
Aunque los enzimas son en general muy específicos comparados con cualquier catalizador artificial, su grado de especificidad resulta ser muy variado. Existen enzimas con una especificidad muy estricta que sólo reconocen a un sustrato determinado y no inducen la transformación de otras moléculas aunque estén estructuralmente muy relacionadas con él; algunos enzimas incluso son capaces de distinguir entre formas estereoisómeras de una misma sustancia (por ejemplo la lactato-deshidrogenasa sólo es capaz de deshidrogenar al estereoisómero L del ácido láctico). En el otro extremo del espectro de especificidades se encuentran enzimas con una especificidad relativamente amplia: pueden inducir la transformación de toda una serie de sustratos que presentan determinado rasgo estructural común (por ejemplo la fosfatasa alcalina induce la hidrólisis de diferentes ésteres del ácido fosfórico). Existen entre ambos extremos todos los grados de especificidad imaginables.
7.-FACTORES QUE AFECTAN A LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA.
Diferentes factores ambientales pueden afectar a la actividad enzimática. Destacaremos dos: el pH y la temperatura.
7.1.-EFECTO DEL pH.
La mayoría de los enzimas presentan unpH óptimo para el cual su actividad es máxima; por encima o por debajo de ese pH la actividad disminuye bruscamente. Este efecto se debe a que, al ser los enzimas de naturaleza proteica, al igual que otras proteínas, se desnaturalizan y pierden su actividad si el pH varía más allá de unos límites estrechos (Figura 14.8). De ahí la conocida importancia biológica de los sistemas tampón.
En la mayor parte de los casos el pH óptimo está próximo a la neutralidad, en consonancia con el pH intracelular, pero existen enzimas con pH óptimo muy diverso según sea el pH del medio en el que habitualmente actúan (los enzimas proteolíticos del jugo gástrico tienen pHs óptimos próximos a 2 ya que este es el pH de dicho jugo). Por último existen algunos enzimas a los que el pH no afecta en absoluto.
7.2.-EFECTO DE LA TEMPERATURA.
Al igual que ocurre con la mayoría de las reacciones químicas, la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas se incrementa con la temperatura. La variación de la actividad enzimática con la temperatura es diferente de unos enzimas a otros en función de la barrera de energía de activación de la reacción catalizada. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre en otras reacciones químicas, en las reacciones catalizadas por enzimas se produce un brusco descenso de la actividad cuando se alcanza una temperatura crítica. Este efecto no es más que un reflejo de la desnaturalización térmica del enzima cuando se alcanza dicha temperatura. Si representamos gráficamente la variación de la actividad de los enzimas en función de la temperatura (ver Figura 14.9) da la impresión de que existe una temperatura "óptima" análoga al pH óptimo estudiado anteriormente; hay que resaltar que esa aparente temperatura óptima no es más que el resultado de dos procesos contrapuestos: 1) el incremento habitual de la velocidad de reacción con la temperatura y 2) la desnaturalización térmica del enzima.
8.-NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN.
Inicialmente se designaba a los enzimas añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato, o bien a una palabra que describe su actividad. Por ejemplo la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea para rendir CO2 y agua, la arginasa cataliza la hidrólisis del aminoácido arginina y la DNA polimerasa cataliza la síntesis del DNA. Sin embargo, a medida que el número de enzimas conocidos iba aumentando, este tipo de nomenclatura comenzó a revelarse poco operativa y en ocasiones ambigua, por lo que se ha adoptado una clasificación sistemática elaborada por una Comisión Internacional de Enzimas reunida a tal efecto. El nuevo sistema divide a los enzimas en seis clases principales, cada una de las cuales se divide a su vez en subclases y éstas en sub-subclases atendiendo al tipo de reacción catalizada. Cada enzima es designada de tres modos: 1) un nombre recomendado, generalmente corto y apropiado para su uso habitual, 2) un nombre sistemático que identifica la reacción que cataliza, y 3) un número de clasificación, que se emplea cuando se precisa una identificación inequívoca del enzima. Veamos como ejemplo el del enzima que cataliza la siguiente reacción.
ATP + CREATINA —› ADP + FOSFOCREATINA
Nombre recomendado: CREATIN-KINASA
Nombre sistemático: ATP:CREATIN FOSFOTRANSFERASA
Número de clasificación: EC 2.7.3.2.
En el número de clasificación EC es la abreviatura de Comisión de Enzimas; el primer dígito (2) indica la clase a la que pertenece el enzima, en este caso la clase transferasas (ver tabla); el segundo dígito (7) indica la subclase (fosfotransferasas); el tercer dígito (3) la sub-subclase (fosfotransferasas con grupo nitrogenado como aceptor); el cuarto dígito (2) identifica inequívocamente al enzima en cuestión.
9.-INHIBICIÓN ENZIMATICA.
Existen una serie de sustancias, llamadas inhibidores, que inhiben o anulan la acción de los enzimas sin ser transformados por ellos. Su estudio resulta de gran utilidad a la hora de comprender los mecanismos de catálisis, la especificidad de los enzimas y otros aspectos de la actividad enzimática.
La inhibición enzimática puede ser irreversible o reversible, esta última comprende a su vez tres tipos: inhibición competitiva, acompetitiva y no competitiva.
9.1.-INHIBICIÓN IRREVERSIBLE.
Algunos inhibidores se combinan de modo permanente con el enzima uniéndose covalentemente a algún grupo funcional esencial para la catálisis con lo que el enzima queda inactivado irreversiblemente. El estudio de este tipo de inhibidores ha resultado de gran utilidad para identificar los grupos funcionales esenciales para la catálisis en aquellos enzimas a los que inactivan.
Este tipo de inhibición se conoce también como "envenenamiento" del enzima. Por ejemplo algunos compuestos organofosforados tóxicos llamados venenos nerviosos, que se utilizan como insecticidas, actúan inhibiendo irreversiblemente al enzima acetilcolinesterasa, la cual interviene en la actividad del sistema nervioso. Se sabe que estos compuestos organofosforados inactivan al enzima formando un enlace éster fosfórico con el grupo hidroxilo de un determinado resto del aminoácido serina, lo que demuestra que ese grupo funcional es esencial para la catálisis.
9.2.-INHIBICIÓN REVERSIBLE.
Los inhibidores reversibles se combinan transitoriamente con el enzima, de manera parecida a como lo hacen los propios sustratos. Algunos inhibidores reversibles no se combinan con el enzima libre sino con el complejo enzima-sustrato.
Se distinguen tres tipos de inhibición reversible:
9.2.1.-INHIBICIÓN COMPETITIVA.
El inhibidor es una molécula que presenta un cierto parecido estructural con el sustrato, de manera que puedecompetir con él por acceder al centro activo, pero que no posee ningún enlace susceptible de ser atacado por el enzima (Figura 14.10). El inhibidor forma con el enzima libre un complejo enzima-inhibidor de características cinéticas análogas a las del complejo enzima-sustrato, pero que, lógicamente, no puede descomponerse a continuación para dar lugar al enzima libre y a los productos:
9.2.2.-INHIBICIÓN INCOMPETITIVA.
El inhibidor no se combina con el enzima libre ni afecta a su unión al sustrato, sino que lo hace con el complejo enzima-sustrato dando lugar a un complejo inactivo enzima-sustrato-inhibidor, que no se descompone posteriormente para dar lugar a los productos (Figura 14.11). El inhibidor se coloca próximo al centro activo situado de tal manera que impide físicamente la salida de los productos:
9.2.3.-INHIBICIÓN NO COMPETITIVA.
El inhibidor puede combinarse con el enzima libre o bien con el complejo enzima-sustrato, interfiriendo en la acción de ambos. Los inhibidores no competitivos se unen a un lugar del enzima diferente del centro activo provocando en el una alteración que dificulta bien la formación del complejo enzima-sustrato o bien la descomposición de éste para dar lugar a los productos (Figura 14.12). La unión con el inhibidor produce dos formas inactivas: los complejos EI y ESI, ninguna de las cuales puede descomponerse para dar lugar a los productos y al enzima libre:
Aunque podría pensarse que los distintos tipos de inhibición estudiados pueden desempeñar algún papel en la regulación de la actividad enzimática, todo parece indicar que no es así; la regulación de la actividad enzimática se lleva a cabo mediante mecanismos que no se ajustan a ninguno de los modelos de inhibición estudiados y que se describirán en el próximo apartado. El interés del estudio de la inhibición enzimática reside más en su utilidad para comprender la estructura, mecanismos catalíticos y especificidad de los enzimas, que en una importancia biológica real.
10.-ENZIMAS REGULADORES.
La célula es una máquina química que debe ser capaz de autoajustarse o regular su propio funcionamiento para no desperdiciar tiempo ni energía en realizar procesos que no le son útiles en un momento dado, siguiendo así un principio de máxima economía molecular. Este autoajuste se lleva a cabo a varios niveles entre los que destaca la regulación de la propia actividad enzimática.
Todos los enzimas presentan propiedades que los hacen candidatos a constituir elementos reguladores del metabolismo. Estas propiedades son su sensibilidad a los cambios de pH, a la concentración del sustrato o a la concentración de otras sustancias accesorias que denominaremos cofactores. Sin embargo, existen una serie de enzimas que, además de estas propiedades comunes a todos ellos, poseen otras que les confieren un papel específicamente regulador del metabolismo: son losenzimas reguladores. Existen dos tipos principales de enzimas reguladores: los enzimas alostéricos y los enzimas modulados covalentemente. Ambos tipos son responsables de alteraciones en el estado metabólico de las células en intervalos cortos de tiempo (los enzimas alostéricos en cuestión de segundos, los modulados covalentemente en cuestión de minutos).
10.1.-ENZIMAS ALOSTÉRICOS.
Los enzimas alostéricos son aquellos que, además del centro activo mediante el cual interactúan con el sustrato, poseenotro centro de unión llamado centro alostérico mediante el cual interactúan con otra molécula denominada efector omodulador (la palabra "alostérico" hace referencia a la existencia de ese "otro lugar"). La interacción del modulador con el centro alostérico es tan específica como lo es la interacción del sustrato con el centro activo y también está basada en la complementariedad estructural (Figura 14.13). Los enzimas alostéricos presentan pesos moleculares en general superiores a los de otros enzimas y en la mayor parte de los casos son proteínas oligoméricas, es decir están formados por varias subunidades (normalmente en número par).
Los moduladores alostéricos pueden ser de dos tipos: unos estimulan la actividad del enzima al unirse al centro alostérico, reciben el nombre de moduladores positivos o activadores; otros la inhiben y se llaman moduladores negativos oinhibidores. Los inhibidores alostéricos no responden a ninguno de los modelos de inhibición enzimática estudiados en el apartado anterior.
Los enzimas alostéricos presentan siempre dos formas, una activa y otra inactiva, interconvertibles por efecto del modulador (Figura 14.13). Existen dos tipos de control alostérico: el control heterotrópico que se da cuando el modulador es una molécula diferente del sustrato, y el control homotrópico que se da cuando el modulador es el propio sustrato. En ambos casos el modulador puede ser positivo o negativo. Los enzimas con control homotrópico poseen dos o más centros de unión para el sustrato; en ellos la interconversión entre las formas activa e inactiva depende de cuántos sean los centros de unión que estén ocupados por moléculas de sustrato.
Un caso muy común de regulación del metabolismo mediante enzimas alostéricos es la la inhibición por el producto final, también llamada retroinhibición o control feed-back. En ella, el producto final de una ruta metabólica inhibe alostéricamente al enzima que cataliza la primera reacción de dicha ruta, interrumpiendo así su propia síntesis cuando ésta ya no es necesaria. Este tipo de control es muy rentable para la célula, ya que no se interrumpe solamente la síntesis del producto final sino la de todos los intermediarios. Se trata de un control heterotrópico mediante un modulador negativo.
Otro caso es el del sustrato de la primera reacción de una ruta metabólica que actúa como activador del enzima que cataliza dicha reacción. Se trataría aquí de un control homotrópico mediante modulador positivo.
Aunque existen enzimas alostéricos monovalentes, que responden a un sólo modulador, la inmensa mayoría son enzimas polivalentes, que poseen varios centros alostéricos mediante los cuales interactúan con distintos moduladores positivos y/o negativos, presentando un tipo de control mixto homotrópico-heterotrópico.
10.2.-ENZIMAS MODULADOS COVALENTEMENTE.
Los enzimas modulados covalentemente también presentan dos formas, una activa y otra inactiva, que son interconvertibles por modificación covalente de sus estructuras catalizada por otros enzimas, denominados enzimas moduladores. Tal modificación suele consistir en la adición o eliminación de un grupo químico esencial para la catálisis (generalmente un grupo fosfato, metilo, adenilato u otros) de manera que el enzima modulado se activa cuando está unido a dicho grupo y se inactiva cuando éste se elimina. En la mayor parte de los casos son necesarios dos enzimas moduladoresdiferentes, uno que activa el enzima modulado y otro que lo inactiva. Un ejemplo clásico de modulación covalente lo constituye el enzima glucógeno-fosforilasa, que actúa en el metabolismo de los glúcidos liberando unidades de glucosa-1-fosfato a partir de las cadenas polisacarídicas del glucógeno. La glucógeno-fosforilasa es activada por un enzima modulador, la fosforilasa-quinasa, que une covalentemente un grupo fosfato a un resto específico de serina en cada una de las dos subunidades del enzima modulado. Otro enzima modulador, la fosforilasa-fosfatasa, escinde hidrolíticamente dichos grupos fosfato desactivando así el enzima (Figura 14.14).
La modulación covalente tiene la ventaja de que puede utilizarse para amplificar una señal química, ya que una sola molécula del enzima modulador puede activar o desactivar a muchas moléculas del enzima modulado, que a su vez podrán actuar o no sobre un elevado número de moléculas de sustrato, produciéndose así lo que se conoce como efecto cascada. En muchos casos, los enzimas moduladores a su vez pueden activarse o desactivarse como respuesta a una señal hormonal. Por ejemplo, la hormona denominada adrenalina actúa sobre receptores específicos de la membrana de las células musculares desencadenando un proceso en el que están implicados varios enzimas moduladores que a su vez resultan modulados covalentemente por otros enzimas moduladores de un nivel superior. El resultado final de dicho proceso es una degradación masiva de glucógeno a glucosa-1-fosfato destinada a la producción de energía para las células musculares. De este modo, una débil señal química, consistente en unas pocas moléculas de hormona, es amplificada en varios escalones para producir un efecto metabólico de grandes proporciones.
Un caso particular de este tipo de regulación es la la activación covalente de los zimógenos. Algunos enzimas se sintetizan dentro de las células en formas inactivas denominadas zimógenos. Una vez secretados al exterior de la célula son activados mediante la escisión hidrolítica catalizada enzimáticamente de algunos péptidos de su cadena polipeptídica. Este tipo de activación es irreversible. El ejemplo clásico de este tipo de regulación es el de los enzimas digestivos pepsina, tripsina y quimotripsina que, con el objeto de que evitar que lleven a cabo su actividad degradativa en el interior de las células, se sintetizan en forma de sus respectivos zimógenos inactivos y sólo se activan una vez han sido secretados al tracto digestivo.
11.-COFACTORES ENZIMÁTICOS.
Algunos enzimas necesitan para llevar a cabo su actividad catalítica de la concurrencia de una o más sustancias de naturaleza no proteica que reciben el nombre de cofactores. No debe entenderse que los cofactores son sustancias que meramente potencian la actividad enzimática sino que, en determinados enzimas, son absolutamente imprescindibles para que ésta se realice. En ausencia de cofactor el enzima resulta catalíticamente inactivo y recibe el nombre de apoenzima; la combinación de apoenzima y cofactor da el holoenzima catalíticamente activo. Existen dos tipos de cofactores enzimáticos: losiones metálicos y los coenzimas.
Los iones metálicos que actúan como cofactores enzimáticos son generalmente cationes mono o divalentes. Pueden actuar de varias maneras: 1) En algunos enzimas el ion metálico constituye el verdadero centro catalítico; en estos casos el ion suele presentar por sí solo una cierta actividad catalítica, que se ve incrementada cuando forma parte del enzima. 2) En otros enzimas el ion metálico constituye un grupo puente para unir el sustrato al centro activo. 3) A veces el ion metálico no forma parte del centro activo sino que se encuentra en un lugar del enzima muy alejado del mismo, actuando como agente estabilizador de la conformación nativa del enzima.
Cuando el cofactor es una sustancia orgánica de naturaleza no proteica recibe el nombre de coenzima. Los coenzimas actúan generalmente como transportadores intermediarios de grupos funcionales, de determinados átomos o de electrones, los cuales son transferidos de una sustancia a otra en la reacción enzimática global. A veces los coenzimas se hallan íntimamente unidos a la molécula proteica constituyendo un verdadero grupo prostético. En otros casos la unión es débil y el coenzima actúa en realidad como si de un sustrato más del enzima se tratase.
Cuando se analiza la estructura química de muchos coenzimas se comprueba que tienen formando parte de ella a alguna de las sustancias conocidas como vitaminas. Existe pues una clara relación entre vitaminas y coenzimas.
12.- VITAMINAS.
Las vitaminas son una serie de sustancias de naturaleza química variada que, en cantidades mínimas, son necesarias para el normal desarrollo y funcionamiento de muchos organismos. Su importancia biológica se manifestó debido a que algunos organismos no las pueden sintetizar y deben adquirirlas por tanto de procedencia exógena.
Desde muy antiguo se sabía que determinados alimentos tenían propiedades curativas o preventivas para determinadas enfermedades. El fraccionamiento químico de estos alimentos condujo al aislamiento y purificación de las sustancias responsables de este efecto preventivo, las cuales recibieron el nombre de vitaminas debido a que la primera que se identificó era una amina (de "vital amina"). Pudo constatarse entonces su variada naturaleza química, siendo clasificadas enhidrosolubles y liposolubles según su mayor o menor afinidad por el agua o por las sustancias lipídicas.
En la actualidad está perfectamente establecida la función coenzimática de la mayoría de las vitaminas hidrosolubles: a excepción de la vitamina C todas forman parte de alguno de los coenzimas conocidos. Es conveniente resaltar que, aunque existe una clara relación entre las vitaminas hidrosolubles y los diferentes coenzimas que actúan en el metabolismo, vitaminas y coenzimas no son exactamente la misma cosa; un ejemplo nos ayudará a aclararlo: el ácido nicotínico es una vitamina hidrosoluble que no puede ser sintetizada por las células humanas. Ahora bien, dichas células sí pueden transformar el ácido nicotínico en nicotinamida, la cual, unida a otros componentes celulares, forma parte de los coenzimas NAD y NADP, que actúan en el metabolismo como transportadores de electrones. Por otra parte, las vitaminas liposolubles parecen presentar funciones de naturaleza hormonal o reguladora del metabolismo que en algunos casos aún no son bien comprendidas.
Las necesidades exógenas de vitaminas difieren ampliamente de unas especies a otras según éstas sean capaces o no de sintetizarlas. Por ejemplo el hombre necesita 14 vitaminas de procedencia exógena, mientras que la especie bacteriana Escherichia coli sólo necesita una (la biotina) pudiendo sintetizar todas las demás. Por otra parte, sólo los animales superiores parecen necesitar vitaminas liposolubles de procedencia exógena.
No hay comentarios:
Publicar un comentario