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Tema 7. Enzimas
Bioquímica
TEMA 7
ENZIMAS I
1. Introducción
2. Las enzimas como catalizadores
3. Nomenclatura y clasificación de enzimas
4. Cofactores enzimáticos
5. Modelos de actuación de las enzimas
1. Introducción
La vida depende de la existencia de unos catalizadores muy potentes y altamente
específicos denominados enzimas. De hecho, todos los pasos de todos los
procesos metabólicos están catalizados por enzimas y la capacidad catalítica se
considera, junto con la capacidad de autorreplicación, una de las características
fundamentales de la vida. Con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de
RNA catalítico (los ribozimas), todas las enzimas conocidas son proteínas.
El nombre de enzima ("en la levadura") no se empleó hasta 1877, pero mucho antes
ya se sospechaba que ciertos catalizadores biológicos intervenían en muchos
procesos. Así en 1850, Louis Pasteur concluyó que la fermentación de azúcar en
alcohol por levaduras estaba catalizada por lo que llamó “fermentos”, que él
consideraba inseparable de las células de levadura vivas. En 1897, Büchner,
consiguió extraer las enzimas que catalizaban la fermentación alcohólica de las
células de levadura, terminando así con la teoría vitalista. No obstante hubo que
esperar hasta 1926, cuando Sumner consiguió purificar y cristalizar por primera vez
una enzima, la ureasa, para demostrar su naturaleza proteica. En la actualidad se
conocen más de 2000 enzimas diferentes, muchas de las cuales se han aislado en
forma pura. Se utilizan potentes técnicas de purificación y secuenciación, técnicas de
difracción de rayos X, RMN, etc., para conocer su estructura, y técnicas de
mutagénesis dirigida para conocer más sobre su funcionalidad y sus mecanismos de
actuación.
2. Las enzimas como catalizadores
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La función principal de las enzimas es actuar como catalizadores de las reacciones
de los seres vivos; Las reacciones necesarias para la célula (digestión de alimentos,
envío de señales, contracciones musculares) sencillamente no se darían en
ausencia de catalizadores. La enzima a través de su sitio activo propociona el
ambiente especifico para hacer energéticamente más favorables reacciones que en
ausencia de catalizadora serían inviables. Aunque tiene ciertas peculariedades (alta
eficiencia, especificad, capacidad de regulación,..) siguen los principios generales de
la catálisis química.
Todas las reacciones químicas tienen lugar porque cierta fracción de la población de
moléculas reactantes poseen la suficiente energía como para alcanzar un estado
activado, llamado estado de transición, en el que es muy elevada la probabilidad
de que se rompan o se establezcan enlaces para formar los productos. Este estado
de transición reside en la cima de la barrera energética que separa los reactantes de
los productos, como muestra la Figura 1. En ella se observa el diagrama de energía
para una reacción química, no catalizada y catalizada, donde la energía libre de
activación es la cantidad de energía necesaria para llevar todas las moléculas de un
mol de sustancia, a una temperatura determinada, al estado de transición.
Figura 1.
Evolución energética de una reacción química. Se observa la diferencia energética
entre los estados de transición de las reacciones catalizada y no catalizada.
Existen dos métodos generales mediante los cuales puede acelerarse la velocidad
de una reacción química. Uno de ellos es la elevación de la temperatura (ya que
provoca un incremento en la velocidad de las moléculas); el otro consiste en utilizar
un catalizador. El catalizador se combina con los reactantes de modo transitorio
activándolos, produciendo un estado de transición de menor energía que en la
reacción no catalizada. Una vez formados los productos el catalizador queda libre, y
puede ser de nuevo utilizado.
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La Tabla 1 muestra una comparación de las energías de activación para la
descomposición del peróxido de hidrógeno, en ausencia o presencia de un
catalizador. En ella se puede apreciar cómo el catalizador enzimático baja aún más
la barrera energética que ha de superarse desde el nivel de reactivos para alcanzar
el estado de transición. Esta es una característica común de las enzimas. Su alto
poder catalítico se debe en parte a su alta especificidad por los sustratos, la cuál
puede ser absoluta para un único sustrato o relativa, cuando permite la reacción de
compuestos diferentes pero con una estructura similar.
Tabla 1
Descomposición enzimática del agua oxigenada. comparación de
las energías de activación para la descomposición del peróxido de
hidrógeno, en ausencia o presencia de un catalizador
Reacción
Catalizador
Descomposición
de H2O2
Ninguno
20
18
Fe2+
22
10
Catalasa
22
1,7
Temperatura
(ºC)
Energía
(Kcal/mol)
La especificidad de las enzimas es muy importante para los seres vivos. Cada célula
contiene varios cientos de miles de compuestos diferentes, y existen muchas
combinaciones posibles entre las reacciones químicas que estos compuestos
pueden experimentar. Las enzimas cuidan de que tengan lugar, de manera
específica, aquellas reacciones que son esenciales e indispensables para que la
célula viva.
Los catalizadores intervienen en la reacción pero no en su balance pues no
aparecen como productos iniciales ni finales de modo que no alteran el incremento
de energía libre y por tanto la termodinámica de la reacción.
∆G o = − RT ln K e
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La constante de velocidad aplicando la teoría del estado de transición como veremos
puede expresarse como
V = k [S1 ][S 2 ]
k=
KT − ∆G ≠ / RT
e
h
siendo K la constante de Boltzmann y h la de Planck. Hay una relación inversa entre
la constante de velocidad y la energía de activación.
Además de la especificidad y la alta eficiencia, otras dos características que
diferencian a las enzimas de los catalizadores químicos, son que las enzimas
pueden saturarse por sustrato y tienen capacidad para regular su actividad.
3. Nomenclatura y clasificación de las enzimas
Muchas enzimas han sido designadas añadiendo el sufijo -asa al nombre del
sustrato, es decir, la molécula sobre la cuál ejerce su actividad catalítica. Por
ejemplo la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea, y la arginasa cataliza la hidrólisis
de la arginina (a urea y ornitina). Otras enzimas han recibido su nombre en función
del tipo de reacción que catalizan; así la Gliceraldehído-3P-deshidrogenasa cataliza
la oxidación del la Gliceraldehído-3P. Incluso algunas se conocen de hace mucho
tiempo y mantienen su nombre, sin dar información alguna del sustrato o la reacción
que catalizan (tripsina).
No obstante existe una clasificación sistemática de las enzimas que las divide en
6 grandes grupos, cada uno de los cuales se divide a su vez en subclases:
1: Oxido-reductasas (reacciones de oxido-reducción)
2: Transferasas (transfieren grupos funcionales)
3: Hidrolasas (reacciones de hidrólisis),
4: Liasas (reacciones de adición a los dobles enlaces)
5: Isomerasas (reacciones de isomerización)
6: Ligasas (formación de enlaces con consumo de ATP).
A cada enzima se le asigna un número con cuatro componentes. Los tres primeros
indican la clase, subclase y sub-subclase, respectivamente, y el último es un número
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de orden. Así, por ejemplo, la enzima alcohol deshidrogenasa, que cataliza la
oxidación de etanol a acetaldehído, y por lo tanto pertenece al grupo 1, se designa
como EC 1.1.1.1. La Tabla 2 muestra la clasificación internacional de las enzimas en
los seis grupos antes citados.
Tabla 2
Clasificación internacional de enzimas.
4. Cofactores enzimáticos
La actividad de algunas enzimas depende solamente de su estructura como
proteína, mientras que otras necesitan, además, uno o más componentes no
proteicos, llamados cofactores. El cofactor puede ser un ion metálico o bien una
molécula orgánica, llamada coenzima, aunque algunos enzimas necesitan de
ambos. El cofactor puede estar fuertemente unido a la proteína (suele ser el ión
metálico, aunque puede igualmente ser un coenzima) y recibe entonces el nombre
de grupo prostético, o débilmente unido, por lo que en realidad actúa como un
sustrato específico de la enzima (co-sustrato; suele ser una molécula orgánica,
coenzima). La Tabla 3 muestra una relación de iones metálicos que actúan como
cofactores de enzimas.
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Tabla 3
Iones metálicos como cofactores.
La Tabla 4 muestra algunos de los coenzimas más habituales en la catálisis
enzimática.
Tabla 4
Algunos coenzimas mayoritarios en catálisis enzimática.
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El complejo enzima-cofactor catalíticamente activo recibe el nombre de holoenzima.
Cuando se separa el cofactor, la proteína restante, que por sí misma es inactiva
catalíticamente, se designa con el nombre de apoenzima.
HOLOENZIMA = APOENZIMA + COFACTOR
Centro activo
Apoenzima
Holoenzima
Cofactor
En las enzimas el cofactor puede actuar como centro catalítico primario, grupo
puente para reunir el sustrato y la enzima ó agente estabilizante de la actividad
enzimática (conformación).
Por su parte cada uno de los coenzimas catalogados suele contener en su
estructura, alguna vitamina (sustancias orgánicas que, en cantidades mínimas, son
vitales para el funcionamiento de todas las células, y deben figurar en la dieta de
algunas especies) o molécula derivada de ella. Los coenzimas actúan por lo general
como transportadores intermedios de átomos específicos o de electrones.
5. Modelos de actuación de las enzimas
Las enzimas son catalizadores extraordinarios, consiguen enormes aumentos de la
velocidad de la reacción y son altamente selectivos. Como consiguen un descenso
tan espectacular de las energías de activación?. Para explicar la actividad catalítica
de las enzimas, se ha propuesto un mecanismo general, en dos etapas:
S + E
ES
P + E
En la primera etapa, la enzima (E) se une a la molécula de sustrato (S), para formar
el complejo enzima-sustrato (ES). En una segunda etapa, el complejo se fragmenta
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dando lugar al producto (P) y a la enzima (E), que vuelve a estar disponible para
reaccionar con otra molécula de sustrato. Por lo general, la molécula de enzima es
mucho mayor que la del sustrato por lo que sólo una pequeña parte de la enzima
está implicada en la formación del complejo; esta región que interacciona con el
sustrato y en la que tiene lugar la reacción, se denomina sitio activo de la enzima.
El sitio activo es una región tridimensional de la enzima con una distribución de los
grupos única para posibilitar la unión a su sustrato específico. Dichos grupos del
enzima no tienen por qué ser necesariamente consecutivos en la secuencia de la
proteína y reciben el nombre de centros catalíticos. En la figura podemos ver los
centros catalíticos (Arg-145, Glu-270, tyr-248) y el cofactor (Zn) que conforman el
sitio activo de la enzima carboxipeptidasa, implicada en la hidrólisis del extremo C
terminal de las proteínas.
Figura 2.
Sitio activo de la carboxipeptidasa
El modelo más conocido sobre el mecanismo de reacción de las enzimas es el de
Fischer, quien propuso que la molécula de sustrato se adapta al centro activo de la
enzima del mismo modo que lo haría una llave al encajar en una cerradura, es decir,
que tienen una relación estructural complementaria (Figura 3). No obstante, esta
hipótesis tiene ciertas limitaciones: si el centro activo posee una estructura
prediseñada para el sustrato, en caso de que sea reversible el proceso dicho debería
estar perfectamente diseñado para que también encaje el producto de la reacción.
De la misma forma, la teoría de la llave-cerradura tampoco explica bien el fenómeno
de la inhibición enzimática.
Figura 3.
Modelos de acción enzimática. Modelo llave-cerradura de Fischer.
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Otra hipótesis más aceptada actualmente es la del enzima flexible o de ajuste
inducido (modelo de Koshland), que sugiere que el sitio activo no necesita ser una
cavidad geométricamente rígida y preexistente, sino que dicho sitio activo debe tener
una disposición espacial, precisa y específica, de ciertos grupos de la enzima que en
presencia del sustrato se adaptan a su estructura cuando interaccionan con él
(Figura 4).
Figura 4.
Modelos de acción enzimática. Modelo de ajuste inducido de Koshland.
Independientemente del modelo, una vez formado el complejo enzima sustrato,
mediante un mecanismo de distorsión, se activan los enlaces que hay que romper y
se aproximan los grupos que hay que enlazar, favoreciendo la formación del
producto resultante de la reacción catalizada y quedando la enzima libre para
comenzar de nuevo el proceso catalítico. La Figura 5 muestra el caso de una enzima
(hexoquinasa) que nos sirve para ilustrar el modelo de Koshland, en ella se puede
ver como en el sitio activo posee una conformación inicial que se modifica al
interaccionar con el sustrato y formal el complejo [ES].
Figura 5.
Modelo de ajuste inducido de Koshland. Hexokinasa.
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6. Enzimas no proteícas: ribozimas y deoxiribozimas
Hasta hace poco se suponía que todas las reacciones de catálisis bioquímica se
llevaba a cabo por proteínas, pero en 1983 Altman y sus colaboradores descubrieron
que la parte proteíca de la ribonucleasa P por si sola no era activa, mientras que el
supuesto cofactor de ARN de esta enzima si podía por si solo catalizar la reacción.
El complejo ARN-proteíco ribonucleasa P fragmenta los precursores de los ARNt
para producir ARNt funcionales. Se comprobó que la parte ribonucleica del complejo
(en presencia de Magnesio) no solo era capaz de fragmentar la molécula, sino que
además obedecía a la cinética de Michaelis-Menten.
Después de estos primeros ejemplos se han descrito un gran numero de ARN con
propiedades catalíticas, como la actividad peptidil transferasa que cataliza la
formación del enlace peptídico durante la síntesis de péptidos en los ribosomas
parece que recae en la parte no proteíca de la subunidad 50S.
Esto aunque en principio pareció sorprendene no lo es tanto. El hecho de que el
ARN posea capacidad de autorreplicación y catálisis confirma el papel primordial de
estas moléculas en la evolución. La vida podría haberse basado en el ARN antes de
la aparición de las proteínas y el ADN.
Muy recientemente (1994). Se ha descrito una desoxirribozoma. Una molécula de
ADN monocatenario con Histidina como cofactor, capaz de hidrolizar el ADN.
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