Download CAPITULO 6

CAPÍTULO 6
LAS ENZIMAS
6.1 INTRODUCCIÓN
Dentro de las proteínas que han alcanzado un mayor desarrollo y especialización en
cuanto a su función se encuentran las enzimas. Las enzimas son biomoléculas
proteicas altamente especializadas como catalizadores con lo cual participan de
manera destacada en todos los procesos metabólicos que tienen lugar en los
organismo vivos, son, por tanto, biocatalizadores. El término enzima viene de "En zima" es decir, en la levadura, pues fue primeramente en las levaduras que
fermentaban los azúcares para producir el alcohol donde se estudiaron estas
sustancias. Producto de ello se conocían antiguamente como fermentos.
La mayor parte de las sustancias orgánicas existentes en los animales y vegetales son
estables a temperaturas ordinarias y si se alteran algo, lo hacen lentamente; pero esas
mismas sustancias se transforman rápidamente al ponerse en contacto con las
enzimas, descomponiéndose gradualmente en otras más sencillas y, por último, en
anhídrido carbónico y agua por oxidación, o sirven, por el contrario como sillares
constitutivos por la integración de moléculas de mayor peso y complejidad.
La catálisis es la aceleración de un proceso químico que transcurre lentamente en las
condiciones normales. Quiere esto decir que las enzimas; como catalizadores que son,
catalizan reacciones posibles, las cuales transcurren aun en ausencia de ellas, pero
muy lentamente. Esto es muy importante y no debe perderse de vista, pues nos explica
que las reacciones que ocurren en el organismo viviente son reacciones lógicas que
siguen y cumplen todas las leyes químicas.
La actividad catalítica en la enzima recae en la parte proteica. En su constitución
química algunas enzimas requieren de metales (zinc, cobre, molibdeno, magnesio, etc.)
para realizar su acción. A veces algunas enzimas presentan grupos prostéticos (no
proteico) tales como hemoporfirinas u otros compuestos y muy frecuentemente
requieren de coenzimas como elementos funcionales encargados de actuar como
donadores o aceptadores de átomos o grupos de átomos. Las coenzimas son
compuestos formados en el metabolismo principalmente a partir de vitaminas. La
separación entre vitamina y coenzima a veces es muy difícil de determinar. La vitamina
es un factor nutricional, mientras que la coenzima es un factor metabólico formado a
partir, generalmente, de una vitamina.
La unión entre la apoenzima y la coenzima puede ser muy variada, desde una unión
muy estrecha, hasta una separación total. La parte proteica es la responsable de la
actividad enzimatica que se pierde al ser destruida ya sea por calentamiento o por
desnaturalización. La coenzima muchas veces constituye la parte funcional. También
existen enzimas que no poseen coenzimas.
La constitución química de la apoenzima es similar a la ya señalada para las proteínas
poseyendo todas las propiedades inherentes a las mismas, también con su estructura
primaria, secundaria y terciaria.
La sustancia que se transforma se llama de manera general sustrato de la
correspondiente enzima. En la molécula del sustrato se presentan modificaciones en
las afinidades entre determinados átomos, de tal modo que puede tener lugar una
reacción química.
Según la actividad catalítica de la enzima que entra en combinación con el sustrato
puede originarse reacciones muy distintas con un mismo sustrato. Un ejemplo de esto
último es el siguiente; si un alfa aminoácido reacciona con el alfa aminoácido oxidasa,
se origina el correspondiente alfa cetoácido, por el contrario, si reacciona con una
descarboxilasa, entonces se separa el grupo carboxílico originándose una amina con
un átomo de carbono menos.
En los últimos años se ha logrado la obtención al estado puro de diversas enzimas. Un
primer ejemplo de una enzima pura cristalizada fue la ureasa, luego siguió la obtención
de diversas enzimas digestivas y, finalmente, toda una serie de enzimas que participan
en procesos oxidativos o en distintas reacciones. Todas estas sustancias revelaban en
su análisis químico que se trataban de proteínas.
La parte proteica de la enzima recibe el nombre de apoenzima y el grupo prostético
coenzima, formando el conjunto a la coenzima propiamente dicha, también llamada
holoenzima.
En las proteínas de carácter enzimatico se presenta siempre en su estructura terciaria
determinadas zonas o regiones encargadas de "reconocer" y unirse con el sustrato,
que recibe el nombre de centro activo. El centro activo se caracteriza por poseer en su
conformación tridimensional determinados radicales que se complementan con el
sustrato. Además del carácter hidrofóbico o no de determinada zona es determinante
en su unión con el sustrato. En la figura 6.1 se representa esquemáticamente la unión
de la lisina de un resto polipeptídico con la tripsina; enzima de carácter proteolítico
capaz de hidrolizar el enlace peptídico.
FIGURA 6.1. Centro activo de la tripsina para la lisina
La acción de las enzimas puede ser estrictamente específica para un sustrato de
constitución establecida. Ejemplo de una enzima con especificidad absoluta la tenemos
en la arginasa, que solo ataca a la arginina; la ureasa solo reacciona con la urea; sus
efectos son nulos con los derivados de ésta. Se da el caso de enzimas que se
muestran activas con algunos esteroisómeros, pero no ante otros.
Numerosas enzimas están capacitadas para actuar sobre sustratos de análoga
constitución, por ello se les atribuye especificidad de grupo.
La especificidad de las acciones enzimáticas está condicionada fundamentalmente por
la estructura.
Generalmente también las enzimas presentan especificidad óptica, por lo cual sólo
actúan frente a un isómero óptico, así, la maltasa cataliza la hidrólisis de las uniones
alfa, pero no la beta; igualmente, la mayoría actúa sobre los aminoácidos de la serie L.
Recientemente se ha comprobado la existencia de enzimas, sobretodo en sistemas
multienzimáticos, que además de poseer el centro activo que fija el sustrato, poseen
otro sitio, llamado sitio alostérico. A estas enzimas se les llama enzimas alostéricas. El
término alostérico significa "otro espacio". Estas enzimas son capaces de fijar
determinados productos, llamados " modulador alostérico", por el sitio alostérico lo que
a su vez modificaría la estructura del centro activo haciéndolo más adecuado, o, en otro
caso, inadecuado para su unión con el sustrato normal. El sitio alostérico es, en
general, tan específico para la unión con el modulador como el centro activo para el
sustrato. El carácter estimulador o por el contrario inhibidor del modulador actuaría en
gran medida en la regulación de la actividad de la enzima.
La unión de la enzima (E) con el sustrato (S) para formar el complejo enzima - sustrato
se verifica por un mecanismo de "encaje inducido" dado por la complementación
existente entre el centro activo y el sustrato. En esto intervienen radicales de los
aminoácidos, a veces muy distantes en su estructura primaria, pero cercanos a la
estructura terciaria de la enzima. Los radicales de la histidina, el ácido glutámico, la
cisteina, la serina y otros más son muy importantes en esta acción. Entre estos
radicales y el sustrato se presentan interacciones físico -químicas que determinan la
formación del complejo enzima - sustrato y que posibilitan la reacción enzimática. La
estructura del centro activo no es rígida, sino que puede sufrir determinados
desplazamientos que permiten la unión más estrecha entre el sustrato y la enzima.
6.2
MECANISMO DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA
El carácter excepcional de las enzimas como catalizador está dado principalmente por
la especificidad de unión al sustrato, combinado con la disposición óptima de los
grupos catalíticos. Es decir el centro activo posee grupos catalíticos y grupos fijadores
del sustrato que permiten que la reacción se incremente considerablemente. Un
catalizador actúa disminuyendo la energía libre de activación mediante una vía que
estabiliza el estado de transición.
Una reacción catalizada por un catalizador no enzimatico es una reacción
intermolecular, mientras la reacción enzimática es intramolecular.
Esto se debe a que entre enzima (E) y sustrato (S) se establece una relación muy
estrecha formando un complejo llamado Enzima-Sustrato (E - S) posibilitando la
formación de un compuesto de transición (CT) activado que permite la reacción y la
transformación del sustrato en producto (P). Los estados de este proceso serían:
Trataremos a continuación de explicar como las enzimas son capaces de actuar sobre
un sustrato produciendo determinada reacción, tan eficazmente, que superan en
mucho al mejor catalizador producido por el hombre. Además, todo esto lo hacen en
soluciones diluidas, a pH biológicos y a temperatura moderada que son las condiciones
prevalecientes a nivel celular.
El primer aspecto a considerar es que las enzimas, al igual que todos los catalizadores,
catalizan reacciones posibles desde el punto de vista energético. Quiere esto decir que
las enzimas catalizan reacciones que pueden ocurrir en ausencia de ellas.
Una reacción química, donde el sustrato (S) se transforma en un producto (P) tiene
lugar porque cierta cantidad de moléculas del sustrato poseen la suficiente energía
como para pasar a un estado de transición donde es muy probable que se produzca
una reacción, con modificaciones en determinados enlaces, que conduzcan a la
formación de otro compuesto, en este caso llamado producto (P).
La energía necesaria para que un sustrato alcance su estado de transición y que le
permita reaccionar posteriormente es llamada energía de activación (Ea)
En condiciones no enzimáticas, para que se produzca la reacción debe suministrarse
esta energía por factores presentes en el medio, bien por colisiones en otras moléculas
o por medio de la energía calórica o cinética de otros productos; la energía de
activación debe ser, en estos casos, la suficiente para producir el cambio que permita
la reacción. En condiciones enzimáticas, debido a la afinidad estructural entre sustrato
y enzima se produce la unión entre ellos, de manera que disminuye considerablemente
la cantidad de energía de activación necesaria para ello; en esto consiste el mecanismo
de acción de las enzimas.
En el siguiente esquema (figura 6.2) se presenta, en condiciones no enzimáticas, un
sustrato que posee cierta energía (a), el cual libera su energía y pasa a un estado
inferior (b). A su vez, se presenta, en condiciones enzimáticas, un sustrato con cierta
cantidad de energía (A), que también libera su energía pasando a un estado inferior
(B).
En condiciones enzimáticas la cantidad de energía de activación es menor que en
condiciones no enzimáticas.
El por qué se produce la disminución de la energía de activación en condiciones
enzimáticas, se explica por la unión estrecha que existe entre enzima y sustrato, lo que
permite modificar determinados enlaces con el mínimo de energía.
En ausencia de las enzimas, muchas reacciones químicas son extremadamente lentas,
lo que no sería perceptible.
FIGURA 6.2. Energía de activación en condiciones enzimáticas y no
enzimáticas.
Ea
Ea
Nótese que la energía gastada para subir, es liberada en su caída; esto ilustra el
concepto de que los cambios químicos globales en una reacción son independientes
del camino de la reacción.
Varios son los factores que parecen contribuir al incremento de la velocidad de las
reacciones catalizadas por enzimas. En primer lugar la enzima puede fijar el sustrato
de forma que el enlace susceptible de modificaciones se halle muy cerca del grupo
catalítico del centro activo de tal manera que el estado de transición sea más factible.
En segundo lugar algunas enzimas se pueden combinar con el sustrato formando un
intermediario covalente inestable. Otras enzimas pueden proporcionar grupos
funcionales aceptadores o donadores de protones efectuando una catálisis ácido básica y otros, por último, pueden producir una modificación en determinados enlaces
del sustrato que permitan una reacción más fácil.
6.3
FACTORES QUE ACTUAN SOBRE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA.
Tres son los factores principales que pueden actuar sobre la actividad enzimática de
modo sustancial; la concentración de los elementos reaccionantes, el pH y la
temperatura.
6.3.1. Concentración
Al explicar el mecanismo de la acción enzimática quedó establecido que la enzima se
une al sustrato como paso imprescindible para que ocurra la reacción.
En toda reacción enzimática debemos suponer la presencia de los siguientes estados:
enzima, sustrato, complejo enzima - sustrato; complejo enzima - compuesto de
transición, (E - CT) complejo enzima - producto y finalmente la enzima más el producto.
Como es lógico, en esta ecuación los efectos de la concentración de los distintos
miembros afectan la velocidad de la misma. Experimentalmente se ha podido
demostrar que lo que determina la velocidad de la reacción es la disociación del
complejo E - S en enzima y producto. También se deduce que si partimos de una
cantidad constante de enzimas y vamos aumentando la concentración del sustrato, la
enzima irá formando el complejo E - S hasta su saturación y la velocidad de la reacción
irá también aumentado, hasta el momento que se hace máxima.
La velocidad de reacción se mide por la presencia de los productos. Partiendo de una
concentración de sustrato conocida y aumentando progresivamente su concentración,
la velocidad de la reacción se mostrará de la siguiente manera:
Primero se incrementará rápidamente, después algo más lento hasta alcanzar la
velocidad máxima y finalmente, si continuamos aumentando la concentración, la
velocidad de la reacción no se modifica.
Estos efectos han sido explicados por Michaelis y Menten al señalar la función del
complejo E - S dentro de la reacción y su dependencia del grado de afinidad enzima sustrato pues hay enzimas de gran afinidad por su sustrato y otras de poca.
El grado de afinidad por supuesto, condicionará la existencia del complejo E - S y la
velocidad de la reacción.
Sobre la base de estos criterios, Michaelis estableció una constante, conocida como
constante de Michaelis (Km) que es igual a la concentración del sustrato con la cual
alcanza la velocidad semimáxima de la reacción. Sus dimensiones son en mol/I.
Una Km alta quiere decir que la enzima no tiene una alta afinidad por el sustrato,
mientras que una Km baja, significa gran afinidad entre enzima y sustrato. En la figura
6.3 se relacionan estos conceptos.
Lógicamente, en todos estos casos la concentración de la enzima permanece
constante, pues de variar ésta, también se modifica la velocidad de la reacción.
Al respecto hay que señalar que las enzimas realizan su acción a concentraciones
extremadamente pequeñas, así, por ejemplo, una molécula de catalasa puede
descomponer aproximadamente 100 mil moléculas de H2O2 por segundo. Se
comprende también que el incremento de la concentración de la enzima aumenta la
velocidad de la reacción hasta lograr un máximo.
Por último, queremos señalar que al aumentar la concentración de los productos de la
reacción, disminuye la velocidad de dicha reacción.
Esto es muy importante, pues como todas las reacciones enzimáticas están en cadena
generalmente, donde el producto de una reacción es el sustrato del siguiente, la
concentración de los diferentes productos actúa regulando el proceso en su conjunto.
FIGURA 6,3. Relación de la velocidad de la reacción con la concentración del
sustrato
Concentración
de sustrato
6.3.2. pH
La reacción del medio es de gran importancia en toda enzima. La enzima sólo es activa
en una zona determinada del pH, que varía desde 1.5 para la pepsina hasta 8.5 - 10
para la tripsina y la fosfatasa alcalina de los mamíferos.
Con esta y algunas otras excepciones, el pH óptimo de la mayoría está comprendido
entre 5 y 7. La dependencia entre la eficacia enzimática y el pH tiene su explicación en
su naturaleza proteica.
Cuando la enzima se va alejando de su pH óptimo ya sea hacia la zona ácida o básica,
comienza a disminuir su actividad hasta que finalmente se inactiva. Esto se explica por
el hecho de su carácter proteico y la influencia del pH sobre la estructura del centro
activo de la enzima. Igualmente el pH puede influir sobre la estructura iónica del
sustrato.
6.3.3. Temperatura
La velocidad de casi todas las reacciones químicas, catalíticas o no, aumenta con la
temperatura. Las reacciones catalizadas por enzimas obedecen también a esta ley
cinética general, pero con alguna salvedad. La elevación de la temperatura estimula la
acción enzimática hasta cierto grado (temperatura óptima), cercana al de los animales
de sangre caliente, pasado el cual se debilita y hasta es destruida, dado el carácter
termolábil de la enzima.
Esta inactivación de la enzima está ligada a su naturaleza proteica y a su estado
coloidal (desnaturalización y en cierto caso coagulación). En la figura 6,4 se puede
observar esta dependencia.
FIGURA 6.4. Relación de la actividad enzimatica con la temperatura.
Como se señala en la curva, para los animales homeotérmicos, la temperatura óptima
es de 37 a 40 °C. Cuando sigue incrementándose la temperatura, comienza el proceso
de desnaturalización, con perdida de las estructuras secundaria y terciaria y,
paralelamente, la pérdida de la actividad.
6.4. MODIFICACIONES DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA
Además de los factores principales antes señalados hay un gran número de elementos
que pueden afectar la actividad enzimática; así, la actividad catalítica puede ser
modificada por pequeñas moléculas, que pueden actuar negativa o positivamente en la
actividad enzimatica; entre los principales tenemos los siguientes:
6.4.1 Activadores metálicos
La mayoría de los iones metálicos actúan como activadores de la actividad enzimática;
estos incluyen los micro elementos y algunos macro elementos. Así, el Cu, Fe, Mg, Ca,
Zn, Mo, K, Na y otros, realizan esta función. En la actividad enzimática, la función de
los minerales se explica por varios mecanismos: unos participan directamente en la
catálisis experimentando un cambio de valencia en el proceso de oxidación reducción;
otros se combinan con el sustrato, con lo cual forman un complejo metal - sustrato que
es el verdadero sustrato para la enzima; por ejemplo, el Mg y el ATP, donde Mg - ATP
es en verdad el sustrato para la transfosforilasa. También puede unirse a la enzima,
formando un complejo metal - enzima que puede ser de la forma activa o a la inversa.
Así mismo, los metales pueden variar las constantes de equilibrio de las reacciones
enzimáticas, desplazándolas hacia un lado o hacia el otro, o cambiar la forma de la
parte proteica de la enzima al unirse con un punto alejado de los centros activos, pero
que al modificar la estructura terciaria, cambiaría la acción de la misma.
6.4.2 Inhibidores competitivos
La inhibición competitiva clásica se produce por analogía del sustrato normal de la
enzima, por lo que sucede la unión del inhibidor con la enzima, formando un complejo
inhibidor - enzima; esta reacción es irreversible y el factor concentración es muy
importante para producir la inhibición total o no de la reacción. Uno de los casos más
conocidos es la inhibición de la deshidrogenación del ácido succínico por la succínico deshidrogenasa, por medio del ácido malónico:
H2
Ácido
Ácido
Los inhibidores competitivos presentan un gran uso en la práctica médica, por cuanto
bloquean la acción enzimática en microorganismos, ya sean bacterias o parásitos,
provocan el no desarrollo y reproducción de los mismos. En la práctica, son potentes
quimioterápicos.
La inhibición del ácido (P) aminobenzoico (PABA) por las sulfonamidas, es
ampliamente conocido. Las bacterias requieren PABA para formar ácido fólico, vitamina
del complejo B; la sustitución por las sulfamidas es fatal para ellas (ver figura 6.5).
FIGURA 6.5. Relación de las Sulfonamidas y el PABA.
Ácido
6.4.3. Inhibidores no competitivos
La inhibición no competitiva se produce por productos que no presentan analogía
estructural con el sustrato normal de la enzima. La inhibición no competitiva puede ser
reversible e irreversible.
La inhibición no competitiva reversible se presenta cuando un producto inhibidor se une
con la enzima libre o con el complejo enzima-sustrato interfiriendo la acción de ambos.
El tipo más común es de los agentes que puede combinarse reversiblemente con algún
grupo funcional de la enzima, que aunque no está en el centro activo es fundamental
para mantener la estructura terciaria de la enzima.
Se destaca dentro de esto la inhibición de los grupos -SH de algunas enzimas por
metales pesados como el Hg y el Ag. A veces, como es el caso del EDTA (tetraacetato de etilendiamina), el agente se une a iones metálicos como el Hg, Ag y el Mg y
Ca que son imprescindibles para la actividad de la enzima.
La inhibición no competitiva irreversible se produce cuando los agentes inhibidores
modifican covalentemente los grupos activos de la enzima. Entre los fundamentales se
destaca el iodoacetato que es capaz de modificar los restos de histidina en la molécula
de la enzima.
Un agente de esta tipo muy importante es el caso de los órgano fosforados tales como
el fluorofosfato de diisopropilo que fosforilan los restos de serina de la molécula de la
enzima inhibiendo su actividad. Estos productos son llamados venenos nerviosos y su
acción se realiza sobre la acetil colinesterasa que actúa desdoblando la acetíl colina.
Muchos de estos productos se emplean como insecticidas.
6.4.4. Modificadores Alostéricos
Los modificadores alostéricos son compuestos generalmente producidos por las
mismas células dentro de su metabolismo normal, que son capaces de unirse por el
sitio alostérico de las enzimas que poseen dichos sitios, lo cual conlleva la modificación
consecuente del centro activo. Esta modificación puede tener dos consecuencias:
puede hacerlo más favorable en su unión con el sustrato normal de la enzima o, por el
contrario, la modificación puede producir la imposibilidad de la unión del sustrato con la
enzima.
En el primer caso estamos en presencia de un activador alostérico y en el segundo
caso de un inhibidor alostérico, los modificadores alostéricos presentan una
importancia de primer orden por cuanto pueden actuar como reguladores normales del
flujo de metabolitos en las reacciones en cadenas o en los ciclos metabólicos. En la
figura 6.6 se muestra un esquema sobre una sección de una enzima donde puede
verse el efecto de un inhibidor alostérico. Se observa el centro activo de la enzima en
este caso modificado de manera negativa.
La introducción del modificador alostérico puede modificar el centro activo de manera
que sea más favorable para la unión de este con un sustrato normal, de forma que en
este caso se favorecería la unión enzima-sustrato, realizando la función de activador
alostérico.
Existen, en el metabolismo, compuestos que pueden actuar sobre una enzima como
activador alostérico y sobre otra como inhibidor alostérico.
En la parte correspondiente al papel de las enzimas como reguladores del metabolismo
volveremos a tratar este aspecto.
FIGURA 6.6. Inhibición Alostérica
6.4.5. Enzimas activadoras e inactivadoras.
Además de los aspectos señalados existen algunas enzimas que presentan formas
activas e inactivas las que pueden ínter convertirse unas en otras. Lo curioso del caso
es que esta ínter conversión la realiza a su vez otra enzima. Generalmente el
mecanismo es por incorporación o eliminación del ácido fosfórico a restos de serina de
la molécula de la enzima. En el metabolismo del glucógeno tendremos oportunidad de
profundizar más en este proceso.
6.5. PAPEL DE LAS ENZIMAS EN LA REGULACIÓN DEL METABOLISMO
Para que la vida pueda seguir de una forma ordenada, el flujo de metabolitos por las
rutas de síntesis o de degradación debe ser regulado dentro de las células y
perfectamente coordinados a corto y largo plazos. La regulación se obtiene, finalmente,
después de pasar por la regulación genética, por síntesis o no de las proteínas
enzimáticas y por el control de la velocidad de las reacciones. Ya vimos que la
velocidad de reacción está relacionada con varios factores (concentraciones, pH,
temperatura, inhibidores, activadores etc.) y por la velocidad de síntesis de las
enzimas, que depende de los mecanismos de represión o de inducción.
Dentro de todo esto, la regulación alostérica presenta gran significación; así, la vía
metabólica de una sustancia A puede pasar sucesivamente por B, C, D, E, catalizada
por varias enzimas, y el producto final F puede actuar inhibiendo alostéricamente la
enzima que actúa en el cambio de A en B, por lo que se regula todo el proceso.
Estos mecanismos pueden estar sumamente ramificados y relacionados entre sí con
varías vías metabólicas estableciéndose un complejo mecanismo de regulación.
A manera de ejemplo, y como caso hipotético, mostramos en la figura 6.7 como F
puede a que vez activar la enzima de otra cadena de reacciones, al mismo tiempo que
inhibe la reacción inicial.
FIGURA 6.7. Regulación Alostérica.
La síntesis de las enzimas ocurre por mecanismos iguales a las síntesis de proteínas.
Es dirigida por los ácidos nucleicos, por medio de un complejo mecanismo de
regulación, de forma que los cambios producidos en la estructura del gen pueden
provocar modificaciones en la estructura primaria de la enzima e inclusive su ausencia.
Como resultado, a veces surge un defecto metabólico transmisible, o "enfermedades"
moleculares que se manifiestan por la imposibilidad de metabolizar un compuesto, con
la correspondiente acumulación o eliminación del agente normal. En el metabolismo
podemos ver algunos de estos "errores" metabólicos.
6.6. CLASIFICACIÓN
Atendiendo al modo de acción, las enzimas se clasifican en seis grandes grupos, cada
uno con varios subgrupos y además cada enzima es identificada por un código de
cuatro dígitos. La clasificación de las enzimas es la siguiente:
1.- Oxidorreductasas
1.1 Actúan sobre grupos alcohol
1.2 Actúan sobre grupos aldehidos o cetónicos
1.3 Actúan sobre cadenas saturadas
1.4 Actúan sobre grupos aminos
1.5 Actúan sobre grupos iminos
1.6 Actúan sobre el NADH2 o el NADPH2 (reducidos)
1.7 Actúan sobre otros compuestos nitrogenados.
2.- Transferasas
2.1 Transfieren grupos de 1 carbón (transmetilasa y otras)
2.2 Transcetolasas y Transaldolasas
2.3 Transacetilasas
2.4 Transglucosidasas
2.5 Aciltransferasa
2.6 Aminotransferasas y otros grupos aminos
2.7 Fosfotransferasas
2.8 Sulfotransferasas.
3. Hidrolasas
3.1 Estearasas
3.2 Carbohidrasas
3.3 Hidrolizan grupos éter
3.4 Peptidasas
3.5 Desaminasas
3. 6 Actúan sobre enlaces anhidro-ácido
4.- Liasas
4.1Carbono-carbonoliasas
4.2 Carbono-oxígeno liasas
4.3 Carbono-nitrógeno liasas
4.4 Carbono-sulfuro liasas.
5. Isomerasas
5.1 Racemasas y epimerasas
5.2 Cis-trans isomerasas
5.3 Intramolecular oxidoreductasas
5. 4 Intramolecular transferasas
6. Ligasas o sintetasas
6. 1 Forman enlaces carbono-oxígeno (C-O)
6.2 Forman enlaces carbono-sulfuro (C-S)
6.3 Forman enlaces carbono-nitrógeno (C-N)
6.4 Forman enlaces carbono- carbono (C-C).
Estudiaremos las más importantes de cada grupo, al mismo tiempo que daremos su
clasificación particular para que sirvan de guía para el estudio posterior de ellas dentro
del metabolismo.
6.6.1 Oxidorreductasas
Este grupo de enzimas, vitales para el funcionamiento celular, constituye uno de los
más interesantes, a la vez complejo, del metabolismo
La energía que requieren los organismos superiores para el mantenimiento de sus
funciones vitales es obtenida de la oxidación de los productos alimenticios. El resultado
químico global de estos procesos de oxidación es un continuo consumo de oxígeno y la
producción de anhídrido carbónico y agua. Este importante trabajo es realizado por una
serie de enzimas, conocidas como Oxidorreductasas, redoxasas o enzimas redox, o
sea, enzimas que catalizan reacciones de oxidación-reducción.
Recordemos que con el nombre general de oxidación se indican determinadas
reacciones que transcurren con pérdida de electrones. La pérdida de electrones puede
suceder también por eliminación de hidrógenos siendo por tanto, la deshidrogenación
sinónimo de oxidación. La oxidación puede ocurrir también por incorporación de
oxígeno. Los procesos inversos, o sea, pérdida de oxígeno y ganancia de electrones o
hidrógeno reciben el nombre de reducción. Siempre que una sustancia se reduce otra
se oxida. La sustancia que se oxida es el agente reductor y la que se reduce el agente
oxidante.
De especial interés resulta conocer también los potenciales de oxidación reducción.
Esta medida permite establecer una escala de actividad y conocer si una sustancia
puede ser oxidada por otro o reducida.
El potencial redox se establece a partir de la energía libre liberada en la reacción. En
las reacciones de oxidación reducción el cambio de energía libre es proporcional a la
tendencia de las sustancias para donar o aceptar electrones. Así se establece una
escala a partir del potencial redox del electrodo de hidrógeno, que para un pH igual a
cero es de 0.0 V y para un pH igual a siete de 0.42 V, que es el pH medio de los
organismos superiores
Las enzimas pertenecientes al grupo de las Oxidorreductasas más importantes son.
1. Deshidrogenasas anaerobias con el NAD o NADP como coenzimas.
2. Deshidrogenasas aerobias, flavoenzimas, flavoproteinas o flavin – dependientes,
con el FMN o FAD como coenzimas.
3. Deshidrogenasas con coenzima Q
4. Ferro-sulfo enzimas.
5. Hemoenzimas. Con el grupo hemo como grupo prostético que incluyen: citocromo,
catalasas y peroxidasas
6. Metaloenzimas u oxidasas cúpricas.
Pasemos a continuación a estudiar este grupo de enzimas.
1. Deshidrogenasas anaerobias Enzimas que actúan con el NAD o el NADP como
coenzimas.
Con el nombre de Deshidrogenasas anaerobias se designa un grupo de enzimas de
oxidación reducción que catalizan la eliminación de átomos de hidrógeno de los
sustratos produciendo oxidación por deshidrogenación. Los hidrógenos son recibidos
por las coenzimas que actúan como aceptores de los mismos.
Las coenzimas de estas enzimas son el NAD y el NADP, también conocidas como DPN
y TPN respectivamente. Son di nucleótidos, uno de los cuales es el ácido adenílico y el
otro es nucleótido que contiene la amida del ácido nicotínico o nicotinamida como base
(vitamina del complejo B). La función de las coenzimas es fijar los electrones y los
átomos de hidrogeno cedidos por el sustrato y a su vez cederlos a otro aceptor en una
etapa posterior. En este sentido actúan como aceptadores y transportadores de
electrones, en cuya función participa el núcleo piridínico de la nicotinamida.
Estudiaremos estas coenzimas primero, con algunos ejemplos donde ellas actúan.
NAD: Su nombre es nicotín adenín dinucleótido, conocido antiguamente como DPN
(difosfato piridín nucleótido).
Esta coenzima está formada por dos nucleótidos, el ácido adenílico y el nucleótido de
la nicotinamida. Presenta una carga positiva. En la figura 6.8 aparece su estructura.
.
El NAD, o como veremos más adelante el NADP, es el elemento encargado de fijar los
dos hidrógenos procedentes del sustrato, hecho que ocurre en varias etapas según
veremos en la figura 6.9.
Mientras un átomo de hidrógeno (un electrón y un protón H) se fija a un carbono del
núcleo piridínico, el otro electrón neutraliza la carga positiva del nitrógeno y el segundo
protón queda en solución.
FIGURA 6.9. Anillo de la Nicotinamida Oxidado y Reducido.
A los efectos de hacer más factible su escritura en lo adelante el NAD oxidado se
representará como NAD, sin la carga y el reducido (NADH + H+) como NADH 2 siempre
que esto no afecte la explicación del proceso.
NADP: Su nombre es nicotín adenín dinucleótido fosfato o trifosfato piridín nucleótido.
Presenta la misma estructura que el NAD con un fósforo más. Contiene una molécula
más de ácido fosfórico que el NAD, la cual esta unida a uno de los carbonos de la
ribosa que corresponde al ácido adenílico.
En los tejidos existen enzimas que catalizan la transformación de una coenzima en
otra por eliminación o fijación del tercer ácido fosfórico. Sus propiedades son muy
similares.
Existen unas 200 enzimas que dependen del NAD y del NADP para realizar su acción.
Se conocen con el nombre de Deshidrogenasas anaerobias ya que no necesitan de la
presencia del oxígeno para realizar su trabajo.
Estas deshidrogenasas actúan sobre diferentes sustratos que poseen en su estructura
funciones alcoholes a los cuales deshidrogenan pasando estas a aldehído o cetona,
según se trate del carbono que posee el grupo alcohol. A manera de ejemplo citaremos
la láctico deshidrogenasa que produce la deshidrogenación del ácido láctico según la
ecuación:
CH3
En este tipo de reacción se produce NADH2 (reducido) el cual aporta los hidrógenos a
la cadena respiratoria, iniciándose de este modo el proceso de oxidación-reducción a
nivel celular (respiración).
Para que la acción de las Deshidrogenasas continúe, es necesario que las coenzimas
reducidas paseen nuevamente al estado oxidado.
Las coenzimas reducidas no se oxidan por el oxígeno molecular. Su oxidación se
efectúa por acción enzimática y la naturaleza de las enzimas que participan en ella,
parece ser variable. Las más conocidas son las enzimas del grupo de las ferro sulfo
enzimas que actúan oxidando las coenzimas reducidas y reduciendo el citocromo
oxidado.
En ocasión de estudiar la cadena respiratoria trataremos el tema más profundamente.
Deshidrogenasas aerobias
Deshidrogenasas que actúan con el FMN y el FAD como coenzimas. Estas enzimas
poseen siempre como un grupo prostético un nucleótido de la aloxazina o flavina
nucleótido. El nucleótido de la aloxazina y los compuestos relacionados deben
considerarse como derivados de la riboflavina o vitamina B 2. Tienen color amarillo, por
lo cual las enzimas se conocen también como enzimas amarillas.
En términos generales, las flavoproteínas son enzimas que catalizan la separación de
átomos de hidrogeno del sustrato, los que son fijados en la porción aloxazina del grupo
prostético.
A continuación describimos las coenzimas:
FMN Flavian mononucleótido: Es un mononucleótido que resulta de la unión del ácido
fosfórico con la riboflavina o vitamina B2 (Figura 6.10).
FIGURA 6.10. Estructura del FMN
FAD: Flavín adenín dinucleótido: Es un dinucleótido formado por la unión de la
aloxazina o flavína con el ácido adenílico, que es también un mononucleótido. Sus
propiedades son semejantes a las del mononucleótido, solo su color es más rojizo
(Figura 6.11).
FIGURA 6.11. Estructura del FAD
Casi todas las flavoproteínas contienen el dinucleótido como grupo prostético. El
grupo aloxazina de ambos nucleótidos actúan como aceptor de hidrógeno por sus
átomos de N no saturado, con lo cual se produce un desplazamiento en las dobles
ligaduras (Figura 6.12).
FIGURA 6.12. Estructura del FAD oxidado reducido
H
Las enzimas que contienen el FAD y al FMN como grupo prostético, estos se
mantienen firmemente unidos actuando más bien como grupo prostético que como
coenzimas
Por otra parte los hidrógenos presentes en las coenzimas reducidas (FADH2 y FMNH2)
pueden pasar en unos casos a los citocromos y en otros a la coenzima Q continuando
de esta manera el proceso oxidorreducción.
Las flavoproteínas parecen desempeñar una doble función en los procesos de
oxidación-reducción celular.
Algunas son intermediarias entre las deshidrogenasas que actúan con el NAD y el
citocromo oxidado, se denominan citocromos reductasas: otras actúan en diversos
sustratos que son productos del metabolismo, de importancia variable. Estas últimas
inician, por tanto, la oxidación de los metabolitos.
A manera de ejemplo una reacción catalizada por una deshidrogenación aerobia con el
FAD como coenzima.
Estas reacciones pueden estar sumamente relacionadas con otros compuestos como
es el caso de la coenzima Q. según veremos al estudiar la cadena respiratoria y la
fosforilación oxidativa.
3. Ferro-sulfo enzimas
Estas enzimas también llamadas proteínas ferro-sulfuradas o enzimas ferrosulfuradas
son enzimas que contienen hierro y azufre en su estructura. Fueron encontradas
primeramente en bacterias y más tarde en las mitocondrias de células animales donde
se señala su participación en el transporte electrónico. El hierro es su grupo funcional el
cual oscila de Fe+2 a Fe+3 (ferroso a férrico) y viceversa, siendo este por tanto su parte
activa.
Es de destacar el carácter no hemínico de este hierro, al contrario de los citocromos.
Por ello estas enzimas se simbolizan como FeNH (hierro no hemínico) o simplemente
como Fe-S.
Todo hace suponer que presentan una acción destacada en la oxidación del NADH2
4. Hemoenzimas
Son enzimas constituidas por una proteína unida a uno o varios grupos hemo en los
cuales el hierro puede estar bi o trivalente, o variar entre estas valencias durante la
acción enzimática. Entre ellas se encuentran los citocromos, las catalasas y las
peroxidasas.
Citocromos: Son enzimas mitocondriales que presentan constitución de cromoprótidos.
Su identificación y estudio se realizan por bandas típicas de absorción en su estado
reducido. En la cadena respiratoria, participan en el transporte de electrones desde las
flavoproteínas hasta las citocromo oxidasa.
El sistema de los citocromos de los animales superiores está formado por tres
componentes: citocromo oxidasa, citocromo B y citocromo C. Señalaremos algunas
características de ellos.
La Citocromo oxidasa es una de las enzimas más importantes en los procesos de
oxidación celular, pues es la única que cataliza la oxidación de los citocromos por el
oxígeno. Aunque existen otras posibilidades para la utilización del oxígeno por los
tejidos, el sistema que emplea la citocromo oxidasa y los citocromos es de gran
importancia. En la práctica es el responsable de la mayor parte de las oxidaciones.
La citocromo oxidasa está, junto con el oxígeno, en uno de los extremos de la cadena
de estas oxidaciones, lo cual, en razón de ser la principal de todas, le da importancia
especial.
El único sustrato que se conoce de la citocromo oxidasa es el citocromo C catalizando
su oxidación por el oxígeno molecular. Es el único mecanismo biológico conocido
capaz de oxidar al citocromo C reducido.
La citocromo oxidasa es una proteína con ferro porfirina como grupo prostético. Es
inactiva por los cianuros y el óxido de carbono. Algunos autores la consideran igual al
sistema formado por los llamados citocromo A y A3. Se encuentra presente en todas
las células animales y vegetales de organismos que necesitan oxígeno para la vida
normal.
Los citocromos, incluyendo a la citocromo oxidasa como uno de ellos, pueden existir en
dos estados de oxidación. Al estado oxidado el átomo de hierro de la porfirina es
trivalente, mientras que es estado reducido es bivalente.
El citocromo B forma parte de un complejo enzimático que determina la oxidación del
ácido succínico. Es oxidado con facilidad por el citocromo C y reducido rápidamente
por el sistema enzimático que oxida al ácido succínico.
El citocromo C es el más estudiado de todos por la estabilidad que tiene y la
concentración relativamente alta que se encuentra en los tejidos animales. Los
preparados considerados más puros contienen 0,465% de hierro. Por tratamientos con
ácidos se ha podido separar del citocromo C una porfirina que resultó igual a la
protoporfirina de la hemoglobina: por tanto, su grupo prostético es una hierro porfirina,
la cual se encuentra unida a la parte proteica por medio del aminoácido cisteína (figura
6.13).
En las oxidaciones celulares del sistema de los citocromos actúa en cadena (cadena
respiratoria). La citocromo oxidasa (citocromo A + A3) cataliza la oxidación del
citocromo C por el oxígeno del aire. A su vez, el citocromo C oxidado, oxida por una
parte al citocromo B que actúa en el sistema oxidante del ácido succínico y por otra, a
enzimas del tipo de las flavo proteínas, que actúan en las oxidaciones celulares.
Como la oxidación del citocromo C por la citocromo oxidasa es muy específica,
cualquier inhibidor de estas enzimas, como son los cianuros y el óxido de carbono
detiene la cadena de oxidación. Si se considera que las oxidaciones por medio de los
citocromos representan una alta proporción de las que ocurren en un organismo
superior, se explica la acción tóxica de esas sustancias, al impedir la oxidación de los
mismos.
Catalasas: La catalasa es una enzima que tiene por sustrato el agua oxigenada, a la
cual descompone en agua y oxígeno. Se ha obtenido cristalizada del hígado y de
eritrocitos de diversas especies. Su masa molecular es de 230.000 y contiene cuatro
grupos hematina por molécula, con el hierro al estado trivalente. Su mayor masa
molecular y el estado de valencia la diferencia de la hemoglobina. En los procesos de
descomposición del agua oxigenada actúa un solo grupo hematina que se une a
aquella.
Peroxidasas: Son enzimas que tienen como sustrato el agua oxigenada, a la cual
descomponen en agua y oxígeno. Este último, por medio de una reacción acoplada,
actúa sobre otro sustrato susceptible de oxidación. Serán estudiadas en la cadena
respiratoria y el estrés oxidativo.
5. Metaloenzimas u oxidasas cúpricas
Son enzimas formadas por proteínas y un metal, el cobre, que puede considerarse
como su grupo prostético. Por las reacciones que catalizan, pertenecen al grupo de las
oxidasas, enzimas que aceleran la oxidación del sustrato con oxígeno molecular. Se
diferencias de las peroxidasas en que no se requiere agua oxigenada para la oxidación.
Como ejemplo citaremos: Tirosinasa o Polifenol oxidasa: Oxida los monofenoles y
quinonas. También oxida el aminoácido Tirosina, con lo cual produce, finalmente, el
pigmento llamado melanina. Actúa sobre distintos sustratos.
Dioxifenilalanina oxidasa: Dopa oxidasa: Enzima presente en los menaloblastos de la
piel de los animales superiores - incluso en el hombre - que determina la oxidación por
oxígeno del aire del aminoácido L 3-4 dihidroxifenilalanina (DOPA). Mediante una serie
de reacciones este aminoácido se transforma finalmente en melanina. Algunos autores
la consideran idéntica a la tirosinasa.
Uricasa: Enzima que oxida directamente al ácido úrico. Como producto final se obtiene
la alantoína.
6. Ubiquinonas o coenzima Q
También conocida con el nombre de ubiquinona, es una coenzima trasportadora de
hidrógenos con estrecha relación estructuras con la vitamina K. Posee al anillo
quinónico y una cadena lateral isoprenoide de longitud variable. Esta cadena lateral
determina su carácter liposoluble. La coenzima Q puede existir en dos formas, una
oxidada (sin hidrógeno) y otra reducida (con hidrógeno) (Figura 6.14).
Las ubiquinonas son, sin duda, componentes normales de la cadena respiratoria de
muchos organismos vivos, entre otros de los animales superiores. Algunos la sitúan
entre las coenzimas flavínicas (FMN y FAD) y los citocromos. Recientemente se ha
señalado su posible ubicación dentro de los citocromos según veremos en el aspecto
correspondiente a la fosforilación oxidativa.
Q
O
O
OH
6.6.2. Transferasas
Las Transferasas son un grupo amplio de enzimas del metabolismo intermediario que
tienen como características catalizar reacciones de transferencia entre dos sustratos.
Pueden transferir átomos, moléculas o restos moleculares de un sustrato que actúa
como donador del grupo en cuestión a otro que actúa como aceptor. Realizan un papel
muy importante en el metabolismo y en particular en ciertas reacciones de síntesis.
Entre las principales transferasas se cuentan: transaminasas, transcetolasas,
transaldolasas, transglucosidasas y transpeptidasas.
Estudiaremos las más importantes de ellas y las demás serán analizadas en el
metabolismo.
Transaminasas
También conocidas como aminotransferasas, catalizan la reacción reversible en la que
el grupo alfa amino de un aminoácido se transfiere al grupo ceto de un cetoácido, con
lo que se forma su nuevo aminoácido, según vemos en la siguiente reacción:
Ácido
Ácido
Ácido
La reacción es francamente reversible. Las transaminasas conocidas todas presentan
el fosfato de piridoxal o vitamina B6, como coenzima.
Las transaminasas más conocidas son la alanina cetoglutárico transaminasa o
glutámico pirúvico transaminasa (GPT) y la aspartato cetoglutárico transaminasa o
glutámico oxaloacético transaminasa (GOT), ambas de gran utilidad para el
diagnóstico de lesiones del hígado, el corazón y los músculos.
Transfosforilasas
Estas enzimas desplazan restos fosfóricos entre dos moléculas. Generalmente el
fósforo es cedido por el ATP. Estos fermentos son conocidos como quinasas o
cinasas.
Un grupo especial de transfosforilasas está constituida por aquellas que desplazan
restos de fosfatos dentro de la misma molécula. Reciben el nombre de mutasas.
Ejemplo:
Transmetilasas
Son también llamadas metil transferasas y catalizan la transferencia del grupo metil.
Generalmente la transferencia se hace a partir de la metionina que posee grupos
metilicos hábiles.
Estos grupos metílicos son necesarios en las rutas biosintéticas de varias sustancias
entre otras en la fonación de creatina, colina, fosfolípidos, etc., así como para metilar
los productos de excreción.
Transacetilasas
Se conocen también como acetiltransferasas y las mismas catalizan la transferencia del
radical acetil. Su coenzima es la coenzima A.
Las transacetilasas más importantes están comprendidas dentro del complejo de la
pirúvico deshidrogenasa (pirúvico descarboxilasa) donde actúan aceptando al grupo
acetíl del ácido lipoico el cual es recibido por la coenzima A. Esta enzima recibe el
nombre de lipoato-acetil transferasa y la reacción en cuestión aparece en la figura 6.15.
La coenzima A es una estructura algo compleja que está formada por la unión del ácido
pantoténico (vitamina del complejo B), el ácido adenílico y un resto de cisteina (figura
6.16). El resto de cisteína posee un grupo de azufre (SH) que constituye la parte activa
de la coenzima,
La coenzima A es además un compuesto muy activo dentro del metabolismo pues
participa en la activación de los ácidos grasos junto y a las tiolasas dentro de la beta
oxidación de los ácidos grasos. Además, en la descarboxilación del ácido cetoglutárico
en el ciclo de Krebs actúa formando parte del succiníl CoA.
Una reacción muy importante relacionada con esta coenzima es ceder el grupo acetíl
para formar la acetilcolina, transmisor sináptico del sistema nervioso.
CoA
-OH
3
6.6.3. Hidrolasas.
Las hidrolasas son enzimas que producen la hidrólisis de los sustratos. Es decir,
rompen determinados enlaces (C-0, C-N y P-0) susceptibles de ser hidrolizadas por el
agua.
Las hidrolasas se encuentran en el tubo digestivo donde participan destacadamente en
la hidrólisis de los compuestos ingeridos, previo a la asimilación. También existen las
hidrolasas en los lisosomas, partículas subcelulares que actúan en la digestión
intracelular.
Entre las principales hidrolasas tenemos: las desaminasas que incluyen la ureasa,
arginasa, glutaminasa, asparaginasa. etc. Las protéasas que incluyen dos tipos: las
proteinasas o endopeptidasas con la pepsina, tripsina y quimotripsina y las peptidasas
o exopeptidasas que incluyen las dipeptidas, carboxipeptidas y aminopeptidasas Las
estearasas con la lipasa, colinesterasa. lecitinasa y fosfatasa. Las carbohidrasas que
incluyen las glucosidasas como las maltasas, sacarasas y lactasas y las poliasas que
son amilasas, celulasas, hialuronidasas, etc. Además, pertenecen a las hidrolasas las
nucleasas y las ATP asas.
Dentro del metabolismo tendremos la oportunidad de estudiar la mayoría de estas
enzimas.
6.6.4. Liasas:
Constituye un grupo heterogéneo de enzimas que catalizan la remoción de grupos de
sustratos por mecanismos diferentes a la hidrólisis. Generalmente actúan rompiendo el
enlace C - C o C - O. Este grupo incluye las descarboxilasas, hidratasas, fosforilasas y
aldolasas.
Las principales enzimas de este grupo serán estudiadas en el metabolismo. Veamos el
caso de las descarboxilasas como ejemplo de grupo.
Descarboxilasas
Son enzimas que catalizan la reacción de descarboxilación o remoción del grupo
carboxílico como CO2. Presentan como coenzima un derivado de la vitamina B1 o
tiamina, conocido como pirofosfato de tiamina.
La descarboxilación se puede presentar en el metabolismo de los animales superiores
en los cetoácidos y en los aminoácidos.
La descarboxilación de los aminoácidos ha sido muy estudiada en el caso de la
histidina ya que producto de la descarboxilación de la misma se produce la histamina
(figura 6.17) que tiene un marcado efecto en la vasodilatación capilar y las reacciones
alérgicas.
+ CO2
La descarboxilación de los cetoácidos presenta, a diferencia de la anterior, una fase
oxidativa que requiere de la presencia de las deshidrogenasas que trabajan con el
NAD. Esta descarboxilación requiere de la presencia del ácido lipoico y de la B1.
A manera de resumen de este proceso presentamos el siguiente esquema como
ejemplo: Figura 6.18.
FIGURA 6.18 Descaboxilación del pirúvico.
CO2
Lipoico
Ácido
Esta reacción será analizada en detalle en el capitulo correspondiente a las vitaminas,
en particular a la vitamina B1
6.6.5. Isomerasas
Estas enzimas catalizan todas las reacciones de interconversión de isómeros entre sí,
Incluyen las racemasas, epimerasas, cis-transisomerasas y las cetoaldoisomerasas.
6.6.6. Ligasas o sintetasas.
Son enzimas que catalizan la unión de dos sustratos acoplados a la ruptura de un enlace
pirofosfato del ATP o de un compuesto semejante. Este grupo incluye: aminoácido RNA
ligasa, carboxilasas (pirúvico carboxilasa), glutamina sintetasa, peptídico sintetasa, las
polimerasas, etc.
En todos los casos hay consumo de energía ya que se trata de reacciones endergónicas
que están acopladas al ATP como elemento portador de esta energía También serán
estudiados en el metabolismo. A manera de ejemplo veamos el caso de las carboxilasas,
en particular la pirúvico carboxilasa, que cataliza la carboxilación del pirúvico. Estas
enzimas requieren de la presencia de la biotina, vitamina del complejo B, como
coenzima. Figura 6. 19
FIGURA 6.19 Carboxilación del pirúvico
CO2
Ácido
Ácido