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Las encimas
( Publicado en Revista Creces, Mayo 1989 )
Verdaderas llaves maestras del metabolismo celular, constituyen los catalizadores
orgánicos más eficientes de la naturaleza.
En los organismos vivos, se producen una gran cantidad de reacciones químicas que les
permiten obtener, a partir de los nutrientes recibidos desde el exterior, la energía y las
materias primas necesarias tanto para construir y mantener sus propios componentes,
como para crecer, reproducirse y realizar una serie de otras acciones, muchas veces
específicas de cada célula. Estas reacciones deben ocurrir de una forma muy ordenada y a
una velocidad adecuada, de forma tal que el organismo pueda disponer de los compuestos
en el momento y cantidad que él los requiera.Todo esto es posible por la existencia de un
tipo especial de proteínas cuya función es catalizar de un modo específico y eficaz un
amplio espectro de reacciones químicas. A las proteínas que tienen esta actividad catalítica
se les denomina Enzimas.
Las enzimas son catalizadores excepcionales en varios aspectos. En primer lugar, son
extraordinariamente eficientes. Las reacciones enzimáticas proceden a velocidades
muchísimo mayores (10/8 - 10/ 11 veces más rápido) que las correspondientes reacciones
no catalizadas por enzimas.
Reacciones que en el laboratorio sólo ocurren en condiciones extremas de temperatura o
de concentración de ácido o álcali, en presencia de una enzima adecuada se producen con
gran rapidez, bajo condiciones de neutralidad y a temperatura ambiente.
Especificidad
Otra característica especial de estos catalizadores, es su especificidad. Las enzimas son
específicas tanto respecto a la naturaleza de las reacciones que catalizan, como en lo que
respecta a la estructura del sustrato utilizado y a los productos generados a partir de él.
A diferencia de los catalizadores químicos, las enzimas pueden ser reguladas. Así, la
velocidad de su síntesis se encuentra bajo control genético, su actividad está influida por
sus sustratos, por los productos de la reacción que ellas catalizan o por otros metabolitos.
En la mayor parte de las reacciones enzimáticas, los sustratos son de un tamaño
molecular mucho menor que la enzima. (Fig. 1). Así, sólo un pequeño número de los
aminoácidos, que forman la enzima, participan ya sea en unión del sustrato -formando el
complejo enzima-sustrato-, como en la transformación de éste en producto y su posterior
liberación (Ec. 1). Tanto los aminoácidos que a través de sus cadenas laterales están en
contacto directo con el sustrato, como aquellos que sin estarlo participan activamente en
el proceso catalítico, conforman el sitio activo de la enzima. El resto de la proteína cumple
la función de mantener la estructura tridimensional del sitio activo necesaria para la
catálisis. No se sabe si la conformación tridimensional del sitio activo, en ausencia del
sustrato, es la catalíticamente activa. Al respecto se han propuesto dos teorías: Una de
ellas explica la especificidad de las enzimas, en términos tales que el sitio activo se
dispondrá de una manera relativamente rígida donde podría fijarse el sustrato de la forma
como encaja una llave en una cerradura. De esta manera, cualquier molécula
estructuralmente diferente al sustrato, no podría unirse a dicho sitio. La segunda teoría
que explica la unión del sustrato a la enzima es la llamada de encaje inducido. Esta teoría
postula que la unión del sustrato al sitio activo de la enzima altera considerablemente la
conformación de ésta. De esta manera, los grupos que participan en la catálisis se
orientan a la posición requerida por la acción enzimática. Esta teoría se apoya en
observaciones que indican la existencia de cambios en la conformación de la enzima luego
de la unión del sustrato.
El cambio de la velocidad de una reacción enzimática respecto a la variación de la
concentración de su sustrato, queda descrita en un gran número de reacciones, por la
ecuación de Michaelis-Menten y la forma que adopta la curva de velocidad en función de la
concentración de sustrato es una hipérbola rectangular definida por dos parámetros
cinéticos: Vmax y Km. Vmax corresponde a la velocidad máxima de la reacción que se
obtiene cuando la concentración de sustrato tiende a infinito. Km por su parte, es la
constante de Michaelis, que operacionalmente se define como la concentración de sustrato
necesaria para obtener la mitad de la velocidad máxima (Fig. 2). Para poder determinar
con exactitud Vmax y Km, la representación hiperbólica no es de mucha utilidad, puesto
que requiere la determinación de una asíntota cuando la concentración de sustrato tiende
a infinito. Sin embargo existen métodos que permiten dar a la ecuación de velocidad
formas lineales y que transforman por lo tanto, la hipérbola en línea recta (Fig. 3).
Inhibidores
Una sustancia que disminuye la velocidad de una reacción enzimática es un inhibidor. La
inhibición de reacciones claves de una vía metabólica ya sea por producto de la misma vía
o por producto de alguna otra vía metabólica relacionada, constituyen mecanismos de
regulación muy sensibles y que permiten mantener relativamente constante el ambiente
celular o bien para responder a modificaciones en el ambiente extracelular. La inhibición
de reacciones específicas, por sustancias naturales o sintéticas, pueden ser de gran
utilidad para una quimioterapia efectiva.
Inhibidores estructuralmente semejantes al sustrato, son capaces de unirse al sitio activo
de la enzima, formando el complejo enzima-inhibidor, incapaz de transformarse en
producto, en lugar del complejo enzima-sustrato (Bc. 2).
Este tipo de inhibidores se denominan competitivos, ya que se produce una competencia
entre el sustrato el inhibidor por la unión al sitio activo. Cinéticamente, este tipo de
inhibición se caracteriza por que aumenta la Km y se mantiene constante Vmax..
Un inhibidor no competitivo se une a un sitio diferente al sitio activo, por lo que es posible
la formación de los complejos inhibidor-enzima e inhibidor-enzima-sustrato (Ec. 3). Al
revés de lo que ocurre en la inhibición competitiva, la presencia del inhibidor puede afectar
la afinidad del sustrato por el sitio activo de la enzima. La velocidad de formación de
producto a partir del complejo inhibidor-enzima-sustrato es menor que la velocidad en
ausencia del inhibidor. Es por esto que el análisis cinético revela que en una inhibición del
tipo no competitiva varían tanto la Vmax como la Km.
Casi todas reacciones enzimáticas son muy sensibles a variaciones de pH. Se supone que
las cadenas laterales de los aminoácidos que forman parte del sitio activo, son
catalíticamente activos cuando se encuentran en un cierto estado de protonación. El pH al
cual se obtiene dicha protonación y por lo tanto la máxima actividad, se denomina pH
óptimo. Si el pH disminuye (aumentando la protonación de los grupos de las cadenas
laterales) o aumenta (disminuyendo la protonación de los grupos) la velocidad disminuye,
puesto que, en ambos casos, disminuye la forma enzimática catalíticamente activa (Ec. 4).
La temperatura es otro factor que tiene influencia en la velocidad de una reacción
enzimática. La temperatura tiene dos efectos distintos: uno relacionado con la estabilidad
enzimática debido a la interconversión entre una forma activa de la enzima y otra
denaturada (que ha perdido su estructura tridimensional), con una actividad disminuida o
totalmente ausente: el otro, está relacionado con la actividad enzimática, es decir con el
efecto cinético de la temperatura sobre la velocidad de la reacción, que es similar al que
tiene sobre cualquier reacción química. Por esto resulta evidente que cualquier tiempo de
exposición a una temperatura determinada se manifiesta, al principio, por un aumento de
la velocidad de la reacción que pasa luego por un máximo, para declinar posteriormente.
Efectos cooperativos
Existen enzimas que presentan una conducta cinética diferente a la ya mencionada. Es así
que la representación de la velocidad de la reacción en función de la concentración de
sustrato resulta en una curva sigmoidea en lugar de una hipérbola rectangular. Este tipo
de enzimas -llamada alostéricas- se caracteriza por poseer estructura cuaternaria, es decir
estar compuesta por más de una cadena polipeptítida (subunidad), cada una de las cuales
posee un sitio activo. La unión de una molécula de sustrato al sitio activo de una de las
subunidades de la enzima provoca un cambio conformacional en las subunidades vecinas,
lo que hace que la unión de las siguientes moléculas de sustrato ocurra más fácilmente
(Fig. 4). Este fenómeno se conoce como cooperatividad en la unión de sustrato y explica la
forma sigmoidea de la curva de velocidad.
Además, del sitio activo, estas enzimas presentan otro sitio -llamado sitio regulatorio- al
que pueden unirse moléculas pequeñas que frecuentemente actúan como moduladores de
la velocidad de la reacción de modo que la unión de estos ligados al sitio regulatorio
pueden tener efectos de activación o inhibición.
Inducción enzimática
Además de la capacidad de regular la velocidad de una reacción enzimática, la célula
puede responder a variaciones del medio externo modificando la velocidad de síntesis y/o
degradación de una o varias enzimas metabólicamente relacionadas. De esta manera es
posible regular la cantidad de moléculas de enzima necesarias para hacer frente a una
nueva situación metabólica. Existen múltiples evidencias de aumento de los niveles de
enzimas por inducción de su síntesis debido a cambios de dieta, cambios hormonales, etc.
La regulación de la síntesis de enzima se ha estudiado profusamente en sistemas
bacterianos, desde donde han surgido algunos modelos que la explican.
El cromosoma bacteriano está organizado en operones, que consisten en agregados de
genes cuya expresión está regulada conjuntamente y que conducen a la síntesis de
proteínas relacionadas funcionalmente. La expresión de estos genes está controlada por
una región localizada al extremo del operón que se denomina operador. El gen regulador
por su parte -que no necesariamente tiene una ubicación contigua al operón- produce una
proteína represora que se une a una secuencia específica del operador. De esta manera,
se impide la transcripción del mensaje genético, y por lo tanto, también la síntesis de la
proteína codificada en dicho mensaje. Así, en presencia de la proteína represora el sistema
está bloqueado y el nivel de la enzima cuya síntesis queremos controlar es bajo.
La inclusión del sustrato de la enzima (inductor) en el sistema, provoca la inactivación de
la proteína represora la que -con el sustrato unido- abandona el sitio operador,
permitiendo de este modo que la RNA polimerasa, se una al sitio operador y de esta
manera inicie la transcripción del gen que codifica para la enzima inducible.
Juan Pablo Rodríguez V.
Unidad de Biología Celular
INTA. Universidad de Chile.
Artículo extraído de CRECES EDUCACIÓN - www.creces.cl