Serie Nº 6 Enzimas y Coenzimas

SERIE Nº 6. Enzimas y Coenzimas

Enzimas Las reacciones químicas que ocurren en los organismos vivos presentan casi siempre una energía de activación tan elevada, que en condiciones compatibles con la vida ocurrirían a velocidades casi nulas, con lo cual la vida (al menos en las condiciones actuales) sería prácticamente imposible. Como consecuencia, una de las principales adquisiciones evolutivas de los seres vivos fue la aparición de proteínas con actividad catalítica (enzimas), que al disminuir la energía de activación de las reacciones hacen posible no sólo que éstas se produzcan a gran velocidad, sino que se lleven a cabo en condiciones moderadas de presión, temperatura, pH, etc., compatibles con la vida. Las enzimas son, generalmente, proteínas globulares con actividad catalítica. La enorme variedad de reacciones que comprende la vida son mediadas, casi todas ellas, por estos catalizadores biológicos, que son producidos únicamente por organismos vivos. Aunque las enzimas se hallan sometidas a las mismas leyes naturales que gobiernan el comportamiento de otras sustancias, se diferencian de los catalizadores químicos ordinarios en varios aspectos importantes: • Velocidades de reacción más elevadas. • Condiciones de reacción más suaves: temperaturas por debajo de 50°C, a la presión atmosférica y a valores de pH casi neutros. • Mayor especificidad de reacción: especificidad muy grande, tanto respecto a las identidades de sus sustratos (reactantes) como de sus productos. • Capacidad para la regulación: propiedad fundamental para la relación entre la actividad enzimática y la homeostasis de los organismo vivos. Las enzimas se clasifican y designan de acuerdo con la naturaleza de las reacciones químícas que catalizan. Existen seis clases principales de reacciones que catalizan los enzimas, así como subclases y sub-subclases dentro de las clases. • Oxidorreductasas. Son aquellas enzimas que catalizan las reacciones de óxido – reducción, o sea, la transferencia de electrones o sus equivalentes entre un donante y un aceptor. • Transferasas. Catalizan la transferencia de un grupo químico entre un donante y un aceptor; se excluyen aquéllas que transfieren electrones o sus equivalentes, pues pertenecen a la clase anterior, y aquéllas en que el aceptor del grupo es el agua, pues pertenecen a la clase siguiente. • Hidrolasas. Catalizan la ruptura de enlaces químicos con la participación de las moléculas del agua. • Liasas. Catalizan reacciones en las cuales se produce la adición o sustracción de grupos químicos a dobles enlaces o para formar dobles enlaces. • Isomerasas. Este es un grupo heterogéneo de enzimas. Las isomerasas catalizan varios tipos de rearreglos intramoleculares que llevan ese nombre.

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

37

Serie Nº 6 Enzimas y Coenzimas

•

Ligasas. Catalizan la unión covalente de dos sustratos mediante la energía de hidrólisis de nucleósidos trifosfatados, generalmente el ATP.

Zimógenos o Proenzimas Son precursores inactivos de las enzimas. Un zimógeno es una molécula que necesita ser activada para convertirse en una enzima activa, por lo que es más exacto decir que los zimógenos son precursores de enzimas, que decir que son enzimas inactivas. Las enzimas digestivas, algunos factores de la coagulación y otras proteínas son sintetizadas como zimógenos. La síntesis de enzimas en forma de zimógenos es uno de los “mecanismos de seguridad” con que cuenta el organismo para su supervivencia. Por ejemplo, la síntesis de enzimas digestivas en forma inactiva es un mecanismo de seguridad para las células que sintetizan esas enzimas, ya que las enzimas proteolíticas sintetizadas como zimógenos no son activadas hasta que abandonan la célula y son secretadas al tracto gastrointestinal. Isoenzimas Las isoenzimas son enzimas que difieren en la secuencia de aminoácidos, pero que catalizan la misma reacción química. Estas enzimas suelen mostrar diferentes parámetros cinéticos, o propiedades de regulación diferentes. La existencia de las isoenzimas permite el ajuste del metabolismo para satisfacer las necesidades particulares de un determinado tejido o etapa del desarrollo. En bioquímica, las isoenzimas son isoformas (variantes estructurales estrechamente relacionadas) de las enzimas. En muchos casos, son codificadas por genes homólogos que han divergido con el tiempo. De forma estricta, las aloenzimas representan enzimas de diferentes alelos de un mismo gen y las isoenzimas representan enzimas de diferentes genes cuyos productos catalizan la misma reacción. Catálisis Enzimática Las enzimas presentan dentro de su estructura proteica dos regiones o sitios importantes para la realización de su actividad catalítica: • Sitio de unión: reconoce y liga al sustrato. • Sitio catalítico, una vez unido el sustrato, cataliza la reacción. Estas dos regiones en conjunto reciben el nombre de centro activo de la enzima. El centro activo representa una porción pequeña del volumen total de la enzima: muchos de los residuos de aminoácidos de la enzima no entran en contacto con el sustrato. Está situado superficialmente en la enzima; permite el acceso de las moléculas del sustrato con relativa facilidad. El centro activo de una enzima tiene un conjunto de grupos químicos ordenados espacialmente de forma precisa, esto hace que el sustrato quede unido al centro Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

38

Serie Nº 6 Enzimas y Coenzimas

activo de forma tan íntima que casi ninguna otra molécula puede unirse de la misma manera. Los aminoácidos de las dos regiones del centro activo generalmente no están adyacentes unos a otros en la cadena polipeptídica lineal; el acercamiento se produce como consecuencia del plegamiento de la cadena proteica al adquirir su estructura terciaria. Todas las reacciones enzimáticas se realizan al menos en dos etapas, una primera en la cual se forma de manera reversible la unión física entre la enzima (E) y el sustrato (S), que da origen al complejo enzima-sustrato (ES). Una vez formado el complejo enzima-sustrato éste puede realizar la transformación del sustrato, dando origen al producto (P) y a la enzima libre que está en condiciones de volver a iniciar el proceso. A la etapa número 1 le llamamos etapa de unión, y a la número 2, etapa catalítica. Esta es una representación simplificada. pues es posible suponer la existencia de otros complejos intermedios sobre todo cuando en la reacción intervienen cofactores o más de un sustrato. El punto crucial de este mecanismo básico es la existencia del complejo enzimasustrato, que fue propuesta por primera vez por Henry en 1905. A partir de ese momento se ha reunido suficiente evidencia para demostrar su presencia. Se han postulado dos hipótesis para explicar la formación del complejo enzima sustrato, las llamadas de la llave y la cerradura, así como la de acoplamiento inducido. De acuerdo con la hipótesis de la llave y la cerradura, el sitio de unión del sustrato existe preformado en la estructura de la enzima aún en ausencia del sustrato unido. En el caso de la hipótesis del acoplamiento inducido, la molécula de sustrato induce un cambio conformacional en el sitio activo de la enzima de manera de quedar perfectamente acoplados. El cambio de forma de la enzima facilita la interacción enzima-sustrato y la reacción. Los estudios por rayos X indican que los sitios de unión del sustrato de la mayor parte de las enzimas se hallan preformados (llave y cerradura) pero que la mayor parte de ellos exhiben al menos cierto grado de acoplamiento inducido al unirse al sustrato. Después que la reacción se completa y se libera el producto, el sitio activo recupera su forma libre y la enzima está dispuesta para fijar una nueva molécula de sustrato. La molécula blanco que se une a la superficie de la enzima en un sitio específico recibe el nombre de sustrato de la enzima. Las reacciones catalizadas por las enzimas son reacciones que ocurrirían de todas maneras espontáneamente pero a velocidades muy lentas; las enzimas no son sustancias mágicas, las reacciones que catalizan deben ser químicamente posibles. La mayor parte de las enzimas funcionan in vivo (en la célula) catalizando una reacción particular sobre un sustrato específico, esto conforma la especificidad de sustrato (sin embargo, las enzimas pueden actuar sobre varios sustratos estructuralmente relacionados, aunque con diferentes eficiencias. También es cierto que un misma molécula puede servir como sustrato a varios tipos de enzimas diferentes). La especificidad de acción determina que la enzima cataliza sólo una de las posibles transformaciones del sustrato. La estéreo especificidad de las enzimas es también muy elevada, tanto respecto a la unión de sustratos quirales como respecto a las reacciones que catalizan. La estéreo Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

39

Serie Nº 6 Enzimas y Coenzimas

especificidad de los enzimas procede de su quiralidad inherente, pues como ya sabemos las proteínas están constituidas sólo por L-aminoácidos. Existen distintos factores capaces de afectar la actividad enzimática: • Influencia de la temperatura: Existe una temperatura óptima para la cual la actividad enzimática es máxima. • Influencia del pH: Todas las enzimas tienen dos valores límites de pH entre las cuales son efectivas. Traspasados estos valores, la enzima se desnaturaliza y deja de actuar. Entre estos límites existe un pH óptimo en el cual la enzima posee una máxima eficacia. • Concentración del sustrato: En una reacción enzimática, al incrementar la concentración de sustrato, para una concentración de enzima constante se produce un aumento de velocidad de reacción. Si la concentración de sustrato es excesiva, la velocidad de reacción no aumentará, debido a que se produce una saturación de la enzima, cuyas moléculas se hallan todas en forma de complejo enzima-sustrato. • Inhibidores: Son sustancias que disminuyen la actividad de la enzima. Pueden ser:
Irreversibles: Tienen lugar cuando el inhibidor se fija permanentemente al centro activo de la enzima alterando su estructura.
Reversibles: Tienen lugar cuando no se inutiliza el centro activo, sino que sólo impide temporalmente su normal funcionamiento.
Competidores: Se debe a la presencia de una sustancia similar al sustrato por lo que se puede competir en la fijación al centro activo.
No competidores: Es debida a un inhibidor que se une a la enzima impidiendo la fija ion del sustrato al centro activo. Coenzimas Las coenzimas cambian químicamente en las reacciones enzimáticas en las que participan. Así, para completar el ciclo catalítico la coenzima debe ser devuelta a su estado original. Cuando se trata de coenzimas unidas de modo transitorio, tales como NAD+, la reacción de regeneración es usualmente catalizada por una enzima diferente. La proteína que, cuando se encuentra aislada y separada de su cofactor, es inactiva enzimáticamente, se designa como apoenzima. El complejo enzima-cofactor, activo catalíticamente, se llama holoenzima; es decir: Apoenzima (inactiva) + cofactor
Holoenzima (activa). Algunas coenzimas importantes se citan a continuación: • FAD (flavín-adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones. • FMN (Flavín mononucleótido): transferencia de electrones y protones. • NAD+(nicotín-adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones. • NADP+ (nicotín-adenín dinucleótido fosfato): transferencia de electrones y protones. • Coenzima A: transferencia de grupos acetilo y de grupos acilo en general. Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

40

Serie Nº 6 Enzimas y Coenzimas

• • • • • • • •

Coenzima Q: transferencia de electrones en la cadena respiratoria. Coenzima B12: transferencia de grupos metilo o hidrógenos entre moléculas. TPP (Pirofosfato de tiamina): transferencia de grupos aldehído; forma parte, entre otros, del complejo piruvato deshidrogenasa. PLP (fosfato de piridoxal): transferencia de grupos amino. PMP (fosfato de piridoxamina): transferencia de grupos amino. FH4 (ácido tetrahidrofólico): transferencia de grupos formilo, metenilo y metileno. Biotina: transferencia de dióxido de carbono. Ácido lipoico: transferencia de hidrógenos, grupos acilo y metilamina.

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

41

Serie Nº 6 Enzimas y Coenzimas

EJERCITACIÓN 1) ¿Cuáles son las partes del sitio activo de una enzima? Describa sus funciones. 2) ¿Como una enzima acelera la velocidad de una dada reacción química? Muestre en un esquema energético de reacción. 3) Según el tipo de reacción que catalicen las enzimas, se pueden dividir en seis grupos. Teniendo en cuenta las diferentes definiciones a continuación una con fechas aquellas que se corresponden. Catalizan reacciones de óxido-reducción, como son las oxidasas...

TRANSFERASAS

Catalizan reacciones de transferencia de grupos moleculares, de una molécula a otra.

LIASAS

Catalizan reacciones de hidrólisis, como proteasas, lipasas, etc.

LIGASAS

Catalizan reacciones de adición de grupos moleculares a dobles enlaces, con lo que pasa a ser un enlace sencillo.

HIDROLASAS

Catalizan reacciones de isomerización, es decir, de transformación de una molécula en su isómero.

ÓXIDOREDUCTASAS

Catalizan reacciones en las que dos moléculas se unen para formar una tercera.

ISOMERASAS

4) La actividad de una enzima se ve afectada por factores ambientales, como la temperatura y el pH, y también por ciertos productos químicos que actúan inhibiendo la acción enzimática. A continuación se enumeran una serie de cuestiones sobre este proceso; pero deben elegir aquellas correctas: a) Normalmente, a un incremento de temperatura se corresponde un aumento en la velocidad de la reacción enzimática. b) Si un inhibidor se une a la enzima mediante enlaces covalentes, la inhibición es irreversible. c) Con respecto al pH, los valores óptimos para cada enzima oscilan entre 6 y 8. d) Si la molécula del inhibidor tiene una estructura semejante a la del sustrato y compite con él para unirse al centro activo, se trata de una inhibición competitiva. e) Un inhibidor enzimático se une siempre al centro activo de la enzima.

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

42

Serie Nº 6 Enzimas y Coenzimas

5) ¿Que son los cofactores y las coenzimas? 6) Teniendo en cuenta las Figuras N° 1 y N° 2, señale: a) ¿Que tipo de moléculas son? b) ¿Cuál es su origen? c) ¿Cómo son sus bases nitrogenadas? d) ¿Están oxidadas o reducidas?

Figura N° 1

Figura N° 2

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

43

Serie Nº 6 Enzimas y Coenzimas

7) Complete el siguiente cuadro con las funciones de algunas conenzimas. Coenzima

Localización

Funcion

TPP Ácido lipoico NADH CoA

8) Completar el siguiente crucigrama a partir de los conceptos explicados en el texto, y de las definiciones que figuran abajo. 5 1

4

2

3

6

7

8

9

10

11 12

HORIZONTALES: 1. Se dice de la reacción química en la que se libera energía. 2. Sustancia capaz de acelerar una reacción química, permaneciendo éste

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

VERTICALES: 4. Se dice de la reacción química en la que se necesita un aporte de energía para que se produzca. químico que se 5. Compuesto 44

Serie Nº 6 Enzimas y Coenzimas

mismo inalterado (no se consume durante la reacción). que presenta dos 3. Enzima configuraciones una activa y otra inactiva. 8. Sustancia capaz de unirse a la enzima, impidiendo que pueda unirse al sustrato. 9. Parte proteica de una enzima. 11. Parte de una enzima necesaria para su funcionamiento y que puede ser un simple catión metálico. 12. Molécula muy rica en energía. La "moneda" de intercambio de energía

Química Biológica Licenciatura en Ciencias Biológicas

transforma en un producto en una reacción enzimática. 6. Parte no proteica de una enzima necesaria para su funcionamiento y químicamente tiene que ser una molécula orgánica. 7. Sustancia o sustancias que se obtienen en una reacción enzimática. 10. Sustancia que cataliza reacciones químicas acelerando la velocidad de la reacción.

45