Enzima

En bioquímica, se llaman enzimas las sustancias de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sea termodinámicamente posible (si bien no pueden hacer que el proceso sea más termodinámicamente favorable). En estas reacciones, las moléculas sobre las que actúa la enzima en el comienzo del proceso son llamadas sustratos, y estas los convierten en diferentes moléculas, los productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para que ocurran en tasas significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas.

Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos y su velocidad crece sólo con algunas reacciones de entre otras posibilidades, el conjunto (set) de enzimas sintetizadas en una célula determina el metabolismo que ocurre en cada célula. A su vez, esta síntesis depende de la regulación de la expresión génica.

Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo la energía de activación (ΔG^‡) para una reacción, así se acelera substancialmente la tasa de la reacción. Las enzimas no alteran el balance energético de las reacciones en que intervienen, ni modifican, por lo tanto, el equilibrio de la reacción, pero consiguen acelerar el proceso incluso millones de veces. Una reacción que se produce bajo el control de una enzima, o de un catalizador en general, alcanza el equilibrio mucho más deprisa que la correspondiente reacción no catalizada.

Al igual que ocurre con otros catalizadores, las enzimas no son consumidas por las reacciones que ellas catalizan, ni alteran su equilibrio químico. Sin embargo, las enzimas difieren de otros catalizadores por ser más específicas. Las enzimas catalizan alrededor de 4.000 reacciones bioquímicas distintas.^[1] No todas los catalizadores bioquímicos son proteínas, pues algunas moléculas de ARN son capaces de catalizar reacciones (como el fragmento 16S de los ribosomas en el que reside la actividad peptidil transferasa).

La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras moléculas. Las inhibidoras son moléculas que disminuyen la actividad de las enzimas; mientras que las activadoras son moléculas que incrementan la actividad. Asimismo, gran cantidad de enzimas requieren de cofactores para su actividad. Muchas drogas o fármacos son moléculas inhibidoras. La actividad es afectada por la temperatura, el pH, la concentración del sustrato y otros factores físicoquímicos.

Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la síntesis de antibióticos. Además, algunos productos domésticos de limpieza usan enzimas para acelerar las reacciones bioquímicas.

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Etimología e historia

Desde finales del Siglo XVIII y principios del Siglo XIX, se conocía la digestión de la carne por las secreciones del estómago^[2] y la conversión del almidón en azúcar por los extractos de plantas y la saliva. Sin embargo, no había sido identificado^[3] el mecanismo.

En el Siglo XIX, cuando se estaba estudiando la fermentación del azúcar en el alcohol con levaduras, Louis Pasteur llegó a la conclusión que esta fermentación era catalizada por una fuerza vital contenida en las células de la levadura, llamadas fermentos, que se pensó solo funcionaban con organismos vivos. Escribió que "la fermentación del alcohol es un acto relacionado con la vida y la organización de las células de las levaduras, y no con la muerte y la putrefacción de las células".^[4]

En 1878 el fisiólogo Wilhelm Kühne (1837–1900) acuñó el término enzima, que viene del griego ενζυμον "en levadura", para describir este proceso. La palabra enzima fue usada después para referirse a sustancias inertes como el pepsin. Por otro lado la palabra "fermento" solía referirse a la actividad química producida por organismos vivientes.

En 1897 Eduard Buchner comenzó a estudiar la habilidad de los extractos de levadura para fermentar azúcar debido a la ausencia de células vivientes de levadura. En una serie de experimentos en la Universidad Humboldt de Berlín, encontró que el azúcar era fermentada inclusive cuando no había elementos vivos en las las células de las levaduras en la mezcla.^[5] Llamó a la enzima que causa la fermentación de la sacarosa, “zimasa”.^[6] En 1907 recibió el Premio Nobel de Química "por sus investigaciones bioquímicas y el haber descubierto la fermentación libre de células". Siguiendo el ejemplo de Buchner, las enzimas son usualmente nombradas de acuerdo a la reacción que producen. Típicamente el sufijo "-asa" es agregado al nombre del sustrato (e.j., la lactasa es la enzima que hiende lactosa) o el tipo de reacción (e.j., el DNA polimerasa) forma polímeros de ARN.

Habiendo mostrado que las enzimas pueden funcionar afuera de una célula viva, el próximo paso era determinar su naturaleza bioquímica.

En muchos de los trabajos iniciales se notó que la actividad enzimática estaba asociada con proteínas, pero algunos científicos (como el Premio Nobel Richard Willstätter) argumentaban que las proteínas eran simplemente el transporte para las verdaderas enzimas y que las proteínas per se no eran capaces de realizar catálisis."

Sin embargo, en 1926, James B. Sumner demostró que la enzima ureasa era una proteína pura y la cristalizó; Summer hizo lo mismo con la enzima caralase en 1937. La conclusión de que las proteínas puras podían ser enzimas fue definitivamente probada por John Howard Northrop y Wendell Meredith Stanley, quienes trabajaron en la enzimas digestivas pepsina (1930), tripsina y quimotripsina. Estos tres científicos recibieron el Premio Nobel de Química en 1946.^[7]

El descubrimiento de que las enzimas podían ser cristalizadas eventualmente permitía que sus estructuras fuesen resueltas por una cristalografía de rayos x. Esto fue hecho primero por las lisozimas, una enzima encontrada en las lagrimas, la saliva y los huevos blancos que digieren la capa de algunas bacterias; la estructura fue resuelta por un grupo liderado por David Chilton Phillips y publicado en 1965.^[8] Esta estructura de alta resolución de lisozimas marcó el comienzo del campo de la biología estructural y el esfuerzo por entender como las enzimas trabajan a un nivel anatómico de detalles.

Estructuras y mecanismos

Las enzimas son generalmente proteínas globulares que pueden presentar tamaños muy variables, desde 62 aminoácidos como en el caso del monómero de la 4-oxalocrotonato tautomerasa,^[9] hasta los 2500 presentes en la sintasa de ácidos grasos.^[10]

Las actividades de las enzimas vienen determinadas por su estructura tridimensional.^[11] Casi todas las enzimas son mucho más grandes que los sustratos donde actúan, y solo una pequeña parte de la enzima (alrededor de 3 a 4 aminoácidos) están directamente involucrados en la catálisis.^[12] La región que contiene estos residuos encargados de catalizar la reacción es conocida como centro activo. Las enzimas también pueden contener sitios con la capacidad de unir cofactores, necesarios a veces en el proceso de catálisis, o de unir pequeñas moléculas, como los sustratos o productos (directos o indirectos) de la reacción catalizada. Estas uniones pueden incrementar o disminuir la actividad enzimática, dando lugar así una regulación por retroalimentación.

Al igual que las demás proteínas, las enzimas se componen de una cadena lineal de aminoácidos que se pliegan durante el proceso de traducción para dar lugar a una estructura terciaria tridimensional de la enzima, susceptible de presentar actividad. Cada secuencia de aminoácidos es única y por tanto da lugar a una estructura única, con propiedades únicas. En ocasiones, proteínas individuales pueden unirse a otras proteínas para formar complejos, en lo que se denomina estructura cuaternaria de las proteínas.

La mayoría de las enzimas, al igual que el resto de proteínas, pueden ser desnaturalizadas si se ven sometidas a agentes desnaturalizantes como el calor, los pHs extremos o ciertos compuestos como el SDS. Estos agentes destruyen la estructura terciaria de las proteínas de forma reversible o irreversible, dependiendo de la enzima.

Especificidad

Las enzimas suelen ser muy específicas tanto del tipo de reacción que catalizan como del sustrato involucrado en la reacción. La forma, la carga y las características hidrofílicas/hidrofóbicas de las enzimas y los sustratos son los responsables de dicha especificidad. Las enzimas también pueden mostrar un elevado grado de estereoespecificidad, regioselectividad y quimioselectividad.^[13]

Algunas de estas enzimas que muestran una elevada especificidad y precisión en su actividad son aquellas involucradas en la replicación y expresión del genoma. Estas enzimas tienen eficientes sistemas de comprobación y corrección de errores, como en el caso de la ADN polimerasa, que cataliza una reacción de replicación en un primer paso, para comprobar posteriormente si el producto obtenido es el correcto.^[14] Este proceso que tiene lugar en dos pasos, da como resultado una media de tasa de error increiblemente baja, en torno a 1 error cada 100 millones de reacciones en determinadas polimerasas de mamíferos.^[15] Este tipo de mecanismos de comprobación también han sido observados en la ARN polimerasa,^[16] en la ARNt aminoacil sintetasa^[17] y en los ribosomas.^[18]

Aquellas enzimas que producen metabolitos secundarios son denominadas promiscuas, ya que pueden actuar en un amplio rango de diferentes sustratos. Por ello, se ha sugerido que esta amplia especificidad de sustrato podría ser clave en la evolución y diseño de nuevas rutas biosintéticas.^[19]

Modulación alostérica

Clasificación

Existe una clasificación normalizada con 6 categorías principales:

Oxirreductasas

Catalizan reacciones de oxidorreducción o redox. Precisan la colaboración de las coenzimas de oxidorreducción (NAD⁺, NADP⁺, FAD) que aceptan o ceden los electrones correspondientes; tras la acción catalítica, estas coenzimas quedan modificados en su grado de oxidación por lo que deben ser transformadas antes de volver a efectuar la reacción catalítica.

Ejemplo: Deshidrogenasas.

Transferasas

Transfieren grupos activos (obtenidos de la ruptura de ciertas moléculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos de interconversión de monosacáridos, aminoácidos, etc.

Ejemplos: transaminasas, quinasas.

Hidrolasas

Verifican reacciones de hidrólisis con la consiguiente obtención de monómeros a partir de polímeros. Actúan en la digestión de los alimentos, previamente a otras fases de su degradación.

Ejemplo: glucosidasas, lipasas

Isomerasas

Actúan sobre determinadas moléculas obteniendo de ellas sus isómeros de función o de posición. Suelen actuar en procesos de interconversión.

Ejemplo: epimerasas.(mutasa)

Liasas

Catalizan reacciones en las que se eliminan grupos (H₂O, CO₂ y NH₃) para formar un doble enlace o añadirse a un doble enlace, capaces de catalizar la reducción en un sustrato. En la parte de enzimas Sustrato es una molecula que sobre actua en una enzima, el sustrato se une al sitio activo de la enzima, y se forma un complejo enzima-sustrato. El sustrato por acción de la enzima es transformado en producto y es liberado del sitio activo, quedando libre para recibir otro sustrato.

Ejemplos: descarboxilasas, liasas.

Ligasas

Realizan la degradación o síntesis de los enlaces denominados "fuertes" mediante al acoplamiento a sustancias de alto valor energético (como el ATP).

Ejemplos: sintetasas, carboxilasas.

Activadores

Algunas enzimas necesitan para su actividad iones inorgánicos específicos que reciben el nombre de activadores. Los activadores que se necesitan con más frecuencia son los iones de hierro, cobre, manganeso, magnesio, cobalto y zinc. De ordinario, sólo un ion funciona con una determinada enzima, pero en ciertos casos se pueden substituir ciertos iones por otros, persistiendo una actividad enzimática satisfactoria.

Inhibidores

Las moléculas que regulan la actividad enzimática inhibiendo su actividad, pueden clasificarse en reversibles e irreversibles. Las irreversibles se unen covalentemente al enzima y son útiles en farmacología (penicilina, aspirina).

Las reversibles pueden clasificarse, a su vez, en competitivas y no competitivas. Las competitivas modifican la Km del enzima ya que se unen al centro activo de éste e impiden la unión con el sustrato (se necesitará más para activar los enzimas). Las no competitivas se unen a otro lugar del enzima, modificando la Vmax (velocidad en que se forma producto por unidad de tiempo) ya que al unirse, el enzima queda inactivado.

Aplicaciones industriales

Las enzimas son utilizadas en la industria química y en otras aplicaciones industriales en donde se requiere el uso de catalizadores muy especializados. Una de las aplicaciones industriales en las que se usan enzimas es en la industria de los detergentes biológicos, ya que estos en su mayoria contienen enzimas tales como la amilasa, la lipasa y en algunos casos la celulosa, que de acuerdo a un uso específico ayudan a eliminar la gran mayoría de manchas e inperfecciones en algunas pieles. Sin embargo, las enzimas en general están limitadas en el número de reacciones que han evolucionado a catálisis y también por su falta de estabilidad en solventes orgánicos y a altas temperaturas. Consecuentemente, la ingeniería de las proteínas es un área de investigación activa que involucra intentos de crear nuevas enzimas con novedosas propiedades, ya sea por diseño racional o por evolución in vitro.^{[20] [21]}

Véase también

• Cinética enzimática
• Inhibidor enzimático
• Análisis cuantitativo enzimático
• Catálisis enzimática

Referencias

Lecturas suplementarias

Enlaces externos

• Structure/Function of Enzymes, Tutorial web sobre función y estructura de las enzimas.
• Animación Flash de McGraw-Hill sobre la acción enzimática y la hidrólisis de la sacarosa.
• Enzyme spotlight Destacado mensual de una enzima seleccionada en el Instituto Europeo de Bioinformática.
• UK biotech and pharmaceutical industry El Biosystems Informatics Institute (Bii) es una iniciativa del gobierno británico para fomentar la investigación y desarrollo en colaboración con la industria de biotecnología y farmaceuta del R.U.
• AMFEP, Asociación de Fabricantes y Creadores de formulaciones de productos enzimáticos
• BRENDA Recopilación exhaustiva de información y referencias sobre todas las enzimas conocidas; Acceso pago para uso comercial.
• Enzyme Structures Database Enlaces a datos conocidos sobre la estructura 3-D de enzimas en el Protein Data Bank.
• ExPASy enzyme recopilación de enlaces sobre secuencias Swiss-Prot, así como bibliografía relacionada.
• KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes Información gráfica e hipertextual sobre caminos bioquímicos y enzimas.
• MACiE Recopilación sobre mecanismos de reacción de las enzimas.
• MetaCyc Recopilación sobre enzimas y caminos metabólicos.
• 'Face-to-Face Interview with Sir John Cornforth who was awarded a Nobel Prize for work on stereochemistry of enzyme-catalyzed reactions Video gratuito del Vega Science Trust.