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Enzimas Los enzimas son los catalizadores de las reacciones en los sistemas biológicos: los enzimas, las proteínas más extraordinarias y de mayor especialización. Los enzimas tienen un gran poder catalítico, a menudo muy superior al de los catalizadores sintéticos o inorgánicos. Poseen un elevado grado de especificidad respecto a sus sustratos, aceleran espectacularmente las reacciones químicas específicas y funcionan en soluciones acuosas en condiciones muy suaves de temperatura y pH. Hay pocos catalizadores no biológicos que tengan todas estas propiedades. Los enzimas están en el centro de todos los procesos bioquímicos. Actuando en secuencias organizadas catalizan cientos de reacciones consecutivas en las que se degradan moléculas de nutrientes, se conserva y transforma la energía química y se fabrican las macromoléculas biológicas a partir de precursores sencillos. La mayoría de enzimas son proteínas Con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de RNA catalítico, todos los enzimas son proteínas. Su actividad catalítica depende de la integridad de su conformación proteica nativa. Si se desnaturaliza o disocia un enzima en sus subunidades, se suele perder la actividad catalítica. Si se descompone una enzima en sus aminoácidos constituyentes, siempre se destruye su actividad catalítica. Así, las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas enzimáticas son esenciales para su actividad catalítica. Algunos enzimas no requieren para su actividad más grupos químicos que sus residuos aminoácidos. Otros requieren un componente químico adicional llamado cofactor. El cofactor puede ser uno o varios iones inorgánicos o una molécula orgánica o metaloorgánica compleja denominada coenzima. Algunos enzimas requieren tanto un coenzima como uno o más iones metálicos para su actividad. Un coenzima o ion metálico unido covalentemente o de manera muy fuerte a la proteína enzimática se denomina grupo prostético. Un enzima completo catalíticamente activo junto con su coenzima y/o iones metálicos se denomina holoenzima. La parte proteica de tal enzima se denomina apoenzima o apoproteína. La mayoría de ellos son derivados de las vitaminas. Finalmente, algunos enzimas son modificados covalentemente por fosforilación, glucosilación y otros procesos. Gran parte de estas alteraciones intervienen en la regulación de la actividad enzimática. Los enzimas se clasifican según las reacciones que catalizan Muchos enzimas se han bautizado añadiendo el sufijo –asa al nombre de su sustrato o a una palabra o frase que describe su actividad. Otros enzimas recibieron nombres muy generales, antes de que se conociera cuál era su reacción específica. Otros recibieron el nombre en virtud de su origen o el modo como se obtuvieron. A veces el mismo enzima tiene dos o más

nombres, o dos enzimas diferentes tienen el mismo nombre. Debido a tales ambigüedades y al número constantemente creciente de enzimas descubiertos, se ha adoptado por acuerdo internacional un sistema de nomenclatura y clasificación de los enzimas. Este sistema distribuye los enzimas en seis clases principales, cada una de ellas con diferentes subclases, según el tipo de reacción catalizada. A cada enzima se le asigna un número clasificatorio de cuatro apartados y un nombre sistemático que identifica la acción catalizada. La vida depende de la existencia de catalizadores poderosos y específicos: los enzimas. Prácticamente todas las reacciones bioquímicas son catalizadas por un enzima. Con la excepción de unas pocas moléculas de RNA catalítico, todos los enzimas conocidos son proteínas. Muchos necesitan coenzimas no proteicos para desempeñar su acción catalítica. Las enzimas se clasifican de acuerdo con el tipo de reacción que catalizan. Todos los enzimas tienen números y nombres formales del sistema E. C. y la mayoría tienen también nombres sencillos. ¿Cómo funcionan los enzimas? La catálisis enzimática de las reacciones es esencial para los sistemas vivos. En condiciones biológicas, las reacciones no catalizadas tienden a ser lentas. La mayoría de moléculas biológicas son muy estables al pH neutro, la temperatura sueva y el ambiente acuoso presente en el interior de las células. Además, muchas reacciones bioquímicas comunes implican procesos químicos que son desfavorables o poco probables en el ambiente celular, tales como la formación transitoria de intermediarios cargados inestables o la colisión de dos o más moléculas con la orientación precisa requerida para la reacción. Las reacciones necesarias para digerir los alimentos, enviar señales nerviosas o contraer el músculo no se dan a una velocidad útil sin catálisis. Un enzima soluciona estos problemas al proporcionar un ambiente específico dentro del cual una reacción determinada puede transcurrir a mayor velocidad. El rasgo distintivo de una reacción catalizada enzimáticamente es que tiene lugar dentro de los confines de una bolsa del enzima denominada sitio activo. La molécula fijada el sitio activo y sobre la que actúa el enzima se denomina sustrato. La superficie del sitio activo del enzima está revestida con residuos aa cuyos grupos sustituyentes se unen al sustrato y catalizan la transformación química. A menudo, el sitio activo cubre al sustrato y lo secuestra completamente de la solución. El complejo enzima-sustrato es de importancia central en la acción de los enzimas. Los enzimas alteran las velocidades de reacción pero no los equilibrios Se puede escribir una reacción enzimática sencilla como:

Donde E, S y P representan el enzima, el sustrato y el producto, respectivamente. ES y EP son complejos transitorios del enzima con el sustrato y con el producto, respectivamente. La función de un catalizador es aumentar la velocidad de una reacción. Los catalizadores no modifican los equilibrios de reacción. Cualquier reacción, por ejemplo S – P, se puede describir mediante un diagrama de la coordenada de reacción, una descripción de los cambios energéticos durante la reacción. En el diagrama de la coordenada, se representa la energía libre del sistema frente al progreso de la reacción (coordenada de la reacción). El punto de partida tanto para la reacción hacia la derecha como hacia la izquierda se denomina estado basal, que es la contribución a la energía libre del sistema de una molécula promedio (S o P) bajo un conjunto de condiciones dadas. Para describir las variaciones de energía libre de las reacciones, los químicos definen un conjunto estándar de condiciones y expresan la variación de la energía libre de este sistema reaccionante como AGº, la variación de energía libre estándar. Dado que en los sistemas bioquímicos participa normalmente el H+ en concentraciones muy lejanas de 1M, los bioquímicos definen la variación de la energía libre estándar bioquímica, AG’º, como la variación de la energía libre estándar a pH 7,0 El equilibrio entre S y P refleja la diferencia en energía libre de sus estados basales. En el ejemplo que se muestra en la gráfica, la energía libre del estado basal de P es inferior a la de S, por lo que la AG’º de la reacción es negativa y el equilibrio favorece a P. La posición y la dirección de este equilibrio no se ven afectadas por ningún catalizador. Un equilibrio favorable no indica que la conversión S – P sea rápida. La velocidad de la reacción es dependiente de un parámetro totalmente diferente. Existe una barrera energética entre S y P que representa la energía requerida para el alineamiento de los grupos reactivos, la formación de cargas inestables transitorias, los reordenamientos de enlaces y otras transformaciones que se requieren para que la reacción tenga lugar en cualquiera de las dos direcciones. Esto viene representado por la “colina” energética de las graficas. Para que haya reacción las moléculas han de superar esta barrera, por lo que se deben llevar a un nivel energético superior. En la cumbre de la colina energética existe un pinto en el que la caída hacia el estado P o S es igualmente probable. Es lo que se denomina estado de transición. El estado de transición no es una especie química con estabilidad significativa, por lo que no se ha de confundir con un intermediario de reacción. Es, simplemente, un momento molecular fugaz. La diferencia entre los niveles de energía del estado basal y del estado de transición se denomina energía de activación AG ‡. La velocidad de una reacción refleja esta energía de activación: a una energía de activación más elevada corresponde una reacción más lenta. Es posible disminuir la energía de activación añadiendo un catalizador. La catálisis aumenta las velocidades de reacción disminuyendo las energías de activación. En la grafica vemos el

diagrama de la coordenada de reacción donde se comparan las reacciones, catalizada por enzima y sin catalizar. Los enzimas no constituyen una excepción a la regla de que los catalizadores no modifican el equilibrio de reacción. Su única misión es acelerar la interconversión de S y P No se gasta enzima en el proceso el punto de equilibrio no queda afectado. No obstante, la reacción alcanza el equilibrio de una manera mucho más rápida cuando se halla presente el enzima adecuado ya que se incrementa la velocidad de la reacción. Cualquier reacción puede consistir en varias etapas que suponen la formación y desintegración de especies químicas transitorias denominadas intermediarios de reacción. Un intermediario de reacción es cualquier especie producida en el transcurso de la reacción que tenga un tiempo de vida químico finito. Cuando la reacción S – P está catalizada por un enzima, los complejos ES y EP pueden ser considerados intermediarios a pesar de que S y P sean especies químicas estables. Cuando en una reacción existen varios pasos, la velocidad global viene determinada por el paso (o pasos) cuya energía de activación es la más elevada, este paso se denomina limitante de velocidad. En un caso sencillo, el paso limitante de velocidad es el punto de energía más elevado en el diagrama de interconversión de S y P. Las velocidades de reacción y los equilibrios tienen definiciones termodinámicas precisas Los equilibrios de reacción están asociados inextricablemente a la variación de energía libre estándar de la reacción, mientras que las velocidades de reacción están asociadas a la energía de activación. Un equilibrio tal como S – P viene descrito por una constante de equilibrio, Keq, o K: De la termodinámica, puede describirse la relación entre K eq y AG’º mediante la expresión: La velocidad de una reacción cualquiera viene determinada por la concentración de reactivo (o reactivos) y por una constante de velocidad. Unos pocos principios explican el poder catalítico y la especificidad de los enzimas Los enzimas son catalizadores extraordinarios. Los aumentos de velocidad conseguidos por los enzimas son de 5 a 17 órdenes de magnitud. Los enzimas son también muy específicos, discriminando fácilmente entre sustratos con estructuras muy similares. Las interacciones débiles ente enzima y sustrato son óptimas en el estado de transición Estudios sobre la especificidad enzimática llevados a cabo por Fischer le condujeron a proponer en 1894, que los enzimas eran estructuralmente

complementarios a sus sustratos, de forma que se acoplaban del mismo modo que una llave y una cerradura. No obstante, la hipótesis de la llave y la cerradura puede ser engañosa cuando se aplica a la catálisis enzimática. Un enzima totalmente complementario a su sustrato sería un enzima muy deficiente, como podemos demostrar. Consideremos una reacción imaginaria, la rotura de una vara metálica magnética. La reacción no catalizada se muestra en la primera figura. Examinaremos ahora dos enzimas imaginarios que pudieran catalizar esta reacción. Diseñaremos en primer lugar un enzima perfectamente complementario al sustrato. Para que se dé la reacción, la vara debe alcanzar el estado de transición de la reacción, pero se fija de una forma tan fuerte al sitio activo que no puede doblarse, ya que la curvatura de la vara eliminaría algunas de las interacciones magnéticas entre la vara y el enzima. Un enzima así impide la reacción ya que estabiliza el sustrato. En un diagrama de la coordenada de la reacción, este tipo de complejo ES correspondería a un pozo energético del que le sería muy difícil salir al sustrato. Tal enzima no sería útil. La noción moderna de la catálisis enzimática dice: para que un enzima catalice una reacción ha de ser completamente complementario al estado de transición de la reacción. Ello significa que las interacciones óptimas entre sustrato y enzima solo pueden tener lugar en el estado de transición. La figura demuestra de qué modo puede actuar un enzima de este tipo. La vara de metal se fija a la enzima, pero solo se usan unas cuantas interacciones para formar el complejo ES. El sustrato ligado aun ha de experimentar el aumento de energía libre necesario para alcanzar el estado de transición. Los enzimas reales funcionan según un principio análogo. En el complejo ES se forman algunas interacciones débiles, pero el complemento total de las interacciones débiles posibles entre sustrato y enzima solo se forma cuando el sustrato alcanza el estado de transición. La energía libre liberada por la formación de esas interacciones equilibra parcialmente la energía requerida para llegar a la cima de la colina energética. La suma de la energía de activación desfavorable AG‡ y la energía de fijación AG B favorable da como resultado una energía de activación menor. El estado de transición tampoco es una especie estable en el enzima, sino que representa un punto breve en el tiempo que pasa un sustrato en la cima de la colina energética. Sin embargo, la reacción catalizada por el enzima es mucho más rápida que el proceso sin catalizar, porque la colina es mucho más baja. Los enzimas utilizan la energía de fijación para proporcionar especificidad de reacción y catálisis La especificidad se refiere a la capacidad de un enzima de discriminar entre un sustrato y una molécula competitiva.

El propio enzima puede sufrir un cambio conformacional cuando se fija el sustrato, el cual también se encuentra inducido por múltiples interacciones débiles con el sustrato. Esta situación se conoce como encaje inducido, mecanismo postulado por Daniel Koshland en 1958. El encaje inducido puede servir para disponer grupos específicos funcionales del enzima en la orientación adecuada para catalizar la reacción. El cambio conformacional también permite la formación de interacciones débiles adicionales en el estado de transición. Grupos catalíticos específicos contribuyen a la catálisis En la mayoría de los enzimas, la energía de fijación usada para formar el complejo ES es tan solo una de las diversas contribuciones al mecanismo catalítico general. Una vez unido el sustrato al enzima, grupos funcionales catalíticos situados adecuadamente colaboran en la rotura o formación de enlaces mediante una variedad de mecanismos. Catálisis ácido-base general Muchas reacciones bioquímicas suponen la formación de intermediarios cargados inestables que tienden a descomponerse rápidamente en sus especies reactivas constituyentes no pudiendo, de este modo, reaccionar. Lo intermediarios cargados a menudo se pueden estabilizar transfiriendo protones a o desde el sustrato o intermediario para formar una especie que se descompone en productos más fácilmente que en reactivos. Varias cadenas laterales de aa pueden actuar de modo similar como dadores y aceptores de protones en el sitio activo del enzima. Estos grupos se suelen posicionar de forma precisa en el sitio activo de un enzima para permitir la transferencia de protones, generando incrementos de velocidad del orden de 102 a 105. Este tipo de catálisis tiene lugar en la mayoría e enzimas. Catálisis covalente En la catálisis covalente se forma un enlace covalente transitorio entre el enzima y el sustrato. Esto altera la ruta de la reacción y solo se produce catálisis si la nueva ruta tiene una energía de activación inferior a la de la ruta no catalizada. Diversas cadenas laterales de aa, así como los grupos funcionales de algunos cofactores enzimáticos, sirven como nucleófilos en algunos enzimas para la formación de enlaces covalentes con los sustratos. Catálisis por iones metálicos