Enzimas

Las enzimas1 son molculas de naturaleza proteica y estructural que catalizan reacciones qumicas, siempre que seantermodinmicamente posibles: una enzima hace que una reaccin qumica que es energticamente posible (ver Energa libre de Gibbs), pero que transcurre a una velocidad muy baja, sea cinticamente favorable, es decir, transcurra a mayor velocidad que sin la presencia de la enzima.2 3 En estas reacciones, las enzimas actan sobre unas molculasdenominadas sustratos, las cuales se convierten en molculas diferentes denominadas productos. Casi todos los procesos en las clulas necesitan enzimas para que ocurran a unas tasas significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimticas.

Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos y su velocidad crece solo con algunas reacciones, el conjunto (set) de enzimas sintetizadas en una clula determina el tipo de metabolismo que tendr cada clula. A su vez, esta sntesis depende de la regulacin de la expresin gnica.

Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo la energa de activacin (G) de una reaccin, de forma que se acelera sustancialmente la tasa de reaccin. Las enzimas no alteran el balance energtico de las reacciones en que intervienen, ni modifican, por lo tanto, el equilibrio de la reaccin, pero consiguen acelerar el proceso incluso millones de veces. Una reaccin que se produce bajo el control de una enzima, o de un catalizador en general, alcanza el equilibrio mucho ms deprisa que la correspondiente reaccin no catalizada.

Al igual que ocurre con otros catalizadores, las enzimas no son consumidas por las reacciones que catalizan, ni alteran su equilibrio qumico. Sin embargo, las enzimas difieren de otros catalizadores por ser ms especficas. Las enzimas catalizan alrededor de 4 000 reacciones bioqumicas distintas.4 No todos los catalizadores bioqumicos son protenas, pues algunas molculas de ARN son capaces de catalizar reacciones (como la subunidad 16S de los ribosomas en la que reside la actividad peptidil transferasa).5 6Tambin cabe nombrar unas molculas sintticas denominadas enzimas artificiales capaces de catalizar reacciones qumicas como las enzimas clsicas.7

La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras molculas. Los inhibidores enzimticos son molculas que disminuyen o impiden la actividad de las enzimas, mientras que los activadores son molculas que incrementan dicha actividad. Asimismo, gran cantidad de enzimas requieren de cofactores para su actividad. Muchas drogas o frmacos son molculas inhibidoras. Igualmente, la actividad es afectada por la temperatura, el pH, la concentracin de la propia enzima y del sustrato, y otros factores fsico-qumicos.

Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la sntesis de antibiticos y productos domsticos de limpieza. Adems, son ampliamente utilizadas en diversos procesos industriales, como son la fabricacin de alimentos, destincin de vaqueros o produccin de biocombustibles.

Etimologa e Historia

Desde finales del siglo XVIII y principios del siglo XIX, se conoca la digestin de la carne por las secreciones del estmago8 y la conversin delalmidn en azcar por los extractos de plantas y la saliva. Sin embargo, no haba sido identificado el mecanismo subyacente.9 aunque la primer enzima fue descubierta por Anselme Payen y Jean-Franois Persoz en 1833.10

En el siglo XIX, cuando se estaba estudiando la fermentacin del azcar en el alcohol con levaduras, Louis Pasteur lleg a la conclusin de que esta fermentacin era catalizada por una fuerza vital contenida en las clulas de la levadura, llamadas fermentos, e inicialmente se pens que solo funcionaban con organismos vivos. Escribi que "la fermentacin del alcohol es un acto relacionado con la vida y la organizacin de las clulas de las levaduras, y no con la muerte y la putrefaccin de las clulas".11 Por el contrario, otros cientficos de la poca como Justus von Liebig, se mantuvieron en la posicin que defenda el carcter puramente qumico de la reaccin de fermentacin.

En 1878 el fisilogo Wilhelm Khne (1837-1900) acu el trmino enzima, que viene del griego "en levadura", para describir este proceso. La palabra enzima fue usada despus para referirse a sustancias inertes como la pepsina. Por otro lado, la palabra "fermento" sola referirse a la actividad qumica producida por organismos vivientes.

En 1897 Eduard Buchner comenz a estudiar la capacidad de los extractos de levadura para fermentar azcar a pesar de la ausencia de clulas vivientes de levadura. En una serie de experimentos en la Universidad Humboldt de Berln, encontr que el azcar era fermentado inclusive cuando no haba elementos vivos en los cultivos de clulas de levaduras.12 Llam a la enzima que causa la fermentacin de la sacarosa, zimasa.13 En 1907 recibi el Premio Nobel de Qumica "por sus investigaciones bioqumicas y el haber descubierto la fermentacin libre de clulas". Siguiendo el ejemplo de Buchner, las enzimas son usualmente nombradas de acuerdo a la reaccin que producen. Normalmente, el sufijo "-asa" es agregado al nombre del sustrato (p. ej., la lactasa es la enzima que degrada lactosa) o al tipo de reaccin (p. ej., la ADN polimerasa forma polmeros de ADN).

Tras haber mostrado que las enzimas pueden funcionar fuera de una clula viva, el prximo paso era determinar su naturaleza bioqumica. En muchos de los trabajos iniciales se not que la actividad enzimtica estaba asociada con protenas, pero algunos cientficos (como el premio Nobel Richard Willsttter) argumentaban que las protenas eran simplemente el transporte para las verdaderas enzimas y que las protenas per se no eran capaces de realizar catlisis. Sin embargo, en 1926, James B. Sumner demostr que la enzima ureasa era una protena pura y la cristaliz. Summer hizo lo mismo con la enzima catalasa en 1937. La conclusin de que las protenas puras podan ser enzimas fue definitivamente probada por John Howard Northrop y Wendell Meredith Stanley, quienes trabajaron con diversas enzimas digestivas como la pepsina (1930), la tripsina y laquimotripsina. Estos tres cientficos recibieron el Premio Nobel de Qumica en 1946.14

El descubrimiento de que las enzimas podan ser cristalizadas permita que sus estructuras fuesen resueltas mediante tcnicas de cristalografa y difraccin de rayos X. Esto se llev a cabo en primer lugar con la lisozima, una enzima encontrada en las lgrimas, la saliva y los huevos, capaces de digerir la pared de algunas bacterias. La estructura fue resuelta por un grupo liderado por David Chilton Phillips y publicada en 1965.15 Esta estructura de alta resolucin de las lisozimas, marc el comienzo en el campo de la biologa estructural y el esfuerzo por entender cmo las enzimas trabajan en el orden molecular.

Estructuras y Mecanismos

Las enzimas son generalmente protenas globulares que pueden presentar tamaos muy variables, desde 62 aminocidoscomo en el caso del monmero de la 4-oxalocrotonato tautomerasa,16 hasta los 2 500 presentes en la sintasa de cidos grasos.17

Las actividades de las enzimas vienen determinadas por su estructura tridimensional, la cual viene a su vez determinada por la secuencia de aminocidos.18 Sin embargo, aunque la estructura determina la funcin, predecir una nueva actividad enzimtica basndose nicamente en la estructura de una protena es muy difcil, y un problema an no resuelto.19

Casi todas las enzimas son mucho ms grandes que los sustratos sobre los que actan, y solo una pequea parte de la enzima (alrededor de 3 a 4 aminocidos) est directamente involucrada en la catlisis.20 La regin que contiene estos residuos encargados de catalizar la reaccin es denominada centro activo. Las enzimas tambin pueden contener sitios con la capacidad de unir cofactores, necesarios a veces en el proceso de catlisis, o de unir pequeas molculas, como los sustratos o productos (directos o indirectos) de la reaccin catalizada. Estas uniones de la enzima con sus propios sustratos o productos pueden

incrementar o disminuir la actividad enzimtica, dando lugar as a una regulacin por retroalimentacinpositiva o negativa, segn el caso.

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

La mayora de las enzimas, al igual que el resto de las protenas, 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 protenas de forma reversible o irreversible, dependiendo de la enzima y de la condicin. Una consecuencia de la desnaturalizacin es la prdida o merma de la funcin, de la capacidad enzimtica.

Especificidad

Las enzimas suelen ser muy especficas tanto del tipo de reaccin que catalizan como del sustrato involucrado en la reaccin. La forma, la carga y las caractersticashidroflicas/hidrofbicas de las enzimas y los sustratos son los responsables de dicha especificidad. Las enzimas tambin pueden mostrar un elevado grado deestereoespecificidad, regioselectividad y quimioselectividad.21

Algunas de estas enzimas que muestran una elevada especificidad y precisin en su actividad son aquellas involucrados en la replicacin y expresin del genoma. Estas enzimas tienen eficientes sistemas de comprobacin y correccin de errores, como en el caso de la ADN polimerasa, que cataliza una reaccin de replicacin en un primer paso, para comprobar posteriormente si el producto obtenido es el correcto.22 Este proceso, que tiene lugar en dos pasos, da como resultado una media de tasa de error increblemente baja, en torno a 1 error cada 100 millones de reacciones en determinadas polimerasas de mamferos.23 Este tipo de mecanismos de comprobacin tambin han sido observados en la ARN polimerasa,24 en la ARNt aminoacil sintetasa25 y en la actividad de seleccin de los aminoacil-tRNAs.26

Aquellas enzimas que producen metabolitos secundarios son denominadas promiscuas, ya que pueden actuar sobre una gran variedad de sustratos. Por ello, se ha sugerido que esta amplia especificidad de sustrato podra ser clave en la evolucin y diseo de nuevas rutas biosintticas.27

Modelo de la "llave-cerradura"

Las enzimas son muy especficas, como sugiri Emil Fischer en 1894. Con base a sus resultados dedujo que ambas molculas, la enzima y su sustrato, poseen complementariedad geomtrica, es decir, sus estructuras encajan exactamente una en la otra,28 por lo que este modelo ha sido denominado como modelo de la "llave-cerradura", refirindose a la enzima como a una especie de cerradura y al sustrato como a una llave que encaja de forma perfecta en dicha cerradura. Una llave solo funciona en su cerradura y no en otras cerraduras. Sin embargo, si bien este modelo explica la especificidad de las enzimas, falla al intentar explicar la estabilizacin del estado de transicin que logran adquirir las enzimas.

Modelo del encaje inducido

En 1958, Daniel Koshland sugiere una modificacin al modelo de la llave-cerradura: las enzimas son estructuras bastante flexibles y as el sitio activo podra cambiar su conformacin estructural por la interaccin con el sustrato.29 Como resultado de ello, la cadena aminoacdica que compone el sitio activo es moldeada en posiciones precisas, lo que permite a la enzima llevar a cabo su funcin cataltica. En algunos casos, como en las glicosidasas, el sustrato cambia ligeramente de forma para entrar en el sitio activo.30 El sitio activo continua dicho cambio hasta que el sustrato est completamente unido, momento en el cual queda determinada la forma y la carga final.31

Mecanismos[editar]

Las enzimas pueden actuar de diversas formas, como se ver a continuacin, siempre dando lugar a una disminucin del valor de G:32

Reduccin de la energa de activacin mediante la creacin de un ambiente en el cual el estado de transicin es estabilizado (por ejemplo, forzando la forma de un sustrato: la enzima produce un cambio de conformacin del sustrato unido el cual pasa a un estado de transicin, de modo que ve reducida la cantidad de energa que precisa para completar la transicin).

Reduciendo la energa del estado de transicin, sin afectar la forma del sustrato, mediante la creacin de un ambiente con una distribucin de carga ptima para que se genere dicho estado de transicin.

Proporcionando una ruta alternativa. Por ejemplo, reaccionando temporalmente con el sustrato para formar un complejo intermedio enzima/sustrato (ES), que no sera factible en ausencia de enzima.

Reduciendo la variacin de entropa necesaria para alcanzar el estado de transicin (energa de activacin) de la reaccin mediante la accin de orientar correctamente los sustratos, favoreciendo as que se produzca dicha reaccin.

Incrementando la velocidad de la enzima mediante un aumento de temperatura. El incremento de temperatura facilita la accin de la enzima y permite que se incremente an ms su velocidad de reaccin. Sin embargo, si la temperatura se eleva demasiado, la conformacin estructural de la enzima puede verse afectada, reduciendo as su velocidad de reaccin, y solo recuperando su actividad ptima cuando la temperatura se reduce. No obstante, algunas enzimas son termolbiles y trabajan mejor a bajas temperaturas.

Cabe destacar que este efecto entrpico implica la desestabilizacin del estado basal,33 y su contribucin a la catlisis es relativamente pequea.34

Estabilizacin del estado de transicin[editar]

La comprensin del origen de la reduccin del valor de G en una reaccin enzimtica requiere elucidar previamente cmo las enzimas pueden estabilizar su estado de transicin, ms que el estado de transicin de la reaccin. Aparentemente, la forma ms efectiva para alcanzar la estabilizacin es la utilizacin de fuerzas electrostticas, concretamente, poseyendo un ambiente polar relativamente fijado que pueda orientarse hacia la distribucin de carga del estado de transicin. Ese tipo de ambientes no existen ni se generan en ausencia de enzimas.35

Dinmica y funcin[editar]

La dinmica interna de las enzimas est relacionada con sus mecanismos de catlisis.36 37 38 La dinmica interna se define como el movimiento de diferentes partes de la estructura de la enzima, desde residuos individuales de aminocidos, hasta grupos de aminocidos o incluso un dominio proteico entero. Estos movimientos se producen a diferentes escalas de tiempo que van desde femtosegundos hasta segundos. Casi cualquier residuo de la estructura de la enzima puede contribuir en el proceso de catlisis por medio de movimientos dinmicos.39 40 41 42 Los movimientos de las protenas son vitales en muchas enzimas. Dichos movimientos podrn ser ms o menos importantes segn si los cambios conformacionales se producen por vibraciones pequeas y rpidas o

grandes y lentas, y dicha importancia depender del tipo de reaccin que lleve a cabo la enzima. Sin embargo, aunque estos movimientos son importantes en el proceso de unin y liberacin de sustratos y productos, an no est claro si estos movimientos ayudan a acelerar los pasos qumicos de las reacciones enzimticas.43 Estos nuevos avances tambin tienen implicaciones en la comprensin de los efectos alostricos y en el desarrollo de nuevos frmacos.

EspecificidadModelo de la "llave-cerradura"Modelo del encaje inducido

Mecanismos[editar]Estabilizacin del estado de transicin[editar]Dinmica y funcin[editar]