Por: Carlos del Porto Blanco
Citas
Las enzimas son moléculas esenciales que facilitan y aceleran las reacciones
químicas en todo lo vivo.
Esas proteínas actúan como catalizadores biológicos, permitiendo que las reacciones ocurran a una velocidad adecuada para el
funcionamiento de las células y por tanto de los organismos vivos.
Este es el tema que escogí para el día de hoy.
¿Qué son las enzimas?
Las enzimas son moléculas orgánicas que actúan como catalizadores de reacciones químicas (disparan, aceleran, modifican, enlentecen e incluso detienen), siempre que sean termodinámicamente posibles.
Comúnmente son de naturaleza proteica, pero también de ARN. Las enzimas modifican la velocidad de reacción, sin afectar el equilibrio de la misma.
Son sustancias reguladoras en el cuerpo de los seres vivos, por lo general disminuyendo la energía inicial requerida para poner en marcha la reacción.
Las enzimas no son consumidas en las reacciones que catalizan, ni alteran su
equilibrio químico. Sin embargo, las enzimas difieren de otros catalizadores por
ser más específicas.
Existen gran diversidad de enzimas que catalizan alrededor de 4000 reacciones bioquímicas distintas, siempre que sean estables las condiciones de pH, temperatura o concentración química.
Las enzimas, al ser proteínas, pueden también desnaturalizarse y perder su efectividad.
No todos los catalizadores bioquímicos son proteínas, pues algunas moléculas de
ARN son capaces de catalizar reacciones.
También cabe nombrar unas moléculas sintéticas denominadas enzimas artificiales capaces de catalizar reacciones químicas como las enzimas clásicas.
Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos y su velocidad aumenta solo con algunas reacciones, el conjunto de enzimas
presentes en una célula determina el tipo de metabolismo que tiene esa célula.
A su vez, esa presencia depende de la regulación de la expresión génica
correspondiente a la enzima.
Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo la energía de activación de una reacción, de forma que la presencia de la ésta acelera sustancialmente la tasa de 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 en escalas
de 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.
La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras moléculas.
Los inhibidores enzimáticos son moléculas que disminuyen o impiden la actividad
de las enzimas, mientras que los activadores son moléculas que incrementan
dicha actividad.
Asimismo, gran cantidad de enzimas requieren de cofactores para su actividad.
Muchas drogas o fármacos son moléculas inhibidoras.
Las enzimas hoy en día son ampliamente conocidas y de hecho aprovechadas
por diversas industrias humanas (alimentaria, química, agricultura, petróleo, y otras), además de formar parte indispensable de los componentes que
mantienen el balance interno de los seres vivos, acelerando reacciones
necesarias (como aquellas que suministran energía), activando y desactivando
otras selectivamente (como hacen las hormonas) y un variopinto etcétera.
Etimología e historia
Desde finales del siglo XVIII y principios del XIX, se conocía la digestión de la carne por las secreciones del estómago y la conversión del almidón en azúcar por los extractos de plantas y la saliva. Sin embargo, no había sido identificado el mecanismo subyacente.
La primera enzima fue descubierta por Anselme Payen y Jean-François Persoz en 1833.
En el siglo XIX, cuando se estudiaba la fermentación del azúcar en el alcohol
con levaduras, Louis Pasteur llegó a la conclusión de que esa fermentación era
catalizada por una fuerza vital contenida en las células de la levadura, llamadas fermentos, e inicialmente se pensó que 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».
Por el contrario, otros científicos de la época como Justus von Liebig, se mantuvieron en la posición que defendía el carácter puramente químico de la reacción de fermentación.
En 1878 el fisiólogo Wilhelm Kühne acuñó el vocablo “enzima”, que viene del griego ???????, “en levadura”, para describir ese proceso. El vocablo “enzima” fue empleado después para referirse a sustancias inertes como la pepsina.
Por otro lado, la palabra “fermento” solía referirse a la actividad química producida
por organismos vivientes.
En 1897 Eduard Buchner comenzó a estudiar la capacidad de los extractos de
levadura para fermentar azúcar a pesar de 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 los cultivos de células de levaduras.
Llamó a la enzima que causa la
fermentación de la sacarosa, “zimasa”.
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.
Normalmente, el sufijo «-asa» es agregado al nombre del sustrato (por jemplo, la
lactasa es la enzima que degrada lactosa) o al tipo de reacción (la ADN polimerasa forma polímeros de ADN).
Tras haber mostrado que las enzimas pueden funcionar fuera 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 catalasa 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 con diversas enzimas digestivas como la pepsina (1930), la tripsina y la quimotripsina.
Esos tres científicos recibieron el Premio Nobel de Química en 1946.
El descubrimiento de que las enzimas podían ser cristalizadas permitía que sus
estructuras fuesen resueltas mediante técnicas de cristalografía y difracción de
rayos X.
Eso se llevó a cabo en primer lugar con la lisozima, una enzima encontrada en las lágrimas, 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.
Esa estructura de alta resolución de las
lisozimas, marcó el comienzo en el campo de la biología estructural y el esfuerzo por entender cómo las enzimas trabajan en el orden molecular.
¿Qué tipos de enzimas existen?
Las enzimas se clasifican según el tipo de reacción química que catalizan, existen seis tipos de enzimas:
?Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de óxido-reducción, o sea,
transferencia de electrones o de átomos de hidrógeno de un sustrato a
otro. Ejemplo: las enzimas deshidrogenasa y c oxidasa.
?Transferasas: Catalizan la transferencia de un grupo químico específico
diferente del hidrógeno, de un sustrato a otro. Ejemplo: quinasas.
?Hidrolasas: Se ocupan de las reacciones de hidrólisis (ruptura de
moléculas orgánicas mediante moléculas de agua). Ejemplo, lactasa y
lipasas.
?Liasas: Catalizan la ruptura o la soldadura de los sustratos. Ejemplo,
acetato descarboxilasa.
?Isomerasas: Catalizan la interconversión de isómeros, es decir,
convierten una molécula en su variante geométrica tridimensional.
Cambian la forma de una molécula sin romper enlaces. Ejemplo:
epimerasas.
?Ligasas: Hacen la catálisis de reacciones específicas de unión de sustratos, mediante la hidrólisis simultánea de nucleótidos de trifosfato (tales como el ATP o el GTP). Ejemplo: sintetasas.
¿Qué estructura tienen las enzimas?
La mayoría de las enzimas se componen de proteínas globulares de tamaño muy variable: desde monómeros de 62 aminoácidos, hasta enormes cadenas
de alrededor de 2500 aminoácidos.
Sin embargo, apenas unos pocos de ellos
son los involucrados directamente en la catálisis de la reacción, conocidos
como centro activo.
La secuencia en que se ensamblen todos esos aminoácidos determina la estructura tridimensional de la enzima, lo cual
dictamina también su funcionamiento específico.
A veces esa estructura también posee sitios para atraer cofactores, es decir, otras sustancias cuya intervención es necesaria para producir el efecto buscado.
Sólo una determinada región de la enzima, llamada sitio activo, se une al sustrato.
El sitio activo es un surco o bolsillo formado por el patrón de plegamiento de la proteína. Esa estructura tridimensional, junto con las
propiedades químicas y eléctricas de los aminoácidos y cofactores dentro del sitio activo, permite que sólo un sustrato particular se una al sitio, determinando
así la especificidad de la enzima.
Las actividades de las enzimas vienen determinadas por su estructura
tridimensional, la cual viene a su vez determinada por la secuencia de
aminoácidos.
Sin embargo, aunque la estructura determina la función, predecir una nueva actividad enzimática basándose únicamente en la estructura de una proteína es muy difícil, y un problema aún no resuelto.
Casi todas las enzimas son mucho más grandes que los sustratos sobre los que actúan, y solo una pequeña parte de la enzima (alrededor de 3 a 4 aminoácidos) está directamente involucrada en la catálisis.
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 las proteínas, pueden ser
desnaturalizadas si se ven sometidas a agentes desnaturalizantes como el calor, los pH extremos o ciertos compuestos.
Esos agentes destruyen la estructura terciaria de las proteínas de forma reversible o irreversible,
dependiendo de la enzima y de la condición.
Una consecuencia de la desnaturalización es la pérdida o merma de la función, de la capacidad enzimática.
Las enzimas son altamente específicas, es decir, no reaccionan con cualquier
cosa ni intervienen en cualquier reacción.
Tienen un cometido bioquímico muy
puntual y preciso, que llevan a cabo con un porcentaje bajísimo de errores.
¿Qué propiedades tienen las enzimas?
Como principales propiedades de las enzimas se pueden mencionar las
siguientes:
?Son catalizadores biológicos, es decir, aceleran las reacciones químicas
en los sistemas biológicos.
?Son solubles en agua, lo que les facilita su función catalizadora.
?Su actividad se ve afectada bajo cambios de temperatura, pH y otros
factores químicos.
?Son específicas, es decir, solo actúan sobre una sustancia o grupo de
sustancia afines.
¿Cuáles son las características de las enzimas?
Como principales características de las enzimas se pueden mencionar:
?Suelen ser proteínas de forma globular y estructuras tridimensionales.
?Pueden encontrarse en el citoplasma, en membranas plasmáticas,
orgánulos y demás estructuras.
?Son solubles en agua, lo que les permite dispersarse fácilmente en el
citoplasma de la célula.
?De no existir las enzimas los procesos químicos ocurrirían tan
lentamente que no sería posible la vida.
¿Cómo actúan las enzimas?
Las enzimas pueden operar de distinto modo, aunque siempre disminuyendo la
energía de activación de una reacción química, es decir, la cantidad de energía
necesaria para ponerla en marcha. Esos modos diferentes son:
?Ambientar. Se reduce la energía de activación creando un ambiente
propicio para que la reacción se dé, por ejemplo, modificando las
propiedades químicas del sustrato a través de reacciones con su propia
capa de aminoácidos.
?Propiciar la transición. Se reduce la energía de transición sin modificar
el sustrato, es decir, creando un ambiente con cargas óptimas para que
la reacción se produzca.
?Dar una ruta alternativa. En ese caso las enzimas reaccionan con el
sustrato para generar un complejo (Enzima/Sustrato) que se “salta
pasos” en el camino ordinario de la reacción, disminuyendo el tiempo
necesario para que se produzca.
?Aumentar la temperatura.
Dentro de ciertos parámetros, la acción de la
enzima puede acelerarse mediante un aumento en los niveles de energía
calórica, dado mediante reacciones exotérmicas paralelas.
En la mayoría de las reacciones químicas existe una barrera energética que
debe superarse para que se produzca la reacción.
Esa barrera evita que moléculas complejas como proteínas y ácidos nucleicos se degraden espontáneamente y, por tanto, es necesaria para la preservación de la vida.
Sin embargo, cuando se requieren cambios metabólicos en una célula, algunas de
esas moléculas complejas deben descomponerse y superar esa barrera
energética.
El calor podría proporcionar la energía adicional necesaria (llamada energía de activación), pero el aumento de temperatura mataría la célula.
La alternativa es reducir el nivel de energía de activación mediante el uso de un catalizador, ese es el papel que desempeñan las enzimas.
Reaccionan con el sustrato para formar un complejo intermedio (un “estado de transición”) que requiere menos energía para que se desarrolle la reacción.
El compuesto intermedio inestable se descompone rápidamente para formar productos de reacción y la enzima sin cambios queda libre para reaccionar con otras moléculas de sustrato.
La síntesis y actividad enzimática también están influenciadas por el control
genético y la distribución en una célula.
Algunas enzimas no son producidas
por ciertas células y otras se forman sólo cuando es necesario.
Las enzimas no siempre se encuentran uniformemente dentro de una célula; a menudo están compartimentados en el núcleo, en la membrana celular o en estructuras subcelulares.
Las tasas de síntesis y actividad enzimática están influenciadas aún más por hormonas, neurosecreciones y otras sustancias químicas que afectan el entorno interno de la célula.
¿Qué importancia tienen las enzimas?
Las enzimas son cruciales para numerosos procesos biológicos e industriales.
En el cuerpo humano, ayudan en la digestión, la respiración celular y la
reparación del ADN.
En la industria, se utilizan en la producción de alimentos, medicamentos, bebidas y detergentes, entre otros usos. Por ejemplo, se utilizando enzimas para crear biocombustibles más sostenibles y para diseñar tratamientos más eficaces para enfermedades.
En resumen, las enzimas son fundamentales para la vida y la tecnología
moderna.
Su estudio y aplicación continúan revolucionando diversos campos, mejorando la calidad de vida humana y tratando de promover un futuro más
sostenible.
Referencias.
?Enzima. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Enzima
?Enzimas. Concepto. https://concepto.de/enzimas/
?Enzimas. Enciclopedia Iberoamericana. https://
enciclopediaiberoamericana.com/enzimas/
?Ezime. Enciclopedia Británica. https://www.britannica.com/science/
enzyme