LAS ENZIMAS

 

A finales del 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 vegetales y la saliva. L. Pasteur al estudiar la fermentación del azúcar en el alcohol con levaduras, concluyó que la fermentación era catalizada por las células de la levadura (de aquí su primer nombre de fermentos). En 1828 Wöhler sintetizó la urea a partir de compuestos inorgánicos demostrando que los compuestos que forman los seres vivos se pueden sintetizar a partir de sustancias inertes.

La teoría sobre la catálisis química publicada por J.J. Berzelius en 1835, incluía un ejemplo de lo que hoy conocemos como enzima, la diastasa de la malta. En 1878 W. F. Kühne acuñó el término enzima para describir el proceso. En 1897 E. Buchner estudió la habilidad de los extractos de levadura para fermentar azúcar debido a la ausencia de células vivientes de levadura (sacarosa), por lo que en 1907 recibió el Nobel de Química, y siguiendo su ejemplo, las enzimas son usualmente nombradas de acuerdo con la reacción que producen.

Al inicio la actividad enzimática estaba asociada con las proteínas, pero algunos científicos (como el Premio Nobel R. Willstätter) argumentaban que las proteínas per se no eran capaces de realizar catálisis, y sólo eran el transporte. Sin embargo, en 1926, J. B. Sumner demostró que la ureasa era una proteína pura y la cristalizó, y en 1937 hizo lo mismo con la catalasa. Luego J. Howard Northrop y W. Meredith Stanley probaron que las proteínas puras podían ser enzimas digestivas como la pepsina, tripsina y quimotripsina, y recibieron el Nobel de Química en 1946.

Las enzimas son catalizadores biológicos, solubles en agua, muy específicas, es decir, sólo actúan sobre una sustancia o grupo de sustancia afines, y esenciales para el funcionamiento del organismo pues mejoran procesos como el digestivo, el circulatorio, el inmunológico, el de cicatrización y las acciones depurativas y desintoxicantes.

Las enzimas están formadas por dos partes, el apoenzima o soporte de naturaleza proteica que determina la especificidad de la reacción enzimática, y la coenzima o parte no proteica, que funciona como aceptor de electrones o de grupos funcionales. Las enzimas son muy específicas, y tienen un cometido bioquímico muy puntual y preciso que llevan a cabo con un porcentaje muy bajo de error. Para desarrollar su labor, requieren de una serie de elementos:

• Catalizador. Sustancia que acelera una reacción química sin sufrir cambios.
• Sustrato. Molécula de reactivo sobre la que funciona una enzima. Cada molécula sólo actúa sobre un tipo de sustrato.
• Enzima. Catalizador biológico que genera un nuevo producto, al unirse a un sustrato próximo.
• Coenzima. Necesario para la activación y que su proceso se lleve a cabo de manera satisfactoria (vitaminas y minerales).
• Sitio activo. Parte de la enzima donde se une el sustrato. Si la enzima cambia de forma, y encaja con el sustrato, forma el complejo enzima/sustrato.

Función de las enzimas.

Las enzimas son catalizadores proteicos (pueden originarse en el ARN) que catalizan (disparan, aceleran, modifican, enlentecen y detienen) reacciones químicas. Catalizan unas 4000 reacciones enzimáticas sin alteran su equilibrio químico.

La función principal consiste en acelerar, hasta millones de veces, las reacciones químicas celulares sin consumirse.

Todas (menos las ribozimas) se componen sólo por cadenas polipeptídicas o tienen, adicionalmente, otro grupo no proteico, de modo que la estructura tridimensional de las enzimas está determinada por los enlaces de sus aminoácidos.

La mayoría se compone de proteínas de tamaño muy variable, desde monómeros de 62 aminoácidos, hasta cadenas con 2500 (sintasa). Casi todas son mucho más grandes que los sustratos donde actúan, y sólo una pequeña parte de ella (3 o 4 aminoácidos) está directamente involucrado en la catálisis de la reacción conocido como “centro activo”. A veces esta estructura también posee sitios para atraer cofactores cuya intervención es necesaria para la catálisis, o para unir pequeñas moléculas, como los sustratos o productos (directos o indirectos) de la reacción catalizada. Estas uniones pueden incrementar o disminuir la actividad enzimática, regulándose por retroalimentación.

Clasificación de las enzimas.

El nombre de las enzimas se realiza, en general, añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato que forma, así la ureasa es la enzima que cataliza la hidrólisis de la urea, la lactasa (su escasez acarrea intolerancia a la lactosa) descompone la lactosa para que el organismo la digiera y origine galactosa y glucosa. Sin embargo, muchas enzimas tienen nombres sin relación con el sustrato (pepsina o tripsina). Hoy se ha adoptado, por una base sistemática de identificación y clasificación, basado en el tipo de reacción que cataliza la enzima, con seis clases principales, cada una de las cuales posee subclases. A cada enzima se le asigna un número de cuatro cifras y un nombre sistemático que identifica la reacción que cataliza.

Se dividen en dos grandes grupos.

• Catabolismo: cuando ingerimos un alimento, el organismo necesita descomponerlo en moléculas más pequeñas para obtener sus nutrientes esenciales, que utiliza como fuente de energía. Así es como las proteínas se descomponen en aminoácidos y los hidratos de carbono en glucosa.
• Anabolismo: es el proceso por el que se hace uso de la energía y los nutrientes obtenidos para desarrollar células y tejidos corporales. El organismo combina los nutrientes esenciales con el ADN de cada individuo. Aunque existen determinadas enzimas con funciones anabólicas, lo cierto es que casi el 100 % de ellas se utilizan en el proceso catabólico.

De modo práctico podemos clasificarlas en tres grupos:

• Las digestivas son secretadas a lo largo del tubo digestivo y ayudan al organismo a aprovechar eficazmente los nutrientes de los alimentos que conforman nuestra dieta.
• Las metabólicas se producen en el interior de las células y contribuyen a la eliminación de sustancias de deshecho y toxinas. Intervienen en la obtención de energía, la regeneración celular y en el buen funcionamiento del S. inmunológico.
• Las dietéticas o enzimas de los alimentos, que al igual que las digestivas favorecen los procesos digestivos y el funcionamiento de otras enzimas. Forman parte de la composición de alimentos crudos, y su mayor parte se destruye por el calor.

La clasificación internacional las agrupa en seis grandes grupos en función de su acción específica:

• Oxidorreductasas. Intervienen en procesos de fermentación y respiración, con la función de transferir electrones y átomos, como las deshidrogenasas y peroxidasas. Son esenciales en cadenas metabólicas como la de la glucosa.
• Transferasas. Transfieren grupos activos (obtenidos de la ruptura de ciertas moléculas sobre todo de amina o glucósido) a otras sustancias receptoras. Transaminasas y quinasas.
• Hidrolasas. Verifican reacciones de hidrólisis con la obtención de monómeros a partir de polímeros. Actúan en la digestión, y de manera directa sobre las moléculas de protoplasma. Lactasa. Glucosidasas. Lipasas. Esterasas.
• Isomerasas. Actúan sobre determinadas moléculas obteniendo de ellas sus isómeros de función o de posición. Catalizan la transferencia de grupos en el interior de las moléculas para dar formas isómeras, como las epimerasas (mutasa).
• Liasas. Catalizan la ruptura o soldadura de los sustratos. El sustrato por acción de la enzima se transforma y libera del sitio activo, quedando libre para recibir otro sustrato. Actúan sobre los enlaces entre los átomos de carbono y azufre, nitrógeno y oxígeno. Catalizan la adición de grupos a los dobles enlaces o a la inversa. Descarboxilasas, liasas.
• Ligasas o sintetasas. Realizan la degradación o síntesis de los enlaces de sustratos con el acoplamiento a sustancias de alto valor energético (ATP o GPT). Sintetasas, carboxilasas.

Factores que afectan a la actividad enzimática.

Las enzimas siempre disminuyen la energía de activación de una reacción química. Los diferentes factores son:

• Ambientar. Se reduce la energía de activación creando un ambiente propicio en las propiedades del sustrato a través de reacciones químicas para que la reacción se produzca.
• Propiciar la transición. Se reduce la energía de transición sin modificar el sustrato, es decir, creando cargas óptimas para que la reacción se realice.
• Dar una ruta alternativa. Las enzimas reaccionan con el sustrato para generar un complejo ES (enzima/sustrato) que disminuye el tiempo necesario para que se produzca la reacción.
• Temperatura. En general aumentar la temperatura acelera una reacción, y bajarla la hace más lenta. Pero temperaturas muy altas pueden causar que se desnaturalice, y disminuya su acción hasta llegar a destruirla.
• El pH. Determina que su carga sea positiva, negativa o neutra. Cada enzima tiene un rango óptimo entre 5 y 7. Cambiarlo fuera de este rango hace más lenta la actividad enzimática, y valores de pH extremos la desnaturalizan.
• Concentración. Las enzimas actúan en cantidades muy pequeñas debido, a que no se gastan en su acción. Aumentar la concentración acelera la reacción, pero una vez que todo el sustrato esté adherido, la reacción deja de acelerarse. Cuando todas las enzimas se han adherido, cualquier aumento de sustrato no tendrá efecto alguno en la velocidad de reacción, ya que las enzimas disponibles estarán saturadas y trabajando a su máxima capacidad.
• Solubilidad. Las enzimas son, salvo raras excepciones, solubles en el agua, lo que facilita su solubilidad en las células.
• Activadores. Son las moléculas que incrementan la actividad. Los que se necesitan con más frecuencia son los iones de hierro, cobre, manganeso, magnesio, cobalto y zinc.
• Inhibidores. Son las moléculas que disminuyen la actividad de las enzimas, y se clasifican 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.

Características de las enzimas.

Naturaleza proteica. Son proteínas globulares de estructura tridimensional, formadas por numerosos aminoácidos, que se agrupan a través de uniones peptídicas, formando largas cadenas que forman espirales, enrollamientos y plegamientos. Catalizan, siempre que sean estables las condiciones de pH, temperatura o concentración química, de manera que la homeostasis se mantiene intacta. Como cualquier ser vivo, las enzimas nacen, desarrollan su función, envejecen y, finalmente mueren devoradas por otras tras cumplir su función. De este modo, en el organismo se mantiene un equilibrio enzimático en el que predominan las enzimas con mayor fortaleza y que, por tanto, resultan más productivas.

Especificidad. Las enzimas tienen una alta especificidad tanto del tipo de reacción que catalizan como del sustrato involucrado en la reacción, lo que significa que pueden “reconocer” al compuesto químico que deben procesar y anclarlo en el “sitio activo”. A veces, compuestos muy parecidos pueden insertarse en el mismo sitio activo, a esto se le llama “inhibición competitiva” de una reacción. Las enzimas que producen metabolitos secundarios se llaman promiscuas, ya que pueden actuar en un amplio rango de sustratos.

Diferente localización. Algunas enzimas se localizan en el citosol (líquido celular), en las membranas plasmáticas, o en ciertos orgánulos (mitocondrias, peroxisomas, cloroplastos) y demás estructuras. Unas enzimas son liberadas hacia el exterior de la célula (extracelulares), mientras que otras permanecen siempre en el interior (intracelulares).

Diferentes condiciones óptimas. Las enzimas suelen ser activas en determinado rango de condiciones de temperatura y pH, donde su velocidad de reacción es máxima. La mayoría de las enzimas funcionan bien a 36-37 °C (temperatura corporal). A veces hay subgrupos dentro de un mismo tipo de enzima con diferentes óptimos de pH (fosfatasas ácidas y alcalinas). Se debe tener presente que a veces el cambio de unos pocos aminoácidos puede significar la reducción de la actividad de una enzima o incluso la pérdida total de su actividad. Algunos compuestos pueden unirse a la enzima, no en el sitio activo, y motivar un cambio que derive en su activación. A estos se los llama activadores o efectores alostéricos.

Mínima concentración. Sólo es necesario una cantidad muy pequeña de estas proteínas para llevar adelante los procesos metabólicos normales, que en cuestión de segundos transforman un compuesto o varios en otro.

A menudo requieren cofactores. Algunas enzimas necesitan de la presencia de otras sustancias no proteicas para operar. Estas suelen ser iones metálicos (cobre, manganeso, magnesio) o sustancias orgánicas (coenzimas).