1. Tema 7. Enzimas Bioquímica
TEMA 7
ENZIMAS I
1. Introducción
2. Las enzimas como catalizadores
3. Nomenclatura y clasificación de enzimas
4. Cofactores enzimáticos
5. Modelos de actuación de las enzimas
1. Introducción
La vida depende de la existencia de unos catalizadores muy potentes y altamente
específicos denominados enzimas. De hecho, todos los pasos de todos los
procesos metabólicos están catalizados por enzimas y la capacidad catalítica se
considera, junto con la capacidad de autorreplicación, una de las características
fundamentales de la vida. Con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de
RNA catalítico (los ribozimas), todas las enzimas conocidas son proteínas.
El nombre de enzima ("en la levadura") no se empleó hasta 1877, pero mucho antes
ya se sospechaba que ciertos catalizadores biológicos intervenían en muchos
procesos. Así en 1850, Louis Pasteur concluyó que la fermentación de azúcar en
alcohol por levaduras estaba catalizada por lo que llamó “fermentos”, que él
consideraba inseparable de las células de levadura vivas. En 1897, Büchner,
consiguió extraer las enzimas que catalizaban la fermentación alcohólica de las
células de levadura, terminando así con la teoría vitalista. No obstante hubo que
esperar hasta 1926, cuando Sumner consiguió purificar y cristalizar por primera vez
una enzima, la ureasa, para demostrar su naturaleza proteica. En la actualidad se
conocen más de 2000 enzimas diferentes, muchas de las cuales se han aislado en
forma pura. Se utilizan potentes técnicas de purificación y secuenciación, técnicas de
difracción de rayos X, RMN, etc., para conocer sus envíeles estructurales, y técnicas
de mutagénesis dirigida para conocer más sobre su funcionalidad y sus mecanismos
de actuación.
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2. Las enzimas como catalizadores
La función principal de las enzimas es actuar como catalizadores de las reacciones
de los seres vivos; como tales catalizadores tienen ciertas características que vamos
a estudiar a continuación. Todas las reacciones químicas tienen lugar porque cierta
fracción de la población de moléculas reactantes poseen la suficiente energía como
para alcanzar un estado activado, llamado estado de transición, en el que es muy
elevada la probabilidad de que se rompan o se establezcan enlaces para formar los
productos. Este estado de transición reside en la cima de la barrera energética que
separa los reactantes de los productos, como muestra la Figura 1. En ella se
observa el diagrama de energía para una reacción química, no catalizada y
catalizada, donde la energía libre de activación es la cantidad de energía necesaria
para llevar todas las moléculas de un mol de sustancia, a una temperatura
determinada, al estado de transición.
Figura 1.
Evolución energética de una reacción química. Se observa
la diferencia energética entre los estados de transición de las
reacciones catalizada y no catalizada.
Existen dos métodos generales mediante los cuales puede acelerarse la velocidad
de una reacción química. Uno de ellos es la elevación de la temperatura (ya que
provoca un incremento en la velocidad de las moléculas); el otro consiste en utilizar
un catalizador. El catalizador se combina con los reactantes de modo transitorio
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activándolos, produciendo un estado de transición de menor energía que en la
reacción no catalizada. Una vez formados los productos el catalizador queda libre, y
puede ser de nuevo utilizado. Las enzimas disminuyen la energía de activación, de
tal forma que aumentan la velocidad de la reacción catalizada, sin afectar a las
funciones termodinámicas ni a las constantes de equilibrio.
La Tabla 1 muestra una comparación de las energías de activación para la
descomposición del peróxido de hidrógeno, en ausencia o presencia de un
catalizador. En ella se puede apreciar cómo el catalizador enzimático baja aún más
la barrera energética que ha de superarse desde el nivel de reactivos para alcanzar
el estado de transición. Esta es una característica común de las enzimas. Su alto
poder catalítico se debe en parte a su alta especificidad por los sustratos, la cuál
puede ser absoluta para un único sustrato o relativa, cuando permite la reacción de
compuestos diferentes pero con una estructura similar.
Tabla 1
Descomposición enzimática del agua oxigenada. comparación de
las energías de activación para la descomposición del peróxido de
hidrógeno, en ausencia o presencia de un catalizador
Reacción Catalizador Temperatura Energía
(ºC) (Kcal/mol)
Descomposición Ninguno 20 18
de H2O2
Fe2+ 22 10
Catalasa 22 1,7
La especificidad de las enzimas es muy importante para los seres vivos. Cada célula
contiene varios cientos de miles de compuestos diferentes, y existen muchas
combinaciones posibles entre las reacciones químicas que estos compuestos
pueden experimentar. Las enzimas cuidan de que tengan lugar, de manera
específica, aquellas reacciones que son esenciales e indispensables para que la
célula viva.
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Además de la especificidad y la alta eficiencia, otras dos características que
diferencian a las enzimas de los catalizadores químicos, son que las enzimas
pueden saturarse por sustrato y tienen capacidad para regular su actividad.
3. Nomenclatura y clasificación de las enzimas
Muchas enzimas han sido designadas añadiendo el sufijo -asa al nombre del
sustrato, es decir, la molécula sobre la cuál ejerce su actividad catalítica. Por
ejemplo la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea, y la arginasa cataliza la hidrólisis
de la arginina. Otras enzimas han recibido su nombre en función del tipo de reacción
que catalizan; así la Gliceraldehído-3-fosfato-deshidrogenasa cataliza la
deshidrogenación (oxidación) del Gliceraldehído-3-fosfato a 3-fosfoglicerato. Incluso
algunas se conocen de hace mucho tiempo y mantienen su nombre, sin dar
información alguna del sustrato o la reacción que catalizan (tripsina).
No obstante, existe una clasificación sistemática de las enzimas que las divide en
6 grandes grupos, cada uno de los cuales se divide a su vez en subclases:
1: Oxido-reductasas (reacciones de oxido-reducción)
2: Transferasas (transfieren grupos funcionales)
3: Hidrolasas (reacciones de hidrólisis),
4: Liasas (reacciones de adición a los dobles enlaces)
5: Isomerasas (reacciones de isomerización)
6: Ligasas (formación de enlaces con consumo de ATP).
A cada enzima se le asigna un número con cuatro dígitos. Los tres primeros indican
la clase, subclase y sub-subclase, respectivamente, y el último es un número de
orden.
La Tabla 2 muestra la clasificación internacional de las enzimas en los seis grupos
antes citados.
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Tabla 2
Clasificación internacional de enzimas.
Así, por ejemplo, la enzima alcohol
deshidrogenasa (EC,1.1.1.1), es una
oxidoreductasa (1.), que cataliza la
oxidación de etanol (1.1.) a
acetaldehído, utilizando NAD+
(1.1.1.) como aceptor de electrones y
por lo tanto pertenece al grupo 1, se
designa como EC 1.1.1.1.
4. Cofactores enzimáticos
La actividad de algunas enzimas depende solamente de su estructura como
proteína, mientras que otras necesitan, además, uno o más componentes no
proteicos, llamados cofactores. El cofactor puede ser un ion metálico o bien una
molécula orgánica, llamada coenzima, aunque algunos enzimas necesitan de
ambos. El cofactor puede estar fuertemente unido a la proteína (suele ser el ión
metálico, aunque puede igualmente ser un coenzima) y recibe entonces el nombre
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de grupo prostético, o débilmente unido, por lo que en realidad actúa como un
sustrato específico de la enzima (co-sustrato; suele ser una molécula orgánica,
coenzima).
El complejo enzima-cofactor catalíticamente activo recibe el nombre de holoenzima.
Cuando se separa el cofactor, la proteína restante, que por sí misma es inactiva
catalíticamente, se designa con el nombre de apoenzima.
HOLOENZIMA = APOENZIMA + COFACTOR
Centro activo
Apoenzima
Holoenzima
Cofactor
En las enzimas el cofactor puede actuar como centro catalítico primario, grupo
puente para reunir el sustrato y la enzima ó agente estabilizante de la actividad
enzimática (conformación).
La Tabla 3 muestra una relación de iones metálicos que actúan como cofactores de
enzimas.
Tabla 3
Iones metálicos como cofactores.
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Por su parte, cada uno de los coenzimas catalogados suele contener en su
estructura, alguna vitamina (sustancias orgánicas que, en cantidades mínimas, son
vitales para el funcionamiento de todas las células, y deben figurar en la dieta de
algunas especies) o molécula derivada de ella.
Los coenzimas actúan por lo general como transportadores intermedios de átomos
específicos o de electrones.
La Tabla 4 muestra algunos de los coenzimas más habituales en la catálisis
enzimática.
Tabla 4
Algunos coenzimas mayoritarios en catálisis enzimática.
Entre las distintas cofactores enzimáticos, el NAD+/NADH (nicotinamida adenin
dinucleótido) y el FAD/FADH2 (falvin adenin dinucleótido), en sus forma
oxidada/reducida, constituyen coenzimas esenciales en el metabolismo, como
aceptores, transportadores y donadores electrónicos. La siguiente figura muestra el
par redox NAD+/NADH.
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Estructura del NAD(P)H en su forma
oxidada y reducida, ambas requieren
como precursor la vitamina “ácido
nicotínico” (en azul).
El ácido nicotínico es una vitamina precursora del NADH y del NADPH, su falta
produce una enfermedad conocida con el nombre de pelagra, aunque nuestro
organismo puede producir esta vitamina a partir del aminoácido triptófano, en dietas
pobres en proteínas, en la que está limita el aporte del aminoácido, se puede
producir la deficiencia.
5. Modelos de actuación de las enzimas
Para explicar la actividad catalítica de las enzimas, se ha propuesto un mecanismo
general, en dos etapas:
S + E ES P + E
En la primera etapa, la enzima (E) se une a la molécula de sustrato (S), para formar
el complejo enzima-sustrato (ES). En una segunda etapa, el complejo se fragmenta
dando lugar al producto (P) y a la enzima (E), que vuelve a estar disponible para
reaccionar con otra molécula de sustrato.
Por lo general, la molécula de enzima es mucho mayor que la del sustrato por lo que
sólo una pequeña parte de la enzima está implicada en la formación del complejo;
esta región que interacciona con el sustrato y en la que tiene lugar la reacción, se
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denomina sitio activo de la enzima. El sitio activo es un dominio tridimensional de la
enzima con una distribución de los grupos única para posibilitar la unión a su
sustrato específico. Dichos grupos del enzima no tienen por qué ser necesariamente
consecutivos en la secuencia de la proteína y reciben el nombre de centros
catalíticos.
El modelo más conocido sobre el mecanismo de reacción de las enzimas es el de
Fischer, quien propuso que la molécula de sustrato se adapta al centro activo de la
enzima del mismo modo que lo haría una llave al encajar en una cerradura, es decir,
que tienen una relación estructural complementaria (Figura 2). No obstante, esta
hipótesis tiene ciertas limitaciones, así si el centro activo posee una estructura
prediseñada para el sustrato, en caso de que sea un proceso reversible, dicho sitio
activo también debería estar perfectamente diseñado para que encaje el producto de
la reacción. De la misma forma, la teoría de la llave-cerradura tampoco explica bien
algunos fenómenos de inhibición enzimática.
Figura 2.
Modelos de acción enzimática. Modelo llave-cerradura de
Fischer.
Otra hipótesis más aceptada actualmente es la del enzima flexible o de ajuste
inducido (modelo de Koshland), que sugiere que el sitio activo no necesita ser una
cavidad geométricamente rígida y preexistente, sino que dicho sitio activo debe tener
una disposición espacial, precisa y específica, de ciertos grupos de la enzima que al
interaccionar con el sustrato se adaptan y ajustan a su estructura (Figura 3).
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Figura 3.
Modelos de acción enzimática. Modelo de ajuste inducido de
Koshland.
Independientemente del modelo, una vez formado el complejo enzima sustrato,
mediante un mecanismo de distorsión, se activan los enlaces que hay que romper y
se aproximan los grupos que hay que enlazar, favoreciendo la formación del
producto resultante de la reacción catalizada y quedando la enzima libre para
comenzar de nuevo el proceso catalítico. Una visión gráfica de esta distorsión
enzimática puede observarse con claridad en la enzima hexoquinasa, que cataliza la
fosforilación de la glucosa a glucosa-6-fosfato, durante la glucólisis. Como muestra la
Figura 4, la unión de la glucosa hace que dos dominios de la enzima se plieguen uno
hacia el otro, con lo que se cierra la hendidura del sitio activo al que se une la
glucosa.
Figura 4.
Modelo de ajuste inducido de Koshland. Hexoquinasa.
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