14.1: Enzimas

Resultados de aprendizaje

• Explicar el papel de una enzima en el cuerpo.
• Definir sitio activo, sustrato y sitio alostérico.
• Distinguir entre inhibidores competitivos y no competitivos.
• Describir el modelo de enzimas con cerradura y llave vs. ajuste inducido.
• Proporcionar las características de un cofactor y una coenzima.
• Describir cómo la concentración del sustrato, el pH y la temperatura afectan la actividad enzimática.
• Interpretar gráficas de velocidad de reacción vs. condiciones de reacción.

La primera enzima que se aisló fue descubierta en 1926 por el químico estadounidense James Sumner, quien cristalizó la proteína. La enzima fue la ureasa, la cual cataliza la descomposición hidrolítica de la urea, un componente de la orina, en amoníaco y dióxido de carbono.

\[\ce{H_2NCON_2} \left( aq \right) + \ce{H_2O} \left( l \right) \overset{\text{urease}}{\rightarrow} 2 \ce{NH_3} \left( g \right) + \ce{CO_2} \left( g \right)\]

Su descubrimiento fue ridiculizado al principio porque nadie creía que las enzimas se comportarían de la misma manera que lo hacían otros químicos. Finalmente se demostró que Sumner tenía razón y ganó el Premio Nobel de Química en 1946.

Enzimas y reacciones bioquímicas

La mayoría de las reacciones químicas dentro de los organismos serían imposibles bajo las condiciones en las células. Por ejemplo, la temperatura corporal de la mayoría de los organismos es demasiado baja para que las reacciones ocurran lo suficientemente rápido como para llevar a cabo procesos de vida. Los reactivos también pueden estar presentes en concentraciones tan bajas que es poco probable que se encuentren y colisionen. Por lo tanto, la velocidad de la mayoría de las reacciones bioquímicas debe ser incrementada por un catalizador. Un catalizador es un químico que acelera las reacciones químicas. En los organismos, los catalizadores se llaman enzimas. Esencialmente, las enzimas son catalizadores biológicos.

Al igual que otros catalizadores, las enzimas no son reactivos en las reacciones que controlan. Ayudan a que los reactivos interactúen pero no se agotan en las reacciones. En cambio, pueden ser utilizados una y otra vez. A diferencia de otros catalizadores, las enzimas suelen ser altamente específicas para reacciones químicas particulares. Generalmente catalizan solo uno o algunos tipos de reacciones.

Las enzimas son extremadamente eficientes para acelerar las reacciones. Pueden catalizar hasta varios millones de reacciones por segundo. Como resultado, la diferencia en las tasas de reacciones bioquímicas con y sin enzimas puede ser enorme. Una reacción bioquímica típica puede tardar horas o incluso días en ocurrir en condiciones celulares normales sin una enzima, pero menos de un segundo con una enzima.

La\(\PageIndex{1}\) figura representa una reacción enzimática típica. Un sustrato es la molécula o moléculas sobre las que actúa la enzima. En la reacción catalizada por ureasa, la urea es el sustrato.

Figura\(\PageIndex{1}\): La secuencia de etapas para que un sustrato se une a una enzima en su sitio activo, reaccionando, luego siendo liberado como productos.

El primer paso en la reacción es que el sustrato se une a una parte específica de la molécula enzimática, conocida como el sitio activo. La unión del sustrato viene dictada por la forma de cada molécula. Las cadenas laterales de la enzima interactúan con el sustrato de una manera específica, dando como resultado la formación y ruptura de enlaces. El sitio activo es el lugar sobre una enzima donde se une el sustrato. Una enzima se pliega de tal manera que normalmente tiene un sitio activo, generalmente una bolsa o grieta formada por el patrón de plegado de la proteína. Debido a que el sitio activo de una enzima tiene una forma tan única, solo un sustrato en particular es capaz de unirse a esa enzima. Es decir, cada enzima cataliza solo una reacción química con un solo sustrato. Una vez formado el complejo enzima/sustrato, se produce la reacción y el sustrato se transforma en productos. Finalmente, la molécula o moléculas del producto se liberan del sitio activo. Tenga en cuenta que la enzima no se ve afectada por la reacción y ahora es capaz de catalizar la reacción de otra molécula sustrato.

Para muchas enzimas, el sitio activo sigue un modelo de cerradura y llave (A en la figura siguiente) donde el sustrato encaja exactamente en el sitio activo. La enzima y el sustrato deben ser una combinación perfecta para que la enzima solo funcione como catalizador para una reacción. Otras enzimas tienen un modelo de ajuste inducido (B en la figura siguiente). En un modelo de ajuste inducido, el sitio activo puede hacer ajustes menores para acomodar el sustrato. Esto da como resultado una enzima que es capaz de interactuar con un pequeño grupo de sustratos similares. Observe la forma del sitio activo en comparación con la forma del sustrato en B de la siguiente figura. El sitio activo se ajusta para acomodar el sustrato.

Figura\(\PageIndex{2}\): (A) Modelo enzimático de bloqueo y llave y (B) modelo enzimático de ajuste inducido.

Inhibidores

Un inhibidor es una molécula que interfiere con la función de una enzima, ya sea ralentizando o deteniendo la reacción química. Los inhibidores pueden funcionar de diversas maneras, pero una de las más comunes se ilustra en la siguiente figura.

Figura\(\PageIndex{3}\): Un inhibidor competitivo es una molécula que se une al sitio activo de una enzima sin reaccionar, evitando así que el sustrato se una.

Un inhibidor competitivo se une competitivamente en el sitio activo y bloquea la unión del sustrato. Dado que no se produce ninguna reacción con el inhibidor, se evita que la enzima catalice la reacción.

Un inhibidor no competitivo no se une en el sitio activo. Se une en un sitio alostérico, que es algún otro sitio en la enzima, y cambia la forma de la proteína. El sitio alostérico es cualquier sitio en la enzima que no sea el sitio activo. La unión del inhibidor no competitivo al sitio alostérico da como resultado un cambio en la estructura tridimensional que altera la forma del sitio activo de manera que el sustrato ya no encajará adecuadamente en el sitio activo (ver figura a continuación).

Figura\(\PageIndex{4}\): Inhibición no competitiva.

Cofactores y coenzimas

Algunas enzimas requieren la presencia de otro sustrato como molécula “auxiliar” para funcionar correctamente. Los cofactores y coenzimas sirven en este papel. Los cofactores son especies inorgánicas y las coenzimas son pequeñas moléculas orgánicas. Muchas vitaminas, como las vitaminas B, son coenzimas. Algunos iones metálicos que funcionan como cofactores para diversas enzimas incluyen zinc, magnesio, potasio y hierro.

Actividad catalítica de enzimas

Las enzimas generalmente reducen la energía de activación al reducir la energía necesaria para que los reactivos se unan y reaccionen. Una forma en que actúan las enzimas es juntando los reactivos (sustratos) para que no tengan que gastar energía moviéndose hasta que choquen al azar. Las enzimas se unen a ambas moléculas reaccionantes (sustratos), de manera firme y específica, en un sitio en el sitio activo de la enzima. Las enzimas también pueden llevar moléculas al sitio activo para separarlas. Por ejemplo, la sacarasa es la enzima para la descomposición de la sacarosa que ingresa al sitio activo de la enzima y ayuda a debilitar las interacciones entre la fructosa y la glucosa que componen la sacarosa. La sacarasa es específica para la descomposición de la sacarosa al igual que la mayoría de las enzimas. El sitio activo es específico para los reactivos de la reacción bioquímica que cataliza la enzima. Al igual que las piezas del rompecabezas que encajan entre sí, el sitio activo solo puede unir ciertos sustratos. Las actividades de las enzimas también dependen de la temperatura, concentración y pH de los surroudings.

Concentración

Como ocurre con la mayoría de las reacciones, la concentración del (de los) reactivo (s) afecta la velocidad de reacción. Esto también es cierto en la concentración de enzimas. Cuando la concentración de sustrato o enzima es baja, la velocidad de la reacción será más lenta que donde hay concentraciones más altas. Las dos especies deben interactuar para que ocurra una reacción y concentraciones más altas de una o ambas darán como resultado interacciones más efectivas entre las dos.

Sin embargo, continuar aumentando la concentración del sustrato no siempre aumentará la velocidad de reacción. Esto se debe a que en algún momento, todas las enzimas estarán ocupadas y no estarán disponibles para unirse con otra molécula sustrato hasta que el sustrato forme una molécula producto y se libere de la enzima.

pH

Algunas enzimas funcionan mejor a pH ácidos, mientras que otras funcionan mejor en ambientes neutros. Por ejemplo, las enzimas digestivas secretadas en el ambiente ácido (pH bajo) del estómago ayudan a descomponer las proteínas en moléculas más pequeñas. La principal enzima digestiva en el estómago es la pepsina, que funciona mejor a un pH de aproximadamente 1.5. Estas enzimas no funcionarían óptimamente a otros pH. La tripsina es otra enzima en el sistema digestivo, que rompe las cadenas proteicas de los alimentos en partículas más pequeñas. La tripsina actúa en el intestino delgado, que no es un ambiente ácido. El pH óptimo de la tripsina es de aproximadamente 8.

Diferentes reacciones y diferentes enzimas lograrán su velocidad máxima a ciertos valores de pH. Como se muestra en la siguiente figura, la enzima logra una velocidad máxima de reacción a un pH de 4. Observe que la reacción continuará a valores de pH cada vez más bajos debido a que la enzima seguirá funcionando a otros valores de pH pero no será tan efectiva. A valores de pH muy altos o muy bajos, se producirá la desnaturalización porque una enzima es solo una proteína con una función específica.

Figura\(\PageIndex{5}\): Relación entre velocidad y pH.

Temperatura

Al igual que con el pH, las reacciones también tienen una temperatura ideal donde la enzima funciona de manera más efectiva. Seguirá funcionando a temperaturas cada vez más altas, pero la tasa será menor. Para muchas reacciones biológicas, la temperatura ideal es en condiciones fisiológicas que está alrededor de las\(37^\text{o} \text{C}\) cuales es la temperatura corporal normal. Muchas enzimas pierden función a temperaturas cada vez más bajas. A temperaturas más altas, la forma de una enzima se deteriora. Sólo cuando la temperatura vuelve a la normalidad la enzima recupera su forma y actividad normal a menos que la temperatura sea tan alta que cause daños irreversibles.

Figura\(\PageIndex{6}\): Relación entre temperatura y velocidad.

Recursos Suplementarios

• Enzimas: https://youtu.be/E90D4BmaVJM

Colaboradores y Atribuciones

• CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.

• Allison Soult, Ph.D. (Department of Chemistry, University of Kentucky)