Las "ENZIMAS" funcionan adecuadamente en un intervalo muy reducido de ph

Como se mencionó anteriormente los seres vivos regulan de manera estricta el pH de sus soluciones intra y extracelulares. La variación de esta propiedad ácido-base puede verse reflejada desde la modulación de la velocidad enzimática, hasta por ejemplo en los humanos, la acidosis por la sobreproducción de ácidos resultantes del metabolismo. Este hecho puede causar (por debajo de pH 6.8), daños celulares irreparables y muerte, como frecuentemente sucede en la diabetes. De manera particular, la actividad catalítica de las enzimas es especialmente sensible a cambios en el pH. Las enzimas típicamente presentan un máximo de actividad catalítica a un pH característico. A este valor se le denomina pH óptimo:

Después de este análisis debe quedar claro el papel de la regulación de pH en los sistemas biológicos. Un pequeño cambio en esta propiedad ácido-base puede ocasionar un gran cambio en la actividad realizada por enzimas cruciales, lo que puede ocasionar daños irreparables o en el peor de los casos, la muerte.

Propiedades de las "ENZIMAS"

SITIO ACTIVO

Las moléculas de enzimas contienen hendiduras o cavidades denominadas sitio activo. El sitio activo está formado por las cadenas laterales de residuos específicos, lo que ocasiona que tenga un arreglo tridimensional particular, diferente al resto de la proteína. Este sitio es afín por la estructura tridimensional del sustrato:

Eficiencia Catalítica

La mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas son muy eficientes y transcurren desde 106 hasta 1014 veces más rápido que la misma reacción no catalizada. Típicamente, cada molécula de enzima es capaz de transformar cada segundo de 100 a 1000 moléculas de substrato en producto. El número de estas moléculas transformadas a producto por molécula de enzima en cada segundo, se conoce como el número de recambio.

Especificidad

Las enzimas son muy específicas por el substrato de la reacción que catalizan. Interactúan con una o muy pocas moléculas y catalizan únicamente un tipo de reacción, por lo que las moléculas con las que interactúan deben ser muy parecidas, tanto en composición, como en estructura tridimensional. Por ejemplo, en la siguiente figura, en el panel A, se muestra la reacción catalizada por la enzima triosafosfato isomerasa (enzima que cataliza el paso 5 de la glucólisis), en el panel B se muestran inhibidores de la catálisis.

Cofactores

Algunas enzimas se asocian con moléculas de carácter no proteíco que son necesarias para el funcionamiento de la enzima, estas moléculas se denominan cofactores. Comúnmente, los factores encontrados en las enzimas incluyen iones metálicos como el Zn2+ o el Fe2+, también pueden ser moléculas orgánicas que se denomina coenzimas como el NAD+, FAD, la conezima A y la C, generalmente las coenzimas son derivados de las vitaminas. A la enzima en ausencia de su cofactor (cuando lo tiene), se le denomina apoenzima, en presencia de su cofactor (cuando lo tiene), se le denomina holoenzima. La apoenzima generalmente carece de actividad biológica. La diferencia entre un cofactor y un grupo prostético, como el grupo hemo, es que este último está unido de manera covalente a la enzima, mientras que el cofactor puede ser removido de la misma con relativa facilidad.

Regulación

La actividad enzimática puede ser regulada, esto quiere decir que dependiendo de los requerimientos metabólicos, las enzimas son activadas o inhibidas, para acelerar o disminuir la velocidad con la que catalizan la reacción, respondiendo así a las diferentes necesidades de sus productos en la célula. La regulación más común es modificando la concentración de su(s) substrato(s).

Localización en la Célula

En los eucariontes, muchas enzimas se localizan en organelos específicos en la célula. Esta compartamentalización ayuda a aislar los substratos de la reacción o productos de la misma, de tal forma que no hay competencia de reacciones, de esta manera se provee un medio favorable para la reacción, de tal forma que es posible localizar diferentes partes del metabolismo en diferentes organelos, haciendo a la célula una entidad organizada en donde simultáneamente funcionan miles de enzimas.

Modulación Alostérica

Los moduladores son sustancias que se unen a una región de la enzima que sirve para regular su actividad, a esta región se le conoce como sitio alostérico, a las enzimas que lo contienen, se les denomina alostéricas. Los positivos, aceleran la catálisis, los negativos la disminuyen.

La ingestión de carbohidratos aumenta la concentración de glucosa en sangre, lo cual estimula a las células b de los islotes del páncreas y produce la liberación de insulina, lo cual favorece el transporte de la misma al interior celular disminuyendo su concentración en sangre.

La insulina es una pequeña proteína (5.7kD) formada por dos cadenas polipeptídicas unidas por medio de dos puentes disulfuro; su precursora es la preproinsulina que tiene una secuencia señal en su extremo NH3+ que dirige su paso al interior de vesículas secretoras en donde se forman tres puentes disulfuros y se corta la secuencia señal dando origen a la proinsulina (inactiva). Cuando la concentración de glucosa en sangre se incrementa se estimula la conversión de la proinsulina en insulina (activa) y su secreción.




Figura: representación de la maduración de la insulina.
Los colores en los nombres indican las secuencias que se preservan o cortan durante la maduración de la proteína.

La proteína receptora de la insulina, se localiza en las membranas celulares; está formada por dos péptidos a, extracelulares, que contienen al sitio al cual se asocia la insulina y dos b que atraviesan la membrana y en la región intracelular tienen actividad de tirosina cinasa. La unión de la insulina promueve la autofosforilación de los residuos de tirosina la subunidad b del receptor, fosforila a la proteína blanco que interacciona con vesículas derivadas de los endosomas que tienen proteínas transportadoras de glucosa en su superficie, finalmente migran hacia la membrana celular y se funden con ella, así aumenta el número de ellos en la superficie de la célula. De esta forma aumenta la velocidad de transporte hacia el interior de la célula.

Cuando la concentración de glucosa disminuye en la sangre, la célula regresa al interior de la célula a los receptores por medio de pinocitosis. Estas vesículas se vuelven a fundir con los endosomas.

¿Cómo funciona una ENZIMA?

El mecanismo de acción de una enzima se puede entender desde dos perspectivas. La primera trata a la catálisis desde el punto de vista de los cambios en energía que ocurren durante la reacción; las enzimas proveen una vía alterna, energéticamente favorable que es diferente de la reacción no catalizada. La segunda describe cómo el sitio activo facilita químicamente la catálisis de la enzima.


Cambios de energía que ocurren durante la reacción.


Virtualmente todas las reacciones químicas tienen una barrera energética que separa a los reactivos, reactantes o substratos de los productos. Esta barrera se denomina energía libre de activación que es la diferencia en energía que existe entre los reactivos y los productos. El lugar donde la energía libre de activación es máxima, se denomina estado de transición. En la siguiente figura se ejemplifica la transformación del reactivo A en el producto B a través del estado de transición T*:

A D T* D B


Figura: Representación del cambio en la energía libre de una reacción catalizada enzimáticamente (línea continua) y la misma no catalizada (línea punteada).


Energía libre de activación.


Este máximo de energía representa el estado de transición en el cual se forma el intermediario rico en energía durante la conversión de los reactivos en los productos. Debido a la gran energía de activación que separa a los reactivos de los productos, a menudo la misma reacción es más lenta si no es catalizada, que si la cataliza una enzima.


Velocidad de reacción.


Las moléculas que reaccionarán en un evento químico, deben contener suficiente energía para sobrepasar la energía de activación del estado de transición en su camino para transformase en los productos. En ausencia de la enzima, solo una pequeña porción de la población de estas moléculas posee la energía suficiente para realizar la transición hacia los productos. La velocidad de la reacción estará determinada por el número de moléculas que se encuentren en ese estado energético particular. En general, al disminuir la energía de activación, la mayoría de las moléculas tienen energía suficiente para pasar sobre el estado de transición y por tanto aumenten la velocidad de la reacción.


Vía de reacción alterna.


Una enzima permite que una reacción se lleve a cabo rápidamente bajo las condiciones que reinan en la célula. Lo anterior se realiza al disminuir la energía de activación. La enzima no modifica la energía contenida en los reactivos o producto; de la misma forma, no altera el equilibrio de la reacción.


Química del sitio activo.


El sitio activo de las enzimas no es un receptáculo pasivo para la unión del substrato, por el contrario es una maquinaria molecular muy compleja que emplea una amplia diversidad de mecanismos químicos que facilitan la interconversión de los substratos y los productos. Dentro de los factores que están relacionados con la eficiencia catalítica de las enzimas están los siguientes:


Estabilización del estado de transición.


El sitio activo de la enzima a menudo actúa como un molde molecular flexible en donde el substrato se une de forma geométricamente adecuada para transformarse en el estado de transición de la molécula. Al estabilizar al substrato en el estado de transición, la enzima aumenta de manera considerable la concentración de este intermediario reactivo que puede ser transformado en el producto(s) y, por tanto, acelerar la reacción.


Otros factores.


El sitio activo posee grupos catalíticos que incrementan la probabilidad de que se forme el estado de transición. En algunas enzimas, estos grupos pueden participar en una catálisis tipo ácido-base en la cual algunos residuos de aminoácidos proveen o aceptan protones. En otras enzimas, la catálisis involucra la formación temporal de un complejo covalente enzima-substrato

Ejemplo para explicar la funcion de las "ENZIMAS"

Las conversiones de reactivos catalizadas por enzimas pueden ser visualizadas de la siguiente forma:

¿Cómo quitarle la envoltura a un chocolate?

En esta visualización, el chocolate envuelto es el substrato.

Es claro que la envoltura no se retirará del chocolate de manera espontánea y que se necesita de energía externa aplicada de manera adecuada para que el proceso se lleve a cabo.

En este caso las manos funcionarán como la enzima chocolatasa, cuyo papel específico en esta naturaleza ficticia es precisamente retirar la envoltura de los chocolates.

Lo primero que sucederá es que las manos tomarán al chocolate envuelto, es decir, se formará ES.

Los arreglos necesarios realizados por los dedos, que en este caso ejemplifican a los residuos de aminoácidos del sitio catalítico de la chocolatasa, llevan al substrato (chocolate envuelto) a un estado en el cual la envoltura se ha retirado parcialmente, pero no del todo.

Este momento ejemplifica al estado de transición, que con un poco más de inversión de energía, logra convertirse en los productos que son el chocolate más la envoltura.

Por supuesto este proceso no termina en este lugar, no tiene sentido catalizar una reacción si el o los productos de ésta no se utilizan como substratos de otras reacciones. Para qué desenvolver al chocolate si no ha de ser comido, por tanto, existe otra enzima que es una utilizadora de chocolate y otra que es la desechadora, que se deshace de la envoltura. Nótese que el ejemplo lejos de representar la realidad, hace suponer la inmensa cantidad de reacciones que se pueden catalizar en los sistemas vivientes.

Descubrimiento de las "ENZIMAS"

Hasta finales del siglo XIX, estaba aceptado universalmente que los procesos de la vida eran el resultado directo de una fuerza vital y que ocurrían exclusivamente en las células. En el verano de 1896, esta doctrina llamada vitalismo, parte de las ideas de la generación espontánea, fue desacreditada por el experimento que dio origen al nacimiento de la Bioquímica. M Hahn, un científico alemán, trataba de separar proteínas de las levaduras moliéndolas en un mortero con arena muy fina y tierra de diatomeas, que no es sino las frústula o envoltura de las diatomeas unos protoctistas muy bonitos. El extracto de levadura se filtraba en un paño muy fino, pero desafortunadamente para Hahn, era muy difícil de preservar. Hans Buchner, colega de Hahn le recordó que la fruta se conserva agregándole azúcares, haciendo una mermelada; le sugirió agregar sacarosa al extracto de levaduras. El experimento lo realizó Eduard, hermano de Hans y que visitaba el laboratorio para experimentar precisamente con los extractos de levadura. Cuando agregó la sacarosa al extracto, observó que de la solución emergían burbujas. Eduard concluyó que la fermentación, el proceso descrito por Louis Pasteur como la vida sin aire, estaba ocurriendo. Actualmente esta observación tal vez no seria particularmente importante para nosotros, pero Buchner había demostrado que los procesos de la vida (la fermentación en este caso), podían ocurrir fuera de las células vivas. El fantasma poseído de la máquina viviente se había exorcizado.

La hipótesis de Buchner consistió en que la fermentación resulta de la actividad de una enzima, que él llamó zimasa. Actualmente llamamos a este proceso que realmente se lleva a cabo por 10 enzimas, glucólisis del griego glycos: dulce + lysis: ruptura. Por estas observaciones, Buchner recibió el premio Nobel de Química en 1907.

EDUARD BUCHNER

Los sistemas vivientes están formados por una enorme variedad de reacciones bioquímicas, la inmensa mayoría de las cuales se llevan a cabo por entidades proteicas con actividad catalítica conocidas como enzimas. La enzimología, en estudio de las enzimas.

Virtualmente todas las reacciones en los seres vivos se llevan a cabo por enzimas, que son las proteínas que catalizan a las reacciones químicas, incrementando la velocidad a las cuales estas reacciones de manera natural ocurren, en el proceso las enzimas no resultan modificadas, es decir, el estado inicial de la enzima es igual al final. A pesar de la inmensa variedad de reacciones que son energéticamente posibles en los seres vivos, las enzimas conducen a los reactivos, a menudo denominados substratos, en las vías metabólicas de los seres vivos.