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 LAS ENZIMAS Las enzimas son moléculas orgánicas que actúan como catalizadores de reacciones químicas,es decir, aceleran la velocidad de reacción. Comúnmente son de naturaleza proteica, pero también de ARN (ver ribozimas). Las enzimas modifican la velocidad de...

 LAS ENZIMAS Las enzimas son moléculas orgánicas que actúan como catalizadores de reacciones químicas,es decir, aceleran la velocidad de reacción. Comúnmente son de naturaleza proteica, pero también de ARN (ver ribozimas). Las enzimas modifican la velocidad de reacción, sin afectar el equilibrio de la misma, ya que una enzima hace que una reacción química transcurra a mayor velocidad, siempre y cuando sea energéticamente posible.  LAS ENZIMAS En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas moléculas denominadas sustrato s, las cuales se convierten en moléculas diferentes denominadas productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para que ocurran a unas tasas significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas.  ENZIMAS Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos y su velocidad crece solo con algunas reacciones, el conjunto (set) de enzimas presentes en una célula determina el tipo de metabolismo que tiene esa célula. A su vez, esta presencia depende de la regulación de la expresión génica correspondiente a la enzima.  ENZIMAS Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo la energía de activación de una reacción, de forma que la presencia de la enzima 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.  ENZIMAS 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.No todos los catalizadores bioquímicos son proteínas, pues algunas moléculas de ARN son capaces de catalizar reacciones (como la subunidad 16S de los ribosomas en la que reside la actividad peptidil transferasa). También cabe nombrar unas moléculas sintéticas denominadas enzimas artificiales capaces de catalizar reacciones químicas como las enzimas clásicas.  ENZIMAS 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. Igualmente, la actividad es afectada por la temperatura, el pH, la concentración de la propia enzima y del sustrato, y otros factores físico-químicos.  ENZIMAS Muchas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la síntesis de antibióticos o de productos domésticos de limpieza. Además, son ampliamente utilizadas en diversos procesos industriales, como son la fabricación de alimentos, producción de biocombustibles.  ETIMOLOGÍA E HISTORIA Desde finales del Siglo XVIII y principios del Siglo 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.  En el Siglo XIX, cuando se estaba estudiando la fermentación del azúcar en el alcohol con levaduras, Louis Pasteur llegó a la conclusión que esta fermentación era catalizada por una fuerza vital contenida en las células de la levadura, llamadas fermentos, que se pensó 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".  En 1878 el fisiólogo Wilhelm Kühne (1837–1900) acuñó el término enzima, que viene del griego ενζυμον "en levadura", para describir este proceso. La palabra enzima fue usada después para referirse a sustancias inertes como el pepsin. Por otro lado la palabra "fermento" solía referirse a la actividad química producida por organismos vivientes.  En 1897 Eduard Buchner comenzó a estudiar la habilidad de los extractos de levadura para fermentar azúcar debido a 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 las las células de las levaduras en la mezcla. 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. Típicamente el sufijo "-asa" es agregado al nombre del sustrato (e.j., la lactasa es la enzima que hiende lactosa) o el tipo de reacción (e.j., el DNA polimerasa) forma polímeros de ARN.  HISTORIA Habiendo mostrado que las enzimas pueden funcionar afuera 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."  HISTORIA 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 caralase en 1937.  HISTORIA La conclusión de que las proteínas puras podían ser enzimas fue definitivamente probada por John Howard Northrop y Wendell Meredith Stanley quienes trabajaron en la enzimas digestivas pepsina (1930), tripsina y quimotripsina. Estos tres científicos recibieron el Premio Nobel de Química en 1946. John Howard Northrop Wendell Meredith Stanley  El descubrimiento de que las enzimas podían ser cristalizadas eventualmente permitía que sus estructuras fuesen resueltas por una cristalografía de rayos x. Esto fue hecho primero por las lisozimas, una enzima encontrada en las lagrimas, la saliva y los huevos blancos que digieren la capa de algunas bacterias; la estructura fue resuelta por un grupo liderado por David Chilton Phillips y publicado en 1965.Esta estructura de alta resolución de lisozimas marcó el comienzo del campo de la biología estructural y el esfuerzo por entender como las enzimas trabajan a un nivel anatómico de detalles. ESTRUCTURAS Y MECANISMOS Las enzimas son generalmente proteínas globulares que pueden presentar tamaños muy variables, desde 62 aminoácidos como en el caso del monómero de la 4- oxalocrotonato tautomerasa,hasta los 2500 presentes en la sintasa de ácidos grasos.  Las actividades de las enzimas vienen determinadas por su estructura tridimensional.Casi todas las enzimas son mucho más grandes que los sustratos donde actúan, y solo una pequeña parte de la enzima (alrededor de 3 a 4 aminoácidos) están directamente involucrados en la catálisis. La región que contiene estos residuos encargados de catalizar la reacción es conocida como centro activo. Las enzimas también pueden contener sitios con la capacidad de unir cofactores, necesarios a veces en el proceso de catálisis, o de unir pequeñas moléculas, como los sustratos o productos (directos o indirectos) de la reacción catalizada. Estas uniones pueden incrementar o disminuir la actividad enzimática, dando lugar así una regulación por retroalimentación.  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.  CARACTERÍTICAS La mayoría de las enzimas, al igual que el resto de proteínas, pueden ser desnaturalizadas si se ven sometidas a agentes desnaturalizantes como el calor, los pHs extremos o ciertos compuestos como el SDS (Dodecil sulfato sódico). Estos agentes destruyen la estructura terciaria de las proteínas de forma reversible o irreversible, dependiendo de la enzima.  ESPECIFICIDAD Las enzimas suelen ser muy específicas tanto del tipo de reacción que catalizan como del sustrato involucrado en la reacción. La forma, la carga y las características hidrofílicas/hidrofóbicas de las enzimas y los sustratos son los responsables de dicha especificidad. Las enzimas también pueden mostrar un elevado grado de estereoespecificidad, regioselectividad y quimioselectividad.  Algunas de estas enzimas que muestran una elevada especificidad y precisión en su actividad son aquellas involucradas en la replicación y expresión del genoma. Estas enzimas tienen eficientes sistemas de comprobación y corrección de errores, como en el caso de la ADN polimerasa, que cataliza una reacción de replicación en un primer paso, para comprobar posteriormente si el producto obtenido es el correcto. Este proceso que tiene lugar en dos pasos, da como resultado una media de tasa de error increiblemente baja, en torno a 1 error cada 100 millones de reacciones en determinadas polimerasas de mamíferos. Este tipo de mecanismos de comprobación también han sido observados en la ARN polimerasa,en la ARNt aminoacil sintetasa y en los ribosomas.  Aquellas enzimas que producen metabolitos secundarios son denominadas promiscuas, ya que pueden actuar en un amplio rango de diferentes sustratos. Por ello, se ha sugerido que esta amplia especificidad de sustrato podría ser clave en la evolución y diseño de nuevas rutas biosintéticas.  MODELOS QUE EXPLICAN LA CATÁLISIS ENZIMÁTICA Modelo de la «llave-cerradura» Modelo del encaje inducido  MODELO DE LA «LLAVE-CERRADURA» Las enzimas son muy específicas, como sugirió Emil Fischer en 1894. Con base en sus resultados dedujo que ambas moléculas, la enzima y su sustrato, poseen complementariedad geométrica, es decir, sus estructuras encajan exactamente una en la otra, por lo que este modelo ha sido denominado como modelo de la «llave-cerradura», refiriéndose a la enzima como a una especie de cerradura y al sustrato como a una llave que encaja de forma perfecta en dicha cerradura. Una llave solo funciona en su cerradura y no en otras cerraduras. Sin embargo, si bien este modelo explica la especificidad de las enzimas, falla al intentar explicar la estabilización del estado de transición que logran adquirir las enzimas. MODELO LLAVE CERRADURA La complementaridad entre la enzima y el sustrato resulta del ajuste estereoquímico del sustrato en el sitio activo, para lo que ambas estructuras deben ser complementarias electrostáticamente. En este modelo se postula un anclamiento de tres puntos, lo que vuelve a la catálisis enzimática selectiva a tres niveles: Estereomérica, ya que discrimina entre distintos estereoisómeros del sustrato. Regiomérica, pues se une entre regiones específicas tanto de la enzima como del sustrato. Enantiomérica, pues las enzima también discriminan enantiómeros. MODELO DEL ENCAJE INDUCIDO En 1958, Daniel Koshland sugiere una modificación al modelo de la llave-cerradura: las enzimas son estructuras bastante flexibles y así el sitio activo podría cambiar su conformación estructural por la interacción con el sustrato. Como resultado de ello, la cadena aminoacídica que compone el sitio activo es moldeada en posiciones precisas, lo que permite a la enzima llevar a cabo su función catalítica. En algunos casos, como en las glicosidasas, el sustrato cambia ligeramente de forma para entrar en el sitio activo. El sitio activo continua dicho cambio hasta que el sustrato está completamente unido, momento en el cual queda determinada la forma y la carga final.3  Los cambios conformacionales son importantes en otros procesos además de la catálisis como el mantenimiento de la estructura cuaternaria, pues la formación o desensablado de complejos multiméricos depende del contacto entre dominios de unión en las proteínas. Si una conformación es la única compatible para la estructura cuaternaria, entonces es posible la existencia de mecanismos que regulen la estabiliad de los complejos multienzimáticos.  DINÁMICA INTERNA DE LAS ENZIMAS La dinámica interna de las enzimas está relacionada con sus mecanismos de catálisis. La dinámica interna se define como el movimiento de diferentes partes de la estructura de la enzima, desde residuos individuales de aminoácidos, hasta grupos de aminoácidos o incluso un dominio proteico entero. Estos movimientos se producen a diferentes escalas de tiempo que van desde femtosegundos hasta segundos. Casi cualquier residuo de la estructura de la enzima puede contribuir en el proceso de catálisis por medio de movimientos dinámicos.Los movimientos de las proteínas son vitales en muchas enzimas.  Dichos movimientos podrán ser más o menos importantes según si los cambios conformacionales se producen por vibraciones pequeñas y rápidas o grandes y lentas, y dicha importancia dependerá del tipo de reacción que lleve a cabo la enzima. Sin embargo, aunque estos movimientos son importantes en el proceso de unión y liberación de sustratos y productos, aún no está claro si estos movimientos ayudan a acelerar los pasos químicos de las reacciones enzimáticas.Estos nuevos avances también tienen implicaciones en la comprensión de los efectos alostéricos y en el desarrollo de nuevos fármacos.  MODO DE ACCIÓN DE LAS ENZIMAS Las enzimas pueden actuar de diversas formas: Reducción de la energía de activación mediante la creación de un ambiente en el cual el estado de transición es estabilizado (por ejemplo, forzando la forma de un sustrato: la enzima produce un cambio de conformación del sustrato unido el cual pasa a un estado de transición, de modo que ve reducida la cantidad de energía que precisa para completar la transición). Reduciendo la energía del estado de transición, sin afectar la forma del sustrato, mediante la creación de un ambiente con una distribución de carga óptima para que se genere dicho estado de transición. ENERGÍA CINÉTICA  MODO DE ACCIÓN DE LAS ENZIMAS Proporcionando una ruta alternativa. Por ejemplo, reaccionando temporalmente con el sustrato para formar un complejo intermedio enzima/sustrato (ES), que no sería factible en ausencia de enzima. Reduciendo la (energía de activación) de la reacción mediante la avariación de entropía necesaria para alcanzar el estado de transición cción de orientar correctamente los sustratos, favoreciendo así que se produzca dicha reacción. ENTROPÍA  EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE LA CATÁLISIS El incremento de temperatura facilita la acción de la enzima y permite que se incremente aún más su velocidad de reacción. Sin embargo, si la temperatura se eleva demasiado, la conformación estructural de la enzima puede verse afectada, reduciendo así su velocidad de reacción, y solo recuperando su actividad óptima cuando la temperatura se reduce. No obstante, algunas enzimas son termolábiles y trabajan mejor a bajas temperaturas. Cabe destacar que este efecto entrópico implica la desestabilización del estado basal, y su contribución a la catálisis es relativamente pequeña.  ESTABILIZACIÓN DEL ESTADO DE TRANSICIÓN La comprensión del origen de la reducción del valor de ΔG‡ en una reacción enzimática requiere elucidar previamente cómo las enzimas pueden estabilizar su estado de transición, más que el estado de transición de la reacción. Aparentemente, la forma más efectiva para alcanzar la estabilización es la utilización de fuerzas electrostáticas, concretamente, poseyendo un ambiente polar relativamente fijado que pueda orientarse hacia la distribución de carga del estado de transición. Ese tipo de ambientes no existen ni se generan en ausencia de enzimas.  MODULACIÓN ALOSTÉRICA Los sitios alostéricos son zonas de la enzima con capacidad de reconocer y unir determinadas moléculas en la célula. Las uniones a las que dan lugar son débiles y no covalentes, y generan un cambio en la conformación estructural de la enzima que repercute en el sitio activo, afectando así a la velocidad de reacción. Las interacciones alostéricas pueden tanto inhibir como activar enzimas, y son una forma muy común de controlar las enzimas en las células. Transición alostérica de una enzima entre los estados R y T, estabilizada por un agonista (A), un inhibidor (I) y un sustrato (S). COFACTORES Y COENZIMAS  COFACTORES Algunas enzimas no precisan ningún componente adicional para mostrar una total actividad. Sin embargo, otras enzimas requieren la unión de moléculas no proteicas denominadas cofactores para poder ejercer su actividad. Los cofactores pueden ser compuestos inorgánicos, como los iones metálicos y los complejos ferrosulfurosos, o compuestos orgánicos, como la flavina o el grupo hemo. Los cofactores orgánicos pueden ser a su vez grupos prostéticos, que se unen fuertemente a la enzima, o coenzimas, que son liberados del sitio activo de la enzima durante la reacción. Las coenzimas incluyen compuestos como el NADH, el NADPH y el adenosín trifosfato. Estas moléculas transfieren grupos funcionales entre enzimas.  COFACTORES Un ejemplo de una enzima que contiene un cofactor es la anhidrasa carbónica, en la cual el zinc (cofactor) se mantiene unido al sitio activo, tal y como se muestra en la figura anterior (situada al inicio de la sección "Estructuras y mecanismos"). Estas moléculas suelen encontrarse unidas al sitio activo y están implicadas en la catálisis. Por ejemplo, la flavina y el grupo hemo suelen estar implicados en reacciones redox.  COFACTORES Las enzimas que requieren un cofactor pero no lo tienen unido son denominadas «apoenzimas» o «apoproteínas». Una apoenzima junto con cofactor(es) es denominada «holoenzima» (que es la forma activa). La mayoría de los cofactores no se unen covalentemente a sus enzimas, pero sí lo hacen fuertemente. Sin embargo, los grupos prostéticos pueden estar covalentemente unidos, como en el caso de la tiamina pirofosfato en la enzima piruvato deshidrogenasa. El término «holoenzima» también puede ser aplicado a aquellas enzimas que contienen múltiples subunidades, como en el caso de la ADN polimerasa, donde la holoenzima es el complejo con todas las subunidades necesarias para llevar a cabo la actividad enzimática.  COENZIMAS Las coenzimas son pequeñas moléculas orgánicas que transportan grupos químicos de una enzima a otra. Algunos de estos compuestos, como la riboflavina, la tiamina y el ácido fólico son vitaminas (las cuales no pueden ser sintetizados en cantidad suficiente por el cuerpo humano y deben ser incorporados en la dieta). Los grupos químicos intercambiados incluyen el ion hidruro (H-) transportado por NAD o NADP+, el grupo fosfato transportado por el ATP, el grupo acetilo transportado por la coenzima A, los grupos formil, metenil o metil transportados por el ácido fólico y el grupo metil transportado por la S-Adenosil metionina.  CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA DE ENZIMAS Las enzimas reciben nombres comunes que hacen alusión al tipo de reacción sobre el sustrato. El nombre de una enzima suele derivarse del sustrato o de la reacción química que cataliza, con la palabra terminada en -asa. Por ejemplo, la lactasa actúa sobre la lactosa; la alcohol deshidrogenasa oxida al alcohol (lo «deshidrogena»); la ADN polimerasa proviene también de la reacción que cataliza que consiste en polimerizar el ADN.  CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA DE ENZIMAS El comité de nomenclatura de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB) recomienda una serie de reglas para la clasificación de las enzimas, que consiste en las siglas EC al inicio (por las siglas de Enzyme Commission), seguido de cuatro cifras separadas por puntos. La primera cifra es un número natural que va del 1 al 7 e indica el tipo de reacción que cataliza. Todas las enzimas reciben un código numérico que identifica los sustratos, el tipo de reacción que realizan y alguna otra información adicional relevante. Por ejemplo, la enzima que transfiere electrones entre la ferredoxina (una proteína) y el NADPH (una coenzima) tiene el código EC 1.18.1.2 y se conoce como ferredoxina:NADP+ óxido-reductasa, entre otros nombres similares.  CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS A continuación se indican las siete clases de enzimas que se reconocen en la actualidad: CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA DE ENZIMAS EC 1 Oxidorreductasas: catalizan reacciones de oxidorreducción o reacciones redox. Estas consisten en la transferencia de equivalentes reductores entre un donador y un aceptor. La transferencia precisa de una coenzima como NAD+, NADP+o FAD, como intermediario en la transferencia de electrones. Tras la acción catalítica, estas coenzimas quedan modificadas en su grado de oxidación, por lo que deben ser recicladas antes de volver a efectuar una nueva reacción catalítica. Ejemplos: deshidrogenasas, peroxidasas. EC 2 Transferasas: transfieren grupos funcionales (obtenidos de la ruptura de ciertas moléculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos de interconversión de monosacáridos, aminoácidos, etc. Ejemplos: transaminasas, cinasas. CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA DE ENZIMAS EC 3 Hidrolasas: catalizan reacciones de hidrólisis con la consiguiente obtención de monómeros a partir de polímeros. Actúan en la digestión de los alimentos, previamente a otras fases de su degradación. La palabra «hidrólisis» se deriva de hidro → 'agua' y lisis → 'disolución'. Ejemplos: glucosidasas, lipasas, esterasas. EC 4 Liasas: catalizan reacciones en las que se eliminan o adicionan grupos H2O, CO2 y NH3 para formar un doble enlace o añadirse a un doble enlace, u otras reacciones que implican un reacomodo de electrones. Ejemplos: descarboxilasas, la fenilalanina amonio liasa (EC 4.3.1.24). CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA DE ENZIMAS EC 5 Isomerasas: actúan sobre determinadas moléculas obteniendo o cambiando de ellas sus isómeros funcionales o de posición, es decir, catalizan la racemización y cambios de posición de un grupo en determinada molécula obteniendo formas isoméricas. Suelen actuar en procesos de interconversión. Ejemplo: epimerasas (mutasa). EC 6 Ligasas: catalizan la degradación o síntesis de los enlaces denominados «fuertes» mediante el acoplamiento a moléculas de alto valor energético como el ATP. Ejemplos: sintetasas, carboxilasas.  CLASIFICACIÓN Y NOMENCLATURA DE ENZIMAS EC 7 Translocasas: son proteínas integrales de membrana que transfieren un sustrato (ion o molécula) desde el lado 1 a lado 2 de una membrana, y se subdividen en 4 subclases, de acuerdo con la fuerza que impulsa la reacción de transferencia. Ejemplo: el citocromo-c oxidasa (EC 7.1.1.9), o el transportador tipo P exportador de H+ (EC 7.1.2.1). APLICACIONES INDUSTRIALES