2. Enzimas

Figura 2.25 Proceso normal de reconocimiento de antígenos propios. T citotóxicos) vierten proteínas perforinas que atraviesan las células sanas, pero extrañas al organismo receptor (fig. 2.26).

Nuestras células viven en condiciones más o menos estables, o si se quiere ver así, mucho más estables que las condiciones predominantes en el exterior.

Imaginemos que viajamos al interior de una célula con todo un equipo de medición y podemos evaluar la presión intra y extracelular, el pH, la temperatura, la concentración de diferentes iones, etcétera. Nos daríamos cuenta de inmediato que las condiciones no variarían mucho en una célula a lo largo del tiempo de nuestra investigación ni respecto a otras células.

Figura 2.26 Lisis de célula sana extraña (injerto) por perforinas.

Figura 2.27 Los reactantes en un medio acuoso y sin catalizador tienen que encontrarse y coincidir para reaccionar, proceso conocido como choque.

Reactante A Reactante B

Ahora bien, si se tiene en cuenta que muchas de las moléculas que se encuentran, tanto fue- ra de la célula como en su interior, necesitan ser transformadas, obviamente se requiere pensar en un mecanismo por medio del cual se puedan dar dichas transformaciones y que tenga que ser energéticamente viable en las condiciones estables de la célula.

Las transformaciones sin catalizador se pueden dar, pero muchas de éstas no se producirían en las condiciones fisiológicas de la célula, ya que requerirían de presión, temperatura, pH y otras variables que destruirían nuestras células. Por tanto, necesitamos otro mecanismo por medio del cual puedan ocurrir tales transformaciones. Echándole una mirada a las reacciones sin catalizador (fig. 2.27) debemos recordar que se deberían llevar a cabo rodeadas de un medio líquido (como la célula y el líquido extracelular), lo cual implicaría que las dos moléculas a reaccionar (reactantes) que llamaremos en este caso A y B, se verían en serios problemas para coincidir y unirse para reaccionar ya que tendrían que vencer lo que se conoce como la capa de hidratación, que es todo el medio líquido que les rodea y cuyas partículas de agua se mueven de forma aleatoria estimuladas por la temperatura; esto significa que a mayor temperatura mayor movimiento y mayor probabilidad de coincidencia entre los reactantes A y B.

En las reacciones de transformación sin catalizador existe un estado denominado de transición (fig. 2.28), que se caracteriza porque las moléculas reactantes se encuentran firmemente unidas y entre las dos forman una molécula diferente antes de separarse. Este evento requiere de una gran cantidad de energía (energía de activación), la cual si no es dada por algunos de los reactantes tendría que tomarla del medio, esto implica una dificultad mayor que la que de hacer coincidir dos moléculas reactantes en un medio líquido y sin catalizador (choque). Por tanto, difícilmente podría ocurrir en nuestras células. Afortunadamente para nosotros, y todos los organismos vivos, contamos con moléculas que funcionan como catalizadores biológicos (biocatalizadores), que son las enzimas, de naturaleza proteica. Aunque también existen algunos ácidos nucleicos catalíticamente activos llamados ribozimas.

Sitio activo y sustratos Las enzimas poseen una región denominada centro activo (o sitio activo), la cual es el espacio donde llegarán a colocarse las moléculas reactantes (sustrato). El acoplamiento espacial adecuado propiciará una mayor aproximación y orientación de los sustratos, lo cual tendrá tres efectos importantes en la reacción: 1. Que se formen complejos entre los reactantes (sustrato) y la enzima. 2. Que se elimine la mayor cantidad de moléculas de agua circundantes (exclusión del agua). 3. El estado de transición es mucho más estable.

Estos tres efectos producirán que la energía de activación necesaria para la reacción sea muchísimo menor que la requerida en ausencia de catalizador, por lo que ahora sí se podrán llevar a cabo las reacciones en condiciones biológicas. El centro activo es entonces el lugar donde se unirá el sustrato y se realizará la reacción catalítica. Cuando el sustrato llega al centro activo ocurre un cambio estructural en la conformación tridimensional en el complejo enzima-sustrato; sin embargo, una vez que el proceso se ha dado, la enzima regresa a su estado original. A este fenómeno el científico Daniel Kohsland le denominó ajuste inducido. Algunas enzimas además del sitio activo presentan en otras regiones de la molécula (distantes al sitio activo) otros sitios de regulación; a estas enzimas se les conoce como enzimas alostéricas, y se estudiarán más adelante.

Para llevar a cabo su función, las enzimas requieren a veces la participación de ciertas moléculas, las cuales reciben diferentes nombres dependiendo su naturaleza química. Se les llama coenzimas a las moléculas auxiliares de tipo orgánico y cofactor a las que son iones metálicos (oligoelementos). Al complejo formado por la enzima y el cofactor o la coenzima se le denomina holoenzima; por otra parte, la unidad proteica sola (enzima) en ausencia de cofactor o coenzima se le conoce como apoenzima. A la acción catalítica de las enzimas se le llama actividad enzimática, ésta puede ser medida cuantificando el incremento de la velocidad de reacción. Es decir, lo que se mide es la diferencia del recambio (generación de producto) entre una reacción con enzima y otra en ausencia de ella. Por poner un ejemplo conocido, es como si deseáramos conocer con qué velocidad podemos cortar hojas de papel empleando una filosa guillotina o la mano. La diferencia entre el número de hojas obtenidas al final por ambos métodos en un tiempo determinado, sería la velocidad de reacción.

Figura 2.28 Fig igura 2 28 El estado de transición sin catalizador es más difícil de lograr que el choque.

Las enzimas, en general, son altamente específicas de acuerdo con el tipo de actividad que realizan (especificidad de acción) y con molécula sobre la que van a trabajar (especificidad de sustrato).

Desnaturalización de enzimas Cada enzima funciona óptimamente dentro de un reducido límite de condiciones fisicoquímicas, como pH y temperatura, al margen de las cuales se desnaturaliza, esto es, que pierde su estructura tridimensional y capacidad para catalizar una reacción química.

Figura 2.29 Efecto del pH en la actividad enzimática. Factores que afectan la rapidez de las reacciones enzimáticas La velocidad de reacción de una enzima puede estar determinada por diversos factores, entre los que destacan: temperatura, presión, pH, fuerza iónica, concentración de sustratos, cofactores e inhibidores.

Figura 2.30

Factores físicos (pH y temperatura) El funcionamiento óptimo de una enzima está estrechamente ligado al pH; por ejemplo, en las células humanas un pH fisiológico de 7.4 (casi neutro) es ideal, es decir que pH a los extremos (muy ácido o alcalinos) llegan a afectar la capacidad catalítica de la enzima e incluso podrían dañarla. Recordemos que es de naturaleza proteica y susceptible a la desnaturalización por pH. La proteína enzima desnaturalizada alterará su conformación tridimensional y, por tanto, su sitio activo (fig. 2.29). Sin embargo, existen excepciones, por ejemplo la pepsina (enzima gástrica) que puede trabajar a pH muy ácido (alrededor de 2). Esto lo logra gracias a que posee un zimógeno, precursor o enzima inactiva que, como Efecto de la temperatura en la actividad enzimática. este caso, en condiciones de pH muy ácido alteran su conformación tridimensional adoptando la de una enzima con un centro activo útil. La eficiencia funcional de la enzima respecto a la temperatura es asimétrica; es decir; no describe una curva como en el caso del pH (fig. 2.30). La temperatura ejerce un efecto favorable al inicio ya que promueve el aumento del movimiento molecular; sin embargo, puede llegar a un punto en el cual, de igual forma que con el pH, desnaturalice la proteína (enzima). En las células humanas la temperatura óptima es alrededor de los 37.5 °C que es la temperatura fisiológica. Sin embargo, existen algunas excepciones, como en el caso de las bacterias que habitan fuentes de aguas termales (Thermophilus aquaticus, por ejemplo) con temperaturas superiores a los 100 °C, poseen enzimas (como su polimerasa llamada Taq polimerasa), las cuales son activas incluso a estas temperaturas. Las enzimas pueden ser inhibidas de dos formas, reversible o irreversible. En el primer caso hay tres mecanismos por medio de los cuales se logra la inhibición:

INHIBICIÓN REVERSIBLE • Inhibición competitiva. La molécula inhibidora compite con el sustrato para unirse a la enzima libre y a su sitio activo, pero la molécula inhibidora no resulta alterada, como ocurriría si se tratara del sustrato. Ejemplo de este fenómeno es la enzima llamada succinato-deshidrogenasa, la cual puede ser inhibida con el malato.

• Inhibición acompetitiva. Aquí sí se da la unión enzima-sustrato, pero el inhibidor se une a este complejo inactivándolo. • Inhibición no competitiva. En este caso el inhibidor puede unirse a la enzima libre o con el complejo enzima-sustrato.

INHIBICIÓN IRREVERSIBLE La molécula inhibidora se unirá de manera covalente con la enzima cambiando su estructura tridimensional y alterando de manera permanente la conformación espacial del sitio activo, inactivando irreversiblemente la enzima.

Importancia de las enzimas en los procesos biológicos Como se ha visto, las enzimas desempeñan un papel central en los procesos de biotransformación molecular a nivel y en condiciones celulares. Sin ellas muchas de las reacciones y funciones celulares simplemente no podrían llevarse acabo, lo que haría imposible la vida como la conocemos. Las enzimas son empleadas en todas las funciones celulares, dentro de las que destacan todas las rutas metabólicas, la replicación del ADN, la transcripción hacia ARNm, la traducción hacia proteína, la reproducción celular, etcétera. En cuanto al metabolismo celular, recordemos que existen dos divisiones: el catabolismo u oxidación son una serie de reacciones metabólicas encargadas de degradar los nutrientes para obtener energía. Y por otra parte el anabolismo o biosíntesis, que es la serie de rutas metabólicas encargadas de construir macromoléculas para formar tejido. Por citar un ejemplo, estudiemos lo ocurrido en el aprovechamiento de la glucosa como fuente de energía, en la que la glucosa después de varias reacciones rendirá en la formación de ATP (trifosfato de adenosina o adenosín trifosfato), que es la principal molécula encargada de conservar y transferir energía. Este proceso incluye varios pasos secuenciales y puede tener varios puntos de partida, pero para simplificarlo comencemos desde la glucólisis, le seguiría la transformación de piruvato a acetil-CoA, luego el ciclo de Krebs, el transporte de electrones y finalmente la fosforilación oxidativa (principal ruta encargada de la elaboración de ATP). En este ejemplo participa un gran ejército de enzimas, a continuación se mencionan algunas encargadas de transportar la energía:

Figura 2.31 Glucólisis.

Vía metabólica

Glucólisis

Glucólisis

Enzima Sustrato

Fosfogliceratoquinasa 1-3 difosfoglicerato + ADP

Piruvatoquinasa Fosdoenolpiruvato (AEP) + ADP

Producto

3 fosfoglicerato + ATP

Piruvato + ATP

La glucólisis que se lleva a cabo en el citoplasma es el primer proceso anaeróbico de degradación de la glucosa. En esta ruta metabólica se invierten 2 ATP y se ganan 4 ATP, 2 piruvatos, 2 NADH (mo- lécula que se estudiará mas adelante) (fig. 2.31). Las enzimas del cuadro anterior son del tipo cinasas y logran quitar de su sustrato un fósforo, para unirlo con el ADP (difosfato de adenosín o adenosín difosfato) y así formar al ATP.

Figura 2.32 El NAD y el FAD son componentes de enzimas deshidrogenadas y en su forma reducida se les denomina NADH y FADH, respectivamente. A simple vista, parece ser que la glucólisis no resulta energéticamente atractiva, ya que se invirtieron 2 ATP y se obtuvieron 4, quedando una ganancia final de 2 ATP. Sin embargo, la energía se encuentra guardada en el piruvato y en el NADH. El NADH y el FADH son parte de un grupo de enzimas llamadas transferidoras de electrones (fig. 2.32). El NAD (nicotinamida adenina dinucleótido) es la coenzima de la enzima deshidrogenasa flavin dependiente, como su nombre lo dice deshidrogena; es decir, gana electrones a partir del hidrógeno, convirtiéndose en NADH (forma reducida). Más adelante participará la FAD (flavín adenín dinucleótido), prostético de la enzima deshidrogenasa flavín dependiente que al ganar electrones del hidrógeno se convierte en FADH (forma reducida). El piruvato (ganado en la glucólisis) se convertirá gracias al complejo multienzimático de la piruvato deshidrogenasa (PDH) en Acetil-CoA (Acetil Coenzima A) y se producirá otro NADH. El Acetil-CoA es el combustible del ciclo de Krebs, se lleva a cabo en la mitocondria y consiste en una serie de reacciones que producirán por cada molécula de Acetil-CoA, 3 NADH, 1 FADH y 1 ATP (fig. 2.33). Finalmente, todos los NADH y los FADH obtenidos en la degradación de una molécula de glucosa (diez y dos respectivamente), pasarán a la ruta metabólica denominada transporte de electrones, aquí donarán sus electrones a otras enzimas transferidoras de electrones ubicadas en la membrana interna de la mitocondria, cuyas moléculas quedarán en su forma oxidada (NAD y FAD) (fig. 2.34). Dichas enzimas transferidoras de electrones son las ferrosulfoproteínas, citocromos y ubiquinona o coenzima Q, todas actúan recibiendo los electrones y pasándolos a la siguiente molécula hasta llegar a unirse al protón H+ para después llegar al aceptor final que es el oxígeno y formar agua. En su paso por estas enzimas, los electrones promueven la salida al espacio intermembranal de protones (H+), esto genera un gradiente de concentración de protones, que puede producir un potencial eléctrico. Dicho potencial eléctrico generará la fuerza protón motriz (fig. 2.35). La fuerza protón motriz se puede imaginar como un tinaco repleto de agua, en donde la caída del líquido se da por un tubo pequeño que genera tal presión que hace girar un motor. Dicho motor es otra enzima, la ATP sintasa. Por el interior de ésta pasan los protones (del espacio intermembranal) hacia la matriz mitocondrial (de regreso). Conforme van pasando hacen girar la enzima a manera de un torniquete del supermercado, de tal suerte que la propia enzima abre unos espacios y cierra otros.

Acetil CoA

Oxalacetato (presente sólo en pequeñas cantidades) Citrato sintetasa

Malato Malato deshidrogenasa

Fumarasa Las zonas sombreadas representan el CO2 proveniente del Acetil CoA durante todo el ciclo antes de ser eliminado.

Isocitrato deshidrogenasa Aconitasa

Isocitrato

Fumarato

Succinato deshidrogenasa Succinato tionsinasa Oxoglutarato

Oxalato deshidrogenasa

Succinato Succinil

CoA

Figura 2.33 El ciclo de Krebs aporta 1 ATP, 3 NADH y 1 FADH.

Figura 2.34 Transporte de electrones.