Propiedades de las enzimas

Enzimas

Las enzimas son catalizadores biológicos selectivos de una eficiencia extraordinaria. Toda célula viva dispone de cientos de enzimas distintas que catalizan las reacciones esenciales para la vida.

El papel principal de las enzimas es aumentar las velocidades de tales reacciones. Las enzimas pueden hacer más que sólo aumentar la velocidad de una sola reacción muy específica. Algunas también pueden combinar, o acoplar, dos reacciones que normalmente serían separadas. Esta propiedad permite que la energía ganada en una reacción se use en una segunda reacción. Un catalizador es una sustancia que acelera la llegada a un equilibrio. Un catalizador puede cambiar en forma temporal durante la reacción, pero no cambia en el proceso general, porque se recicla para participar en varias reacciones.

El nombre enzima deriva de una palabra griega que significa “en la levadura”. Indica que dichos catalizadores están presentes en el interior de las células. A finales del siglo XIX se estudió la fermentación de los azúcares por acción de células de levadura.

Clases de enzima:

ª      Oxidorreductasas: Estas catalizan las reacciones de oxidación-reducción. La mayor parte de esas enzimas se llaman, en general, deshidrogenasas. También hay otras llamadas oxidasas, peroxidasas, oxigenasas o reductasas.

ª   Transferasas: encargadas de catalizar las reacciones de transferencia de un grupo y pueden necesitar la presencia de coenzimas.

ª   Hidrolasas: clase especial de transferasas donde el agua sirve como aceptor del grupo transferido. La pirofosfatasa es un ejemplo sencillo de una hidrolasa.

ª      Liasas: catalizan la división de C—C, C—O, C—N y otros enlaces mediante eliminación de átomo, dejando dobles enlaces.

ª      Isomerasas: catalizan cambios geométricos o estructurales dentro de una molécula.

ª      Ligasas: catalizan la unión de dos moléculas acopladas a la hidrólisis de ATP.

Experimentos cinéticos que revelan las propiedades de las enzimas

    1.          Cinética Química: se examina la relación entre la cantidad de producto (P) que se forma en una unidad de tiempo  y las condiciones experimentales bajo las que se efectúa la reacción. La base de la mayor parte de las mediciones cinéticas es la observación de la rapidez, o velocidad ( ), de una reacción, la cual varía en forma directa con la concentración de cada reactante. Esta observación se expresa en una ecuación de velocidad.

    2.    Cinética enzimática: Los primeros estudios de cinética enzimática confirmaron que una enzima (E) se une a un sustrato para formar un complejo enzima-sustrato (ES). Los complejos ES se forman cuando los ligandos se unen de manera no covalente a sus lugares adecuados en el sitio activo. El sustrato reacciona en forma transitoria con la proteína catalizadora (y con otros sustratos, en una reacción multisustratos) para formar el producto de la reacción. Esta reacción se efectúa en dos pasos distintos: la formación del complejo enzima sustrato y la reacción química actual, acompañada por la disociación del producto.

Ecuación de Michaelis- Menten

Las reacciones pueden ser descritas matemáticamente mediante ecuaciones de velocidad. Las primeras ecuaciones de velocidad fueron deducidas a principios de 1900.

La ecuación de Michaelis-Menten  ilustra en términos matemáticos la relación entre la velocidad de reacción inicial V₁ y la concentración de sustrato [S].

La constante K_m de Michaelis es la concentración de sustrato a la cual V₁ es la mitad de la velocidad máxima (V_max/2) alcanzable a una concentración particular de enzima.

1.    Cuando [S] es mucho menor que el término K_m + [S] es en esencia igual a la K_m. En otras palabras, cuando [S] está muy por debajo de K_m, V₁ es proporcional a k [S]. Por ende, la velocidad de reacción inicial es directamente proporcional a [S].

2.     Cuando [S] es mucho mayor que Km el término Km + [S] es en esencia igual a [S]. 

3.    Cuando [S] = K_m

Deducción de la ecuación de Michaelis-Menten

Una deducción común de la ecuación de Michaelis-Menten, debida a George E. Briggs y J. B. S. Haldane, es llamada la derivación del estado estable. Esta deducción postula que hay un intervalo de tiempo (llamado estado estable, o estado estacionario) durante el cual se forma el complejo ES a la misma velocidad con la que se descompone, de modo que la concentración de ES es constante. La velocidad inicial se usa en la derivación del estado estable porque se asume que la concentración de producto ([P]) es insignificante.

Al suponer que la concentración de ES en estado estable es constante, entonces la velocidad de formación de producto depende de la velocidad de la reacción química y de la velocidad de disociación de P para abandonar la enzima. El paso limitante de la velocidad es hacia el lado derecho de la reacción  y la velocidad depende de la constante de velocidad k₂ y de la concentración de ES.

B. Constante catalítica k_cat

Cuando la concentración de sustrato es alta, la velocidad total de la reacción es V_máx y está determinada por la concentración de la enzima. La constante de velocidad observada bajo estas condiciones se llama constante catalítica, K_cat, y se define como sigue:

Donde k_cat representa la cantidad de moles de sustrato convertidos en producto, por segundo y por mol de enzima (o por mol de sitio activo, para una enzima con multisubunidades) bajo condiciones de saturación. En otras palabras, k_cat indica la cantidad máxima de moléculas de sustrato convertidas en producto cada segundo por cada sitio activo. A eso se le llama con frecuencia número de recambio. La constante catalítica mide la rapidez con que determinada enzima puede catalizar una reacción específica; es una forma muy útil para describir la eficacia de una enzima. La unidad de k_cat es s^-1. El recíproco de k_cat es el tiempo necesario para que haya un evento catalítico.

Significados de Km

La constante de Michaelis tiene varios significados. La ecuación siguiente define a K_m como la relación de las constantes de velocidad combinadas para la descomposición de ES dividida entre la constante para su formación.

Medición de Km y Vmáx

Los parámetros cinéticos de una reacción enzimática pueden producir información valiosa acerca de la especificidad y el mecanismo de la reacción. Los parámetros clave son K_m y V_máx  ya que k_cat se puede calcular si se conoce V_máx.

Los datos de K_m y V_máx para una reacción catalizada por enzima se pueden determinar de diversas maneras. Es posible obtener ambos valores por análisis de las velocidades iniciales en una serie de concentraciones de sustrato y una concentración fija de enzima. Para obtener valores fiables de las constantes cinéticas, los puntos de [S] se deben extender por abajo y por arriba de Km para producir una hipérbola. Es difícil determinar K_m o V_máx en forma directa con una gráfica de velocidad inicial en función de la concentración porque la curva tiende a la V_máx en forma asintótica. Sin embargo, se pueden determinar valores exactos usando un programa de cómputo adecuado para ajustar los resultados experimentales a la ecuación de la hipérbola.

La ecuación de Michaelis-Menten se puede reacomodar para obtener valores de V_máx y K_m a partir de líneas rectas en gráficas.

Cinética de las reacciones con sustratos múltiples

Las mediciones cinéticas de reacciones con sustratos múltiples son algo más complicadas que para cinéticas enzimáticas sencillas con un solo sustrato.

Las reacciones de multisustrato pueden efectuarse de acuerdo con varios y distintos esquemas cinéticos llamados mecanismos cinéticos porque se deducen en su totalidad mediante experimentos cinéticos. Los mecanismos cinéticos son comúnmente representados con la notación introducida por W. W. Cleland.

Las reacciones consecutivas (o secuenciales) requieren que todos los sustratos estén presentes para que se libere algún producto. Estas reacciones secuenciales pueden ser ordenadas, con un orden obligatorio de enlazamiento de sustratos y de liberación de productos. También pueden ser aleatorias, sin orden obligatorio de enlazamiento o liberación. En las reacciones ping-pong se libera un producto  antes de que se enlacen todos los sustratos.

Inhibición enzimática

Los inhibidores de las actividades catalíticas de enzimas proporcionan tanto agentes farmacológicos como recursos de investigación para estudiar el mecanismo de acción de las enzimas. La fuerza de la interacción entre un inhibidor y una enzima depende de las fuerzas importantes en la estructura de proteína y la unión de ligando (enlaces de hidrógeno, interacciones electrostáticas, interacciones hidrofóbicas y fuerzas de van der Waals). Los inhibidores pueden clasificarse con base en su sitio de acción en la enzima, en si producen modificación química de la enzima, o en los parámetros de cinética sobre los cuales influyen. Desde el punto de vista cinético, se distinguen dos clases de inhibidores con base en si el aumento de la concentración de sustrato supera o no la inhibición.

Muchos fármacos actúan como inhibidores de enzimas:

El objetivo de la farmacología es identificar agentes que pueden:

1. Destruir o alterar el crecimiento, la invasividad o el desarrollo de agentes patógenos invasores

2. Estimular mecanismos de defensa endógenos

3. Suspender u obstaculizar procesos moleculares aberrantes desencadenados por estímulos genéticos, ambientales o biológicos, con trastorno mínimo de las funciones celulares normales del huésped.

En virtud de sus diversas funciones fisiológicas y alto grado de selectividad de sustrato, las enzimas constituyen blancos naturales para la creación de fármacos que son tanto potentes como específicos.

Inhibición competitiva

Los efectos de los inhibidores competitivos pueden superarse al aumentar la concentración de sustrato. Con mayor frecuencia, la inhibición competitiva del inhibidor (I) se une a la porción de unión a sustrato del sitio activo, lo que bloquea el acceso por el sustrato. Por ende, las estructuras de casi todos los inhibidores competitivos clásicos tienden a asemejarse a las estructuras de un sustrato y, así, se  llaman análogos de sustrato.

Un inhibidor competitivo actúa al disminuir el número de moléculas de enzima libres disponibles para unión a sustrato, esto es, para formar ES y, así, finalmente para formar producto, un inhibidor competitivo y sustrato ejercen efectos recíprocos sobre la concentración de los complejos EI y ES.

Inhibidores Acompetitivos

En la inhibición acompetitiva, el inhibidor sólo se une al complejo enzima-sustrato, y no a la enzima libre.La Inhibición acompetitiva suele observarse en las reacciones en las que las enzimas unen más de un sustrato.

Inhibidores no competitivos

En algunas reacciones catalizadas por enzimas el inhibidor puede unirse tanto a la enzima como al complejo enzima-sustrato:

En estas circunstancias, que se denominan inhibición no competitiva, el inhibidor se une a un lugar diferente del lugar activo. La unión del inhibidor ocasiona la modificación de la conformación de la enzima que impide la formación del producto.

Normalmente, los inhibidores no competitivos no afectan a la unión del sustrato y se parecen poco o nada a éste. Como con los inhibidores acompetitivos, la inhibición no competitiva sólo se invierte parcialmente aumentando la concentración de sustrato.

.

Inhibición irreversible

La inhibición puede ser reversible o irreversible. En la inhibición reversible (es decir, inhibición competitiva, acompetitiva y no competitiva), el inhibidor puede disociarse de la enzima debido a que se une  mediante enlaces no covalentes. Los inhibidores irreversibles normalmente se unen covalentemente a la enzima, con frecuencia a una cadena lateral del lugar activo.

Enzimas alostéricas

Las enzimas alostéricas son enzimas cuyas propiedades son afectadas por cambios en la estructura. Los cambios estructurales son ocasionados por interacción con moléculas pequeñas. Con frecuencia, las enzimas alostéricas no presentan cinética clásica de Michaelis-Menten debido a su unión cooperativa del sustrato, como el caso de la hemoglobina, que no es enzima.

Propiedades generales de las enzimas alostéricas

1.    Las actividades de las enzimas alostéricas cambian debido a inhibidores y activadores metabólicos.

2.    Los moduladores alostéricos se enlazan en forma no covalente a las enzimas que regulan.

3.    Con pocas excepciones, las enzimas reguladoras son proteínas de subunidades múltiples.

4.    Toda enzima sujeta a regulación alostérica posee cuando menos un sustrato para el cual la curva de V_O en función del [S] es sigmoidea en lugar de hiperbólica.