Enzimas

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Las enzimas (del latín  fermentum  “masa madre”), o enzimas [1] (del griego ζύμη , ἔνζυμον “ masa madre ”), suelen ser compuestos proteicos complejos , ARN ( ribozimas ) o sus complejos, que aceleran las reacciones químicas en los sistemas vivos. Cada enzima, plegada en una estructura específica, acelera la reacción química correspondiente : los reactivos en tal reacción se denominan sustratos y las sustancias resultantes se denominan productos. Enzimas específicas de sustrato: ATPasacataliza la descomposición de ATP únicamente, y la fosforilasa quinasa fosforila únicamente a la fosforilasa [2] .

La actividad enzimática puede ser regulada por activadores (aumento) e inhibidores (disminución).

Las enzimas proteicas se sintetizan en los ribosomas , mientras que el ARN  se sintetiza en el núcleo .

Los términos enzima y enzima se han utilizado durante mucho tiempo como sinónimos : el primero se encuentra principalmente en la literatura científica rusa y alemana, el segundo, en inglés y francés.

La ciencia de las enzimas se llama enzimología , no fermentología (para no confundir las raíces de las palabras latinas y griegas).

Historia del estudio

A finales del XVIII - principios. Siglo 19 ya se sabía que la carne se digiere por los jugos gástricos , y el almidón se convierte en azúcar por la acción de la saliva . Sin embargo, se desconocía el mecanismo de estos fenómenos [3] .

En el siglo 19 Louis Pasteur , al estudiar la conversión de carbohidratos en alcohol etílico bajo la acción de la levadura , llegó a la conclusión de que este proceso ( fermentación ) es catalizado por cierta fuerza vital ( enzima ) ubicada en las células de levadura, y creía que estas "fuerzas" son inseparables de la estructura de una levadura celular viva. Este punto de vista dominó la ciencia durante mucho tiempo [4] y contradecía la teoría de la fermentación de J. Liebig , entonces predominante, según la cual todos los procesos de fermentación se presentaban como fenómenos puramente químicos de naturaleza catalítica (como si la fermentación alcohólica ocurriera). debido al hecho de que las vibraciones moleculares de las partículas en descomposición de la levadura se transfieren al azúcar y el azúcar comienza a descomponerse en alcohol y dióxido de carbono; por lo tanto, la levadura no causa fermentación durante la vida, sino solo después de su muerte) [5] .

Los diferentes puntos de vista sobre la naturaleza de la fermentación alcohólica en la disputa teórica entre L. Pasteur , por un lado, y los mecanicistas M. Berthelot y J. Liebig  , por el otro, llevaron a la separación de dos términos correspondientes en la ciencia. comunidad. En realidad , las enzimas (del lat.  fermentum  - masa madre) comenzaron a llamarse "enzimas organizadas", es decir, los propios microorganismos vivos. En contraste con este enfoque, en 1876, W. Kuehne propuso el término enzima (del griego ἐν-  - en- y ζύμη  - levadura , masa madre, es decir, "en levadura") para referirse a las "enzimas no organizadas" secretadas por las células. , por ejemplo, en el estómago ( pepsina ) o los intestinos ( tripsina , amilasa ).

Dos años después de la muerte de L. Pasteur en 1897, E. Buchner publicó el trabajo "Fermentación alcohólica sin células de levadura", en el que demostró experimentalmente que el jugo de levadura sin células realiza la fermentación alcohólica de la misma manera que las células de levadura no destruidas. En 1907, recibió el Premio Nobel por este trabajo. Una enzima cristalina altamente purificada ( ureasa ) fue aislada por primera vez en 1926 por J. Sumner . Durante los siguientes 10 años, se aislaron varias enzimas más y finalmente se probó la naturaleza proteica de las enzimas.

La actividad catalítica del ARN fue descubierta por primera vez en la década de 1980 en pre-ARNr por Thomas Check , que estaba estudiando el empalme del ARN en el ciliado Tetrahymena thermophila . La ribozima resultó ser una porción de la molécula de pre-ARNr de Tetrahymena codificada por el intrón del gen del ADNr extracromosómico; esta región realizó autosplicing, es decir, se extirpó durante la maduración del rRNA.

Funciones de las enzimas

Hay dos formas principales de aumentar la velocidad de una reacción química. La primera forma es aumentar la temperatura, es decir, la aceleración del movimiento térmico de las moléculas, lo que conduce a un aumento en la fracción de moléculas que tienen suficiente energía interna para alcanzar el estado de transición. Por regla general, un aumento de la temperatura de 10 °C provoca una aceleración de una reacción química de aproximadamente 2 veces (ver regla de van't Hoff ).

La segunda forma de acelerar una reacción química es agregar un catalizador. Los catalizadores aceleran las reacciones químicas al encontrar "soluciones alternativas" que permiten que las moléculas superen la barrera de activación a un nivel de energía más bajo. El catalizador (indicado con la letra K ) en la etapa intermedia interactúa con el reactivo A para formar un nuevo compuesto complejo KA , cuyo estado de transición corresponde a una energía de activación significativamente menor en comparación con el estado de transición del reactivo A en el no -Reacción catalizada. Luego, el complejo reactivo-catalizador ( CA ) se descompone en el producto P y un catalizador libre, que puede combinarse nuevamente con otra molécula A y repetir el ciclo completo. Es así como los catalizadores reducen la energía de activación de una reacción química; en su presencia, una fracción mucho mayor de las moléculas de una población determinada entran en una reacción por unidad de tiempo. Las enzimas, como otros catalizadores, se combinan con sus sustratos durante el ciclo catalítico [6] .

Las enzimas están presentes en todas las células vivas y contribuyen a la transformación de unas sustancias en otras. Las enzimas actúan como catalizadores en casi todas las reacciones bioquímicas que ocurren en los organismos vivos. Para 2013, se han descrito más de 5000 enzimas diferentes [7] [8] . Desempeñan un papel importante en todos los procesos de la vida, dirigiendo y regulando el metabolismo del cuerpo .

Como todos los catalizadores, las enzimas aceleran las reacciones directa e inversa al reducir la energía de activación del proceso. En este caso, el equilibrio químico no se desplaza ni hacia adelante ni en la dirección opuesta. Una característica distintiva de las enzimas en comparación con los catalizadores no proteicos es su alta especificidad : la constante de unión de algunos sustratos a una proteína puede alcanzar 10-10 mol/l o menos. Cada molécula de enzima es capaz de realizar desde varios miles hasta varios millones de "operaciones" por segundo.

Por ejemplo, una molécula de la enzima renina , contenida en la mucosa gástrica de un ternero, cuaja unas 106 moléculas de caseinógeno de la leche en 10 minutos a una temperatura de 37 °C.

Al mismo tiempo, la eficiencia de las enzimas es mucho mayor que la eficiencia de los catalizadores no proteicos: las enzimas aceleran la reacción millones y miles de millones de veces, los catalizadores no proteicos, cientos y miles de veces. (ver también enzima catalíticamente perfecta )

Convenciones de nomenclatura de enzimas

Por lo general, las enzimas reciben el nombre del tipo de reacción que catalizan, agregando el sufijo -asa al nombre del sustrato ( por ejemplo , la lactasa  es una enzima involucrada en la conversión de lactosa ). Así, diferentes enzimas que realizan la misma función tendrán el mismo nombre, o la misma enzima tendrá dos o más nombres. Tales enzimas se distinguen por otras propiedades, como un pH óptimo ( fosfatasa alcalina ) o localización en la célula ( ATPasa de membrana ). Muchas enzimas tienen nombres históricamente triviales que no están relacionados con los nombres de sus sustratos, como pepsina y tripsina . Debido a estas y otras dificultades, así como al número cada vez mayor de enzimas recién descubiertas, se adoptó un acuerdo internacional para crear una nomenclatura y una clasificación sistemáticas de las enzimas [9] .

Clasificación de las enzimas

Según el tipo de reacciones catalizadas, las enzimas se dividen en 7 clases de acuerdo con la clasificación jerárquica de las enzimas ( EC , EC  - Enzyme Comission code). La clasificación fue propuesta por la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular ( International Union of Biochemistry and Molecular Biology ). Cada clase contiene subclases, por lo que una enzima se describe mediante un conjunto de cuatro números separados por puntos. Por ejemplo, la pepsina tiene el nombre EC 3.4.23.1. El primer número describe aproximadamente el mecanismo de la reacción catalizada por la enzima:

El segundo número en el nombre de la enzima refleja la subclase, el tercero - la subclase y el cuarto - el número de serie de la enzima en su subclase [11] .

Al ser catalizadores , todas las enzimas aceleran tanto las reacciones directas como las inversas, por lo tanto, por ejemplo, las liasas pueden catalizar la reacción inversa: la adición de dobles enlaces.

Investigación cinética

La descripción más simple de la cinética de las reacciones enzimáticas de un solo sustrato es la ecuación de Michaelis-Menten (ver Fig.).

En 1972-1973. se creó el primer modelo mecánico-cuántico de catálisis enzimática (autores M. V. Volkenshtein , R. R. Dogonadze, Z. D. Urushadze y otros) [12] [13] [14] [15] . Suponga que la concentración de enzima es constante y es necesario medir el efecto de cambiar la concentración de sustrato sobre la velocidad inicial de la reacción enzimática. A concentraciones de sustrato muy bajas, la velocidad de reacción es muy lenta, pero aumenta constantemente a medida que aumenta gradualmente la concentración de sustrato. Sin embargo, los incrementos en la velocidad de la reacción catalítica se vuelven cada vez más pequeños con cada aumento en la concentración del sustrato. Finalmente, llega un momento en que cualquier aumento en la concentración del sustrato provoca solo una aceleración infinitesimal de la reacción: no importa cuánto aumente la concentración del sustrato, la velocidad de reacción solo puede acercarse a una meseta, pero nunca la alcanza. En esta meseta, llamada velocidad máxima de reacción ( Vmax ), la enzima está saturada de sustrato y no puede funcionar más rápido. Este efecto de saturación es característico de casi todas las enzimas.

El valor de V max se puede determinar a partir del gráfico presentado por aproximación. Una determinación exacta en este caso es imposible, ya que a medida que aumenta la concentración del sustrato, la velocidad de reacción inicial solo se acerca a Vmax , pero nunca la alcanza. La concentración de sustrato a la que la velocidad de reacción es la mitad del máximo (indicada como ½ V máx en el gráfico ) es la constante de Michaelis -Menten ( KM ). Puede determinarse a partir del gráfico, también por aproximación, o por transformaciones algebraicas de la ecuación de Michaelis-Menten [16] .

Estructura y mecanismo de acción de las enzimas

La actividad de las enzimas está determinada por su estructura tridimensional y tetradimensional [17] .

Como todas las proteínas, las enzimas se sintetizan como una cadena lineal de aminoácidos que se pliega de una manera específica. Cada secuencia de aminoácidos se pliega de una manera específica y la molécula resultante ( glóbulo de proteína ) tiene propiedades únicas. Varias cadenas de proteínas pueden combinarse para formar un complejo de proteínas . Las estructuras terciarias y cuaternarias de las proteínas se destruyen por el calor, los cambios de pH o la exposición a ciertos productos químicos.

Hasta la fecha, se han descrito varios mecanismos de acción enzimática. Una reacción enzimática simple puede involucrar solo una molécula de sustrato C, que se une a la enzima F para formar el producto P:

S + F → F S → PAGS + F .

Sin embargo, de hecho, en muchas reacciones enzimáticas del metabolismo, dos ya veces incluso tres moléculas de diferentes sustratos toman parte y se unen a la enzima. Tales reacciones generalmente implican la transferencia de un átomo o grupo funcional de un sustrato a otro. Tales reacciones pueden proceder por dos mecanismos diferentes. En las reacciones del primer tipo, denominadas reacciones de sustitución simple , dos sustratos C 1 y C 2 se unen a la enzima F de forma específica o aleatoria para formar un complejo F C 1 C 2 , que luego se descompone en los productos P 1 y P 2 :

C 1 + C 2 + F → F C 1 C 2 → PAGS 1 + PAGS 2 + F.

La segunda clase de reacciones de dos sustratos se compone de reacciones que proceden del mecanismo de doble sustitución (mecanismo tipo ping-pong):

C 1 X + C 2 + F → F C 1 X C 2 → PAGS 1 + PAGS 2 X + F.

En estas reacciones, solo uno de los dos sustratos se une al centro catalítico de la enzima en un momento dado. La unión del primer sustrato va acompañada de la transferencia de su grupo funcional a la molécula de enzima. Solo después de la eliminación del producto formado a partir del primer sustrato, el segundo sustrato puede unirse a la enzima y aceptar un grupo funcional [18] .

Sitio activo de las enzimas

El estudio del mecanismo de una reacción química catalizada por una enzima, junto con la determinación de los productos intermedios y finales en las diferentes etapas de la reacción, implica un conocimiento preciso de la geometría de la estructura terciaria de la enzima, la naturaleza de la función grupos de su molécula , proporcionando especificidad de acción y alta actividad catalítica sobre un sustrato dado , así como la naturaleza química del sitio (sitios) de la molécula de la enzima, que proporciona una alta velocidad de la reacción catalítica. Por lo general, las moléculas de sustrato involucradas en las reacciones enzimáticas son relativamente pequeñas en comparación con las moléculas de enzima. Por lo tanto, durante la formación de complejos enzima-sustrato, solo entran en interacción química directa fragmentos limitados de la secuencia de aminoácidos de la cadena polipeptídica - el "centro activo" - una combinación única de residuos de aminoácidos en la molécula de enzima, que proporciona interacción con la molécula sustrato y participación directa en el acto de catálisis [19] .

El centro activo se distingue condicionalmente [19] :

Para catalizar una reacción, una enzima debe unirse a uno o más sustratos. La cadena de proteína de la enzima se pliega de tal manera que se forma un espacio o depresión en la superficie del glóbulo, donde se unen los sustratos. Esta región se denomina sitio de unión al sustrato. Por lo general, coincide con el sitio activo de la enzima o se encuentra cerca de él. Algunas enzimas también contienen sitios de unión para cofactores o iones metálicos.

La enzima se une al sustrato:

Por lo general, la unión de una enzima a un sustrato ocurre debido a enlaces iónicos o de hidrógeno, rara vez debido a enlaces covalentes. Al final de la reacción, su producto (o productos) se separa de la enzima.

Como resultado, la enzima reduce la energía de activación de la reacción. Esto se debe a que, en presencia de la enzima, la reacción sigue un camino diferente (de hecho, ocurre una reacción diferente), por ejemplo:

En ausencia de una enzima:

A+B = AB

En presencia de una enzima:

  1. A+F = FA
  2. FA+V = FAV
  3. AVF \u003d AV + F

donde A, B son sustratos, AB es el producto de reacción, F es la enzima.

Las enzimas no pueden proporcionar energía para las reacciones endergónicas (que requieren energía) por sí solas. Por lo tanto, las enzimas que llevan a cabo tales reacciones las acoplan con reacciones exergónicas que proceden con la liberación de más energía. Por ejemplo, las reacciones de síntesis de biopolímeros a menudo se combinan con la reacción de hidrólisis de ATP .

Los centros activos de algunas enzimas se caracterizan por el fenómeno de la cooperatividad .

Especificidad

Las enzimas suelen exhibir una alta especificidad por sus sustratos (especificidad de sustrato). Esto se logra mediante la complementariedad parcial de la forma, la distribución de carga y las regiones hidrófobas en la molécula del sustrato y en el sitio de unión del sustrato en la enzima. Las enzimas también suelen exhibir altos niveles de estereoespecificidad (forman solo uno de los posibles estereoisómeros como producto o usan solo un estereoisómero como sustrato), regioselectividad (forman o rompen un enlace químico en solo una de las posiciones posibles del sustrato) y quimioselectividad (catalizar solo una reacción química) de varias condiciones posibles para estas condiciones). A pesar del alto nivel general de especificidad, el grado de especificidad de sustrato y reacción de las enzimas puede ser diferente. Por ejemplo, la endopeptidasa tripsina solo rompe un enlace peptídico después de la arginina o la lisina , a menos que vayan seguidas de una prolina, y la pepsina es mucho menos específica y puede romper un enlace peptídico después de muchos aminoácidos.

Modelo de bloqueo de teclas

En 1890, Emil Fischer sugirió que la especificidad de las enzimas está determinada por la correspondencia exacta entre la forma de la enzima y el sustrato [20] . Esta suposición se llama modelo de llave y candado. La enzima se une al sustrato para formar un complejo enzima-sustrato de vida corta. Sin embargo, aunque este modelo explica la alta especificidad de las enzimas, no explica el fenómeno de estabilización del estado de transición que se observa experimentalmente.

El modelo de ajuste inducido

En 1958, Daniel Koshland propuso una modificación del modelo "mano-guante" [21] . Las enzimas generalmente no son moléculas rígidas, sino flexibles. El sitio activo de una enzima puede cambiar de conformación después de unirse al sustrato. Los grupos laterales de los aminoácidos del sitio activo toman una posición que permite que la enzima realice su función catalítica. En algunos casos, la molécula de sustrato también cambia de conformación después de unirse al sitio activo. A diferencia del modelo de bloqueo de teclas, el modelo de ajuste inducido explica no solo la especificidad de las enzimas, sino también la estabilización del estado de transición. Este modelo fue llamado "mano-guante".

Modificaciones

Muchas enzimas sufren modificaciones después de la síntesis de la cadena proteica, sin las cuales la enzima no muestra su actividad en toda su extensión. Estas modificaciones se denominan modificaciones postraduccionales (procesamiento). Uno de los tipos de modificación más comunes es la adición de grupos químicos a los residuos laterales de la cadena polipeptídica. Por ejemplo, la adición de un residuo de ácido fosfórico se llama fosforilación y es catalizada por la enzima quinasa . Muchas enzimas eucariotas están glicosiladas, es decir, modificadas con oligómeros de carbohidratos.

Otro tipo común de modificaciones postraduccionales es la escisión de la cadena polipeptídica. Por ejemplo, la quimotripsina ( una proteasa implicada en la digestión ) se obtiene escindiendo una región polipeptídica del quimotripsinógeno. El quimotripsinógeno es un precursor inactivo de la quimotripsina y se sintetiza en el páncreas , y desde allí se transporta al duodeno , donde esta forma inactiva es activada por la tripsina y convertida en quimotripsina.

Cofactores enzimáticos

Algunas enzimas realizan la función catalítica por sí solas, sin ningún componente adicional. Sin embargo, existen enzimas que requieren componentes no proteicos para la catálisis. Los cofactores pueden ser moléculas inorgánicas (iones metálicos, grupos de hierro y azufre, etc.) u orgánicas (por ejemplo, flavina o hemo ). Los cofactores orgánicos que están fuertemente asociados con la enzima también se denominan grupos prostéticos. Los cofactores orgánicos que se pueden separar de la enzima se denominan coenzimas.

Una enzima que requiere un cofactor para exhibir actividad catalítica, pero que no se une a él, se denomina apoenzima. Una apoenzima en combinación con un cofactor se denomina holoenzima. La mayoría de los cofactores están asociados con la enzima mediante interacciones no covalentes pero bastante fuertes. También hay grupos prostéticos que están unidos covalentemente a la enzima, como el pirofosfato de tiamina en la piruvato deshidrogenasa.

Influencia de las condiciones ambientales sobre la actividad de las enzimas

La actividad de las enzimas depende de las condiciones en la célula u organismo: presión, acidez del ambiente, temperatura, concentración de sales disueltas (fuerza iónica de la solución), etc.

Regulación enzimática

La actividad enzimática no es constante en el tiempo. Reaccionan con sensibilidad a la situación en la que se encuentra la célula, a los factores que la afectan tanto desde el exterior como desde el interior. El objetivo principal de tal sensibilidad de las enzimas es responder a los cambios ambientales, adaptar la célula a las nuevas condiciones, dar una respuesta adecuada a los estímulos hormonales y de otro tipo y, en algunas situaciones, tener la oportunidad de sobrevivir [22] .

Inhibición

Ciertas sustancias químicas pueden suprimir o inhibir la acción de la mayoría de las enzimas . El mecanismo de acción de algunos fármacos es precisamente que inhiben ciertas enzimas en células con funciones alteradas.

Hay dos tipos principales de inhibidores: irreversibles y reversibles. Los inhibidores reversibles se unen a la enzima mediante enlaces no covalentes débiles y, en determinadas condiciones, se separan fácilmente [23] . Los inhibidores irreversibles se unen o destruyen el grupo funcional de la molécula de enzima. Por ejemplo, el fluorofosfato de diisopropilo (DPP, uno de los primeros agentes nerviosos) se une al grupo OH de un residuo de serina en el sitio activo de la acetilcolinesterasa, que juega un papel importante en la transmisión del impulso nervioso, y la enzima deja de funcionar. La DPP es capaz de inhibir toda una clase de enzimas que catalizan la hidrólisis de péptidos o enlaces éster, que, además de la acetilcolinesterasa, incluyen la tripsina , la quimotripsina, la elastasa, la fosfoglucomutasa y la coconasa (una enzima secretada por la larva del gusano de seda para hidrolizar los hilos de seda). y liberación del capullo). Un rasgo característico de todas estas enzimas es la presencia de un residuo de serina en el centro activo. Otro inhibidor irreversible, la yodoacetamida, puede interactuar con los grupos SH de los residuos de cisteína o con los grupos imidazol de los residuos de histidina contenidos en los sitios activos de otra serie de enzimas.

Los inhibidores reversibles son de naturaleza competitiva, no competitiva y no competitiva. Un inhibidor competitivo compite con el sustrato por unirse al sitio activo, pero a diferencia del sustrato, un inhibidor competitivo unido a una enzima no experimenta conversión enzimática. Una característica distintiva de la inhibición competitiva es que puede debilitarse o eliminarse por completo simplemente aumentando la concentración del sustrato. En su estructura tridimensional, los inhibidores competitivos suelen parecerse al sustrato de una enzima dada. Debido a esta similitud, “engañan” a la enzima y se unen a ella. Un ejemplo clásico es la inhibición de la succinato deshidrogenasa por el anión del ácido malónico ( -OOC - CH 2 -COO- ) , que se parece al succinato ( -OOC - CH 2 -CH 2 -COO  = 7,0 en forma ionizada (desprotonada), pero contiene 3 , no 4 átomos de carbono. La succinato deshidrogenasa no puede eliminar el hidrógeno del malonato, pero el malonato ocupa el sitio activo de la enzima, evitando que interactúe con un sustrato normal. El aumento de la concentración de succinato a una concentración fija de malonato reduce el grado de inhibición enzimática. Además, el oxaloacetato ( − OOC–CO–CH 2 —COO − ) actúa como un inhibidor competitivo de la succinato deshidrogenasa .

En el caso de inhibición no competitiva, la sustancia se une a la enzima no en el centro activo, sino en un lugar completamente diferente, sin embargo, en este caso, la conformación de la molécula de enzima cambia de tal manera que su centro catalítico es inactivado reversiblemente. Los inhibidores no competitivos se unen reversiblemente tanto a la enzima libre como al complejo enzima-sustrato, formando complejos inactivos enzima-inhibidor y enzima-sustrato-inhibidor. Los inhibidores no competitivos más importantes son intermediarios metabólicos formados en organismos vivos que pueden unirse reversiblemente a sitios específicos en la superficie de las enzimas reguladoras. Un ejemplo es la inhibición de la L-treonina deshidratasa por la L-isoleucina [24] .

En la inhibición no competitiva , el inhibidor se une solo al complejo enzima-sustrato, pero no a la enzima libre. El sustrato, al unirse a la enzima, cambia su conformación, lo que hace posible unirse al inhibidor. El inhibidor, a su vez, cambia la conformación de la enzima de tal manera que se hace imposible una mayor catálisis.

La vía metabólica es una cadena de reacciones enzimáticas sucesivas. En algunos casos, las moléculas del producto final de la vía metabólica se unen a la enzima que las produjo y evitan la formación posterior del mismo producto, por lo que el producto final también puede ser un inhibidor de la enzima. Esta situación es un caso particular de inhibición no competitiva. Como regla, en tales casos estamos hablando de bloquear la primera reacción de esta vía metabólica. Si hay demasiado producto final, entonces actúa como un inhibidor de la primera enzima, y ​​si después de esto el producto final se vuelve demasiado pequeño, entonces la primera enzima se activa nuevamente (los productos de la vía metabólica en este caso). ellos mismos resultan ser sustratos). Entonces, la inhibición por el producto final crea la oportunidad de una retroalimentación negativa  , una forma importante de mantener la homeostasis (la constancia relativa de las condiciones del entorno interno del cuerpo), y este tipo de regulación se denomina inhibición por retroalimentación o retroinhibición . Un ejemplo clásico de tal inhibición es el sistema enzimático bacteriano que cataliza la conversión de L-treonina a L-isoleucina bajo la influencia de la treonina deshidratasa, un proceso que incluye 5 reacciones enzimáticas. La treonina deshidratasa es inhibida por el producto de la última reacción, la isoleucina, y la isoleucina no se une al centro sustrato de la enzima, sino a otro sitio específico de su molécula, llamado centro regulador . Esta interacción no va acompañada de la formación de fuertes enlaces covalentes y, por tanto, es fácilmente reversible. Ninguno de los intermediarios en esta cadena de reacciones inhibe la treonina deshidratasa, y ninguna de las otras enzimas en la cadena es inhibida por la isoleucina, por lo que puede clasificarse como un inhibidor altamente específico de la treonina deshidratasa [25] .

Activación

En muchas situaciones, la acción de las enzimas se hace necesaria para aumentar, es decir, para activar las enzimas. Los activadores son diversas sustancias de naturaleza orgánica e inorgánica que aumentan la velocidad de las reacciones enzimáticas.

Ejemplos de activadores orgánicos: ácidos biliares (activan la lipasa pancreática), enteroquinasa (activan el tripsinógeno), glutatión, cisteína, vitamina C (aumentan la actividad de las oxidorreductasas), algunas enzimas tisulares (oxidorreductasas, catepsinas, arginasa, proteinasa vegetal, etc.) para en gran medida son activados por compuestos que contienen grupos SH libres (glutatión, cisteína).

Ejemplos de activadores inorgánicos: el HCl activa el pepsinógeno, los iones metálicos (Na + , Cl - , K + , Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ ) activan muchas enzimas, porque:

  1. promover la formación de un complejo enzima-sustrato;
  2. servir como donantes y aceptores de electrones;
  3. participar en la formación del centro activo de enzimas (Zn 2+  - en la composición de carbanhidrasa, Fe 2+  - en la composición de citocromos , catalasa , peroxidasa);
  4. actúan como reguladores alostéricos (del griego ἄλλος  - "otro", στερεός  - "sitio"; el efecto del regulador ocurre en un centro regulador específico de la enzima, que cambia la afinidad del centro del sustrato con el sustrato debido a un cambio en la conformación de toda la molécula) [26] [27] .

Los iones de metales divalentes y, más raramente, monovalentes actúan como activadores con especial frecuencia. Se ha obtenido evidencia de que aproximadamente una cuarta parte de todas las enzimas conocidas requieren la presencia de metales para exhibir una actividad catalítica completa, sin la cual muchas enzimas se vuelven inactivas. Así, cuando se elimina el zinc, la anhidrasa carbónica (anhidrasa carbónica), que cataliza la biosíntesis y descomposición del H 2 CO 3 , prácticamente pierde su actividad enzimática; además, el zinc no puede ser reemplazado por ningún otro metal. Enzimas conocidas, cuya acción es activada por iones de varios metales; en particular, la enolasa es activada por Mg 2+ , Mn 2+ , K + . En algunos casos, los iones metálicos (Co 2+ , Mg 2+ , Zn 2+ , Fe 2+ ) actúan como grupos prostéticos de enzimas, o sirven como aceptores y donantes de electrones, o actúan como electrófilos o nucleófilos, manteniendo los grupos reactivos en la orientación requerida. En otros casos, contribuyen a la unión del sustrato al sitio activo ya la formación de un complejo enzima-sustrato. Por ejemplo, los iones Mg 2+ , a través de un grupo fosfato cargado negativamente, aseguran la unión de ésteres monofosfato de sustancias orgánicas al centro activo de las fosfatasas que catalizan la hidrólisis de estos compuestos. A veces, el metal se combina con el sustrato, formando un verdadero sustrato, sobre el que actúa la enzima. En particular, los iones Mg 2+ activan la creatina fosfoquinasa debido a la formación de un verdadero sustrato: la sal de magnesio de ATP. Finalmente, existe evidencia experimental de la participación directa de metales (por ejemplo, iones Ca 2+ en la molécula de amilasa salival) en la formación y estabilización del centro activo y toda la estructura tridimensional de la molécula enzimática. También se debe tener en cuenta que los metales a menudo actúan como moduladores alostéricos (efectores). Al interactuar con el centro alostérico, dicho efector promueve la formación de la configuración espacial más favorable de la enzima y el complejo enzima-sustrato activo.

Los aniones en concentraciones fisiológicas suelen ser ineficaces o tienen poco efecto activador sobre las enzimas. Las excepciones son la pepsina, algunas oxidorreductasas activadas por aniones, así como la amilasa salival, que cataliza la hidrólisis del almidón, cuya actividad aumenta bajo la acción de los iones Cl- , y la adenilato ciclasa, que es activada por los aniones halógenos [28] [29] .

Modificación covalente

Hay representantes de la clase de enzimas reguladoras en las que la transición de la forma activa a la inactiva se produce por modificación covalente de la molécula de enzima. Esta clase incluye, por ejemplo, la glucógeno fosforilasa de los músculos y el hígado, que cataliza la reacción de escisión de la glucosa del glucógeno:

(Glucógeno) n  + Fosfato → (Glucógeno) n-1  + Glucosa-1-fosfato → Ácido láctico (músculo) o Glucosa (hígado)

La glucógeno fosforilasa existe en dos formas: fosforilasa  a (forma activa) y fosforilasa  b (forma relativamente inactiva). La fosforilasa  a es un dímero que consta de dos subunidades idénticas, cada una con un residuo de serina específico fosforilado en el grupo hidroxilo. Estos residuos de fosfoserina son necesarios para la máxima actividad enzimática. Estos grupos de fosfato de serina pueden ser eliminados por una enzima llamada fosforilasa fosfatasa , que produce fosforilasa  b , que cataliza la descomposición del glucógeno de forma mucho menos activa. Por lo tanto, la forma activa de glucógeno fosforilasa se convierte en una forma relativamente inactiva mediante la escisión de dos enlaces covalentes entre residuos de ácido fosfórico y dos residuos de serina específicos en la molécula de enzima.

La fosforilasa  b puede reactivarse de nuevo, es decir, convertirse en fosforilasa  a activa . Esta reacción la lleva a cabo otra enzima llamada fosforilasa quinasa , que cataliza la transferencia de grupos fosfato del ATP a los grupos hidroxilo de residuos de serina específicos en la fosforilasa  b .

Por lo tanto, la descomposición del glucógeno en los músculos esqueléticos y el hígado se regula cambiando las proporciones cuantitativas de las formas activa e inactiva de la enzima. La transición de una forma a otra va acompañada de cambios en la estructura cuaternaria de la enzima, que también afecta a su centro catalítico.

Aunque en la mayoría de los casos conocidos la regulación de la acción de las enzimas por su modificación covalente se lleva a cabo a través de la fosforilación y desfosforilación de residuos de serina específicos, como se acaba de describir en el ejemplo de la glucógeno fosforilasa, existen otras formas de modificación covalente de las enzimas, por ejemplo , metilación de ciertos residuos de aminoácidos, unión de grupos adenilato a ellos, y otros.

Algunas enzimas reguladoras más complejas están moduladas por mecanismos covalentes y no covalentes. Tales enzimas catalizan reacciones que son los pasos más importantes del metabolismo, por lo que interactúan con una variedad de metabolitos reguladores que llevan a cabo modificaciones tanto alostéricas como covalentes de estas enzimas. La glucógeno fosforilasa recién discutida también pertenece a tales enzimas, ya que además de la modificación covalente, también es posible su interacción no covalente (alostérica) con adenilato, que es un modulador activador de la fosforilasa  b . Otro ejemplo es la glutamina sintetasa de E. coli , una de las enzimas reguladoras más complejas que interactúa con muchos reguladores alostéricos y también está regulada por modificación covalente reversible [30] .

Múltiples formas de enzimas

Las múltiples formas de enzimas se pueden dividir en dos categorías:

  • Isoenzimas.
  • Formas propias del plural (verdadero).

Las isoenzimas  son enzimas cuya síntesis está codificada por diferentes genes, tienen diferentes estructuras primarias y diferentes propiedades, pero catalizan la misma reacción. Tipos de isoenzimas:

  • Orgánica - enzimas de la glucólisis en el hígado y los músculos ( hexoquinasa ).
  • Celular: malato deshidrogenasa citoplásmica y mitocondrial (las enzimas son diferentes, pero catalizan la misma reacción).
  • Híbrido: las enzimas con una estructura cuaternaria se forman como resultado de la unión no covalente de subunidades individuales ( lactato deshidrogenasa  - 4 subunidades de 2 tipos).
  • Los mutantes se forman como resultado de una sola mutación de un gen.
  • Las aloenzimas están codificadas por diferentes alelos del mismo gen.

En realidad, las formas múltiples (verdadero) son enzimas cuya síntesis está codificada por el mismo alelo del mismo gen, tienen la misma estructura primaria y propiedades, pero después de la síntesis en los ribosomas sufren modificaciones y se vuelven diferentes, aunque catalizan la misma reacción. .

Las isoenzimas son diferentes a nivel genético y difieren de la secuencia primaria, y las verdaderas formas múltiples se vuelven diferentes a nivel postraduccional.

La evolución de las enzimas

Como cualquier otra proteína, las enzimas cambian con el tiempo a través de mutaciones y desajustes de secuencia. Dado su papel central en el metabolismo , la evolución de las enzimas juega un papel fundamental en la adaptación de los organismos. La pregunta clave es si las enzimas pueden cambiar su actividad enzimática al mismo tiempo y cómo sucede esto. En general, se acepta que muchas actividades enzimáticas nuevas han evolucionado como resultado de la duplicación de genes y la mutación de duplicados, aunque la evolución puede ocurrir sin duplicación. Un ejemplo de una enzima que ha cambiado su actividad es el ancestro de la metionilaminopeptidasa (MAP) y la creatinamidinohidrolasa (creatinasa), que son claramente homólogos pero catalizan reacciones diferentes (MAP elimina la metionina amino-terminal en nuevas proteínas, mientras que la creatinasa hidroliza la creatina a sarcosina y urea ). Además, MAP depende de iones metálicos mientras que la creatinasa no, por lo que esta propiedad también se ha perdido con el tiempo [31] . Pequeños cambios en la actividad enzimática son extremadamente comunes entre las enzimas. En particular, la especificidad de unión de un sustrato se puede cambiar fácil y rápidamente cambiando los aminoácidos individuales en los sitios de unión del sustrato. Esto se ve a menudo en las principales clases de enzimas como las quinasas .

La evolución artificial (in vitro) ahora se usa ampliamente para cambiar la actividad o especificidad de las enzimas para sus aplicaciones industriales.

Uso práctico

Las enzimas se utilizan ampliamente en la economía nacional: alimentos, agricultura, industria textil, farmacología y medicina. La mayoría de las drogas afectan el curso de los procesos enzimáticos en el cuerpo, iniciando o deteniendo ciertas reacciones.

Importancia médica

La relación entre las enzimas y las enfermedades metabólicas hereditarias fue establecida por primera vez por A. Garrod en la década de 1910. Garrod llamó a las enfermedades asociadas con defectos enzimáticos "errores innatos del metabolismo".

Si ocurre una mutación en el gen que codifica una enzima en particular, la secuencia de aminoácidos de la enzima puede cambiar. Al mismo tiempo, como resultado de la mayoría de las mutaciones, su actividad catalítica disminuye o desaparece por completo. Si un organismo recibe dos de estos genes mutantes (uno de cada padre), la reacción química catalizada por esa enzima deja de ocurrir en el organismo. Por ejemplo, la aparición de albinos está asociada al cese de la producción de la enzima tirosinasa, responsable de una de las etapas en la síntesis del pigmento oscuro melanina . La fenilcetonuria se asocia con una actividad disminuida o ausente de la enzima fenilalanina-4-hidroxilasa en el hígado.

Actualmente se conocen cientos de enfermedades hereditarias asociadas a defectos enzimáticos. Se han desarrollado métodos para el tratamiento y la prevención de muchas de estas enfermedades.

Las enzimas se utilizan en el diagnóstico de enfermedades mediante la determinación cuantitativa de las propias enzimas en fluidos biológicos en patología.

Hay un gran gradiente de concentración de enzimas entre las partes intracelulares y extracelulares del cuerpo. Por lo tanto, cualquier daño, incluso menor, a las células (a veces trastornos funcionales) conduce a la liberación de enzimas en el espacio extracelular, desde donde ingresan a la sangre. Un aumento en el nivel de enzimas intracelulares en el plasma sanguíneo depende directamente de la naturaleza del efecto dañino, la duración de la acción y el grado de daño a las biomembranas celulares y las estructuras subcelulares de los órganos [32] .

Aplicaciones industriales

Dirección Enzimas Usadas Solicitud
industria de biocombustibles Celulasas La descomposición de la celulosa en azúcares que pueden fermentarse para producir etanol celulósico.
ligninasas Pretratamiento de biomasa para la producción de biocombustibles [33] .
detergente biológico Proteasas , amilasas , lipasas Eliminación de manchas de proteína, almidón, grasa o aceite de la ropa y la vajilla [34] .
mananasa Quitar manchas de comida de la goma guar.
industria cervecera Amilasa , glucanasa, proteasa Desglose de polisacáridos y proteínas en la malta [35] .
betaglucanasa Mejora de las características de filtración del mosto y la cerveza [35] .
Amiloglucosidasa y pululanasas Producción de cerveza baja en calorías y regulación de la fermentación [35] .
Acetolactato descarboxilasa (ALDC) Aumento de la eficiencia de la fermentación al reducir el diacetilo [36] .
uso culinario Papaína Ablandar la carne para cocinar [37] .
Industria láctea renino Hidrólisis de proteínas en la producción de queso.
Lipasas Elaboración de queso camembert y quesos azules como el roquefort.
industria de alimentos Amilasa Producción de azúcar a partir de almidón , como cuando se hace jarabe de maíz con alto contenido de fructosa .
Proteasas Reducir el nivel de proteína en la harina para hacer galletas.
tripsina Elaboración de alimentos infantiles hipoalergénicos.
Celulasas, pectinasas Purificación de zumos de frutas.
Biología Molecular Nucleasas , ADN ligasa y polimerasas El uso de enzimas de restricción y PCR para crear ADN recombinante.
industria del papel Xilanasas, hemicelulasas y lignina peroxidasas Eliminación de lignina del papel kraft [38] .
Higiene personal Proteasas Eliminación de proteínas de lentes de contacto para prevenir infecciones.

Notas

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Literatura

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