Enzimas

Las enzimas son proteínas reguladoras que ayudan en muchas de las reacciones y procesos en las células vivas. El ADN de una célula contiene el plan maestro para la creación de las enzimas que son necesarias en los procesos vitales y en las enzimas que ayudan a la replicación del ADN y, de hecho, ayuda haciendo otras copias de sí mismas y de otras proteínas. Una perspectiva sobre las enzimas es que facilitan muchas reacciones químicas, que de otro modo serían demasiado lenta para sostener los sistemas vivos. Pueden tener sitios de unión que mantienen dos o más de otras moléculas para facilitar su unión entre sí, y también un sitio de unión para la ATP que proporciona la energía necesaria para llevar a cabo la unión.

Esta representación de la acción enzimática sigue el patrón de Karp. Representa la acción de la enzima hexoquinasa en el primer paso de la vía de la glucólisis para la descomposición de la glucosa. El curso de la reacción se grafica en términos de la energía libre de Gibbs G y se puede ver que esta reacción avanza en la dirección directa ya que la energía libre final es 4 kcal/mol más baja que el estado inicial. Sin embargo, el curso de tales reacciones requiere energía para romper y/o hacer enlaces químicos, por lo que normalmente se requiere energía como energía de activación EA para producir el estado de transición entre los estados inicial y final.

Las notables enzimas proteicas, como la hexocinasa, se fabrican únicamente en células vivas y son muy específicas de las reacciones que catalizan. En este ejemplo, la acción de la enzima facilita la formación del estado de transición y reduce la cantidad de energía requerida para alcanzar este estado.

Un breve resumen de las propiedades de tales enzimas:

• Las enzimas generalmente se requieren solo en pequeñas cantidades.
• No se alteran de forma irreversible durante el transcurso de la reacción, por lo que pueden utilizarse repetidamente.
• No tienen efecto sobre la termodinámica de la reacción. No suministran energía para la reacción y, por lo tanto, no determinan si una reacción es favorable o desfavorable.
• Cumplen su función a la temperatura templada y pH medio de las células vivas.
• Pueden regularse para satisfacer las necesidades de la célula en un momento determinado.

Las enzimas necesitan frecuentemente la ayuda de otras moléculas llamadas coenzimas, para facilitar su trabajo.

Las Enzimas Facilitan las Reacciones Bioquímicas

Las enzimas son proteínas reguladoras que ayudan en muchas de las reacciones y procesos en las células vivas.

Esta perspectiva del papel de una enzima sigue el modelo de Karp. Representa la acción de la enzima piruvato quinasa en el último paso de la glucólisis en el que produce 2 piruvatos. También produce dos unidades de energía ATP. El piruvato se puede utilizar como entrada al ciclo TCA y finalmente produce más energía ATP a través de la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

Con la ayuda de estas enzimas, las reacciones bioquímicas ocurren a una velocidad increíble y proporcionan las moléculas biológicas necesarias a un ritmo que hace posible los procesos vitales. Uno de los ejemplos clásicos de la acción enzimática es el de la OMP descarboxilasa, una enzima que cataliza la producción de nucleótidos de pirimidina. Sin la acción enzimática, se necesitarían 78 millones de años para convertir la mitad de los reactivos en productos. ¡La acción catalítica de la OMP descarboxilasa acelera la reacción en un factor de 1,4 x 10¹⁷ de modo que esto se logra en unos 20 milisegundos!

Una enzima crucial para el proceso respiratorio es la enzima anhidrasa carbónica que gestiona la conversión de dióxido de carbono y agua en bicarbonato para el transporte del CO₂ a los pulmones en forma de bicarbonato para lograr la amortiguación necesaria para mantener el pH del cuerpo en el estrecho rango requerido. Esta enzima es una de las más rápidas que se conocen, catalizando hasta un millón de reacciones por segundo.

¿Cómo se logra un aumento tan grande en la velocidad con el uso de enzimas?. Una parte de la respuesta se aborda en el gráfico de la energía libre G en el transcurso de una reacción. La catálisis enzimática permite que la reacción se lleve a cabo con una energía de activación más baja y, por lo tanto, una fracción más grande de las moléculas reaccionantes tendrá una energía cinética más alta que en el estado de transición. Un factor importante para determinar la velocidad es la formación de complejos enzima-sustrato, como se ilustra arriba. Las formas complementarias de los sitios activos de los catalizadores hacen mucho más probable que las moléculas de los reactivos alcancen las posiciones y orientaciones adecuadas para permitir que ocurra la reacción. Las reacciones no catalizadas dependen de colisiones entre moléculas de alta velocidad en orientaciones aleatorias.

Además de las formas y orientaciones complementarias de las regiones activas de las enzimas, otras características pueden contribuir a la catálisis:

• La distribución de electrones en las cadenas laterales de la enzima puede facilitar la interacción.
• Introducir alguna tensión en el sustrato para modificar su geometría puede contribuir a algunas interacciones.
• Los enlaces enzima-sustrato covalentes temporales.
• Las enzimas contienen aminoácidos que pueden donar o aceptar protones, alterando el sustrato para hacerlo más reactivo.

Regulación de Reacciones Enzimáticas

La asombrosa velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas permite que las reacciones bioquímicas necesarias operen a la "velocidad de la vida", segun cita Ahearn. Pero no se debe permitir que tales reacciones operen a toda velocidad continuamente, sino que deben responder al nivel de necesidad en las condiciones variables de las células vivas.

Las reacciones catalizadas por enzimas se pueden describir en términos de la tasa o velocidad de formación del producto en función de la concentración del sustrato suministrado.

Utilizando la notación de Karp, la variable V representa la "velocidad" de la reacción, definida como el número de moles de producto formado por segundo. Vmax es entonces la tasa máxima de producción a medida que la cantidad de sustrato [S] suministrado se acerca a la saturación. También se utiliza el "número de rotación", el número máximo de moléculas de sustrato que una molécula de enzima puede convertir en producto por segundo.

El número de rotación también se denomina constante catalítica, k_cat. Si bien los números de recambio típicos pueden estar en el rango de 1 a 1000, ¡la notable enzima anhidrasa carbónica puede llegar a 10⁶!.

Otro término utilizado en la descripción de la catálisis es el valor de la concentración de sustrato [S] que está asociado a una velocidad V igual a la mitad de la máxima V_max/2. Este valor se llama K_M y se denomina constante de Michaelis. Se puede usar en una relación para la velocidad de reacción V llamada ecuación de Michaelis-Menten, que se puede usar para producir el gráfico descriptivo anterior.

Otra forma utilizada para mostrar la reacción enzimática que tiene algunas ventajas es el diagrama de Lineweaver-Burk. Traza el recíproco 1/V de la velocidad frente al recíproco de la concentración de sustrato 1/[S]. El valor de Vmax se puede encontrar a partir de la intersección con el eje vertical y el valor de KM se puede obtener a partir de la intersección con el eje horizontal. Este gráfico proporciona una ventaja si se recopilan algunos valores experimentales, ya que los valores a lo largo de una línea recta se pueden extrapolar fácilmente para obtener un valor de KM.

Los gráficos anteriores se pueden usar para evaluar los efectos de los inhibidores de enzimas que se usan para regular la salida del producto a niveles apropiados para satisfacer las necesidades de una célula. Los inhibidores de enzimas generalmente toman la forma de moléculas que se unen a la enzima para disminuir su producción. Los inhibidores de enzimas pueden fabricarse como medicamentos, antibióticos o pesticidas, ya que pueden usarse para controlar procesos bioquímicos no deseados.

Los inhibidores competitivos son moléculas que se unen débilmente a la enzima y, por lo tanto, son reversibles, pero actúan para disminuir la actividad de la enzima compitiendo por el sitio activo de la enzima. Los sitios activos en las enzimas suelen tener alguna forma de geometría complementaria que se adapta al sustrato, por lo que los inhibidores competitivos pueden compartir algunas de esas características geométricas para que puedan competir para unirse a la enzima. Tal inhibición competitiva es la base para el diseño de muchas drogas comunes.

Los inhibidores no competitivos son inhibidores reversibles que se unen a un sitio diferente de la enzima y, por lo tanto, no compiten por unirse al sitio activo normal. En este caso, la cantidad de inhibición solo depende de la concentración del inhibidor y el aumento de la cantidad de sustrato no la superará. Como se muestra en los gráficos a continuación, la inhibición no competitiva reducirá la V_max alcanzable. La inhibición competitiva permite alcanzar una V_max comparable a la V_max no inhibida, pero requerirá una mayor concentración de sustrato [S].

Los inhibidores irreversibles son agentes que se unen fuertemente a una enzima, formando a menudo enlaces covalentes con uno de los aminoácidos contenidos en la enzima. Dichos inhibidores pueden detener por completo un proceso bioquímico y formar fármacos o venenos potentes. Algunos gases nerviosos y pesticidas organofosforados actúan como inhibidores irreversibles de la acetilcolinesterasa.. Esa enzima normalmente descompone la acetilcolina que estimula la contracción muscular. Con esa enzima bloqueada, la acetilcolina sigue estimulando al músculo para que permanezca en estado de contracción permanente. El antibiótico penicilina actúa como un inhibidor irreversible de una enzima clave en la formación de la pared celular bacteriana.

Los efectos de los inhibidores reversibles se muestran tanto para la inhibición competitiva como para la no competitiva en comparación con la enzima no inhibida. Téngase en cuenta que para la inhibición competitiva, la velocidad V puede acercarse a la misma Vmax que la enzima no inhibida, pero requiere una concentración de sustrato más alta [S]. Para la inhibición no competitiva, se alcanza una Vmax más baja ya que el agente inhibidor cambia la enzima en una ubicación diferente al sitio activo del sustrato.

El uso de la gráfica de Lineweaver-Burk de los efectos de diferentes inhibidores reversibles genera gráficas de las inversas de V y [S]. El inhibidor no competitivo reduce la Vmax sin afectar la KM, mientras que el inhibidor competitivo aumenta la KM sin afectar la Vmax.