Enzimas

Las enzimas son prote�nas reguladoras que ayudan en muchas de las reacciones y procesos en las c�lulas vivas. El ADN de una c�lula contiene el plan maestro para la creaci�n de las enzimas que son necesarias en los procesos vitales y en las enzimas que ayudan a la replicaci�n del ADN y, de hecho, ayuda haciendo otras copias de s� mismas y de otras prote�nas. Una perspectiva sobre las enzimas es que facilitan muchas reacciones qu�micas, que de otro modo ser�an demasiado lenta para sostener los sistemas vivos. Pueden tener sitios de uni�n que mantienen dos o m�s de otras mol�culas para facilitar su uni�n entre s�, y tambi�n un sitio de uni�n para la ATP que proporciona la energ�a necesaria para llevar a cabo la uni�n.

Esta representaci�n de la acci�n enzim�tica sigue el patr�n de Karp. Representa la acci�n de la enzima hexoquinasa en el primer paso de la v�a de la gluc�lisis para la descomposici�n de la glucosa. El curso de la reacci�n se grafica en t�rminos de la energ�a libre de Gibbs G y se puede ver que esta reacci�n avanza en la direcci�n directa ya que la energ�a libre final es 4 kcal/mol m�s baja que el estado inicial. Sin embargo, el curso de tales reacciones requiere energ�a para romper y/o hacer enlaces qu�micos, por lo que normalmente se requiere energ�a como energ�a de activaci�n EA para producir el estado de transici�n entre los estados inicial y final.

Las notables enzimas proteicas, como la hexocinasa, se fabrican �nicamente en c�lulas vivas y son muy espec�ficas de las reacciones que catalizan. En este ejemplo, la acci�n de la enzima facilita la formaci�n del estado de transici�n y reduce la cantidad de energ�a requerida para alcanzar este estado.

Un breve resumen de las propiedades de tales enzimas:

• Las enzimas generalmente se requieren solo en peque�as cantidades.
• No se alteran de forma irreversible durante el transcurso de la reacci�n, por lo que pueden utilizarse repetidamente.
• No tienen efecto sobre la termodin�mica de la reacci�n. No suministran energ�a para la reacci�n y, por lo tanto, no determinan si una reacci�n es favorable o desfavorable.
• Cumplen su funci�n a la temperatura templada y pH medio de las c�lulas vivas.
• Pueden regularse para satisfacer las necesidades de la c�lula en un momento determinado.

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

Las Enzimas Facilitan las Reacciones Bioqu�micas

Las enzimas son prote�nas reguladoras que ayudan en muchas de las reacciones y procesos en las c�lulas vivas.

Esta perspectiva del papel de una enzima sigue el modelo de Karp. Representa la acci�n de la enzima piruvato quinasa en el �ltimo paso de la gluc�lisis en el que produce 2 piruvatos. Tambi�n produce dos unidades de energ�a ATP. El piruvato se puede utilizar como entrada al ciclo TCA y finalmente produce m�s energ�a ATP a trav�s de la cadena de transporte de electrones y la fosforilaci�n oxidativa.

Con la ayuda de estas enzimas, las reacciones bioqu�micas ocurren a una velocidad incre�ble y proporcionan las mol�culas biol�gicas necesarias a un ritmo que hace posible los procesos vitales. Uno de los ejemplos cl�sicos de la acci�n enzim�tica es el de la OMP descarboxilasa, una enzima que cataliza la producci�n de nucle�tidos de pirimidina. Sin la acci�n enzim�tica, se necesitar�an 78 millones de a�os para convertir la mitad de los reactivos en productos. �La acci�n catal�tica de la OMP descarboxilasa acelera la reacci�n 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 carb�nica que gestiona la conversi�n de di�xido de carbono y agua en bicarbonato para el transporte del CO₂ a los pulmones en forma de bicarbonato para lograr la amortiguaci�n necesaria para mantener el pH del cuerpo en el estrecho rango requerido. Esta enzima es una de las m�s r�pidas que se conocen, catalizando hasta un mill�n de reacciones por segundo.

�C�mo se logra un aumento tan grande en la velocidad con el uso de enzimas?. Una parte de la respuesta se aborda en el gr�fico de la energ�a libre G en el transcurso de una reacci�n. La cat�lisis enzim�tica permite que la reacci�n se lleve a cabo con una energ�a de activaci�n m�s baja y, por lo tanto, una fracci�n m�s grande de las mol�culas reaccionantes tendr� una energ�a cin�tica m�s alta que en el estado de transici�n. Un factor importante para determinar la velocidad es la formaci�n de complejos enzima-sustrato, como se ilustra arriba. Las formas complementarias de los sitios activos de los catalizadores hacen mucho m�s probable que las mol�culas de los reactivos alcancen las posiciones y orientaciones adecuadas para permitir que ocurra la reacci�n. Las reacciones no catalizadas dependen de colisiones entre mol�culas de alta velocidad en orientaciones aleatorias.

Adem�s de las formas y orientaciones complementarias de las regiones activas de las enzimas, otras caracter�sticas pueden contribuir a la cat�lisis:

• La distribuci�n de electrones en las cadenas laterales de la enzima puede facilitar la interacci�n.
• Introducir alguna tensi�n en el sustrato para modificar su geometr�a puede contribuir a algunas interacciones.
• Los enlaces enzima-sustrato covalentes temporales.
• Las enzimas contienen amino�cidos que pueden donar o aceptar protones, alterando el sustrato para hacerlo m�s reactivo.

Regulaci�n de Reacciones Enzim�ticas

La asombrosa velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas permite que las reacciones bioqu�micas 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 c�lulas vivas.

Las reacciones catalizadas por enzimas se pueden describir en t�rminos de la tasa o velocidad de formaci�n del producto en funci�n de la concentraci�n del sustrato suministrado.

Utilizando la notaci�n de Karp, la variable V representa la "velocidad" de la reacci�n, definida como el n�mero de moles de producto formado por segundo. Vmax es entonces la tasa m�xima de producci�n a medida que la cantidad de sustrato [S] suministrado se acerca a la saturaci�n. Tambi�n se utiliza el "n�mero de rotaci�n", el n�mero m�ximo de mol�culas de sustrato que una mol�cula de enzima puede convertir en producto por segundo.

El n�mero de rotaci�n tambi�n se denomina constante catal�tica, k_cat. Si bien los n�meros de recambio t�picos pueden estar en el rango de 1 a 1000, �la notable enzima anhidrasa carb�nica puede llegar a 10⁶!.

Otro t�rmino utilizado en la descripci�n de la cat�lisis es el valor de la concentraci�n de sustrato [S] que est� asociado a una velocidad V igual a la mitad de la m�xima V_max/2. Este valor se llama K_M y se denomina constante de Michaelis. Se puede usar en una relaci�n para la velocidad de reacci�n V llamada ecuaci�n de Michaelis-Menten, que se puede usar para producir el gr�fico descriptivo anterior.

Otra forma utilizada para mostrar la reacci�n enzim�tica que tiene algunas ventajas es el diagrama de Lineweaver-Burk. Traza el rec�proco 1/V de la velocidad frente al rec�proco de la concentraci�n de sustrato 1/[S]. El valor de Vmax se puede encontrar a partir de la intersecci�n con el eje vertical y el valor de KM se puede obtener a partir de la intersecci�n con el eje horizontal. Este gr�fico proporciona una ventaja si se recopilan algunos valores experimentales, ya que los valores a lo largo de una l�nea recta se pueden extrapolar f�cilmente para obtener un valor de KM.

Los gr�ficos 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 c�lula. Los inhibidores de enzimas generalmente toman la forma de mol�culas que se unen a la enzima para disminuir su producci�n. Los inhibidores de enzimas pueden fabricarse como medicamentos, antibi�ticos o pesticidas, ya que pueden usarse para controlar procesos bioqu�micos no deseados.

Los inhibidores competitivos son mol�culas que se unen d�bilmente a la enzima y, por lo tanto, son reversibles, pero act�an 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 geometr�a complementaria que se adapta al sustrato, por lo que los inhibidores competitivos pueden compartir algunas de esas caracter�sticas geom�tricas para que puedan competir para unirse a la enzima. Tal inhibici�n competitiva es la base para el dise�o 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 inhibici�n solo depende de la concentraci�n del inhibidor y el aumento de la cantidad de sustrato no la superar�. Como se muestra en los gr�ficos a continuaci�n, la inhibici�n no competitiva reducir� la V_max alcanzable. La inhibici�n competitiva permite alcanzar una V_max comparable a la V_max no inhibida, pero requerir� una mayor concentraci�n de sustrato [S].

Los inhibidores irreversibles son agentes que se unen fuertemente a una enzima, formando a menudo enlaces covalentes con uno de los amino�cidos contenidos en la enzima. Dichos inhibidores pueden detener por completo un proceso bioqu�mico y formar f�rmacos o venenos potentes. Algunos gases nerviosos y pesticidas organofosforados act�an como inhibidores irreversibles de la acetilcolinesterasa.. Esa enzima normalmente descompone la acetilcolina que estimula la contracci�n muscular. Con esa enzima bloqueada, la acetilcolina sigue estimulando al m�sculo para que permanezca en estado de contracci�n permanente. El antibi�tico penicilina act�a como un inhibidor irreversible de una enzima clave en la formaci�n de la pared celular bacteriana.

Los efectos de los inhibidores reversibles se muestran tanto para la inhibici�n competitiva como para la no competitiva en comparaci�n con la enzima no inhibida. T�ngase en cuenta que para la inhibici�n competitiva, la velocidad V puede acercarse a la misma Vmax que la enzima no inhibida, pero requiere una concentraci�n de sustrato m�s alta [S]. Para la inhibici�n no competitiva, se alcanza una Vmax m�s baja ya que el agente inhibidor cambia la enzima en una ubicaci�n diferente al sitio activo del sustrato.

El uso de la gr�fica de Lineweaver-Burk de los efectos de diferentes inhibidores reversibles genera gr�ficas 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.