Enzimas: Propiedades, Mecanismos de Acción y Regulación

Enzimas: Definición y Función

Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas. No hacen factibles las reacciones imposibles, sino que son sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan notablemente su velocidad. Prácticamente todas las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos están catalizadas por enzimas. En su mayoría son proteínas, aunque también existen moléculas de ARN con capacidad catalítica, denominadas ribozimas. Las enzimas son, por tanto, proteínas altamente especializadas que tienen como función la catálisis o regulación de la velocidad de las reacciones químicas que se llevan a cabo en los seres vivos.

Modo de Acción de las Enzimas

H₂O₂ à H₂O + O₂

Perfil energético de una reacción espontánea Perfil energético de una reacción catalizada

La acción de los catalizadores consiste en disminuir la Energía de activación (Ea). Las enzimas son catalizadores especialmente eficaces, ya que disminuyen la Ea aún más que los catalizadores inorgánicos.

Por ejemplo, la descomposición del agua oxigenada (H₂O₂) puede ocurrir:

Sin catalizador: Ea = 18 Kcal/mol
Con un catalizador inorgánico (platino): Ea = 12 Kcal/mol
Con una enzima específica (catalasa): Ea = 6 Kcal/mol

Así, se puede calcular que el platino acelera la reacción 20.000 veces, mientras que la catalasa la acelera 370.000 veces.

Mecanismos de Acción Enzimática

Para que una reacción química tenga lugar, las moléculas de los reactantes deben:

Chocar con una energía y una orientación adecuadas.
La actuación de la enzima:
- Aumenta la concentración efectiva de los sustratos (aumenta la probabilidad de choque).
- Permite que los reactantes (sustratos) se unan a su centro activo con una orientación óptima para que la reacción se produzca.
- Modifica las propiedades químicas del sustrato unido a su centro activo, debilitando los enlaces existentes y facilitando la formación de otros nuevos.

Modelos de Unión Enzima-Sustrato

Hay dos modelos sobre la forma en que el sustrato se une al centro activo de la enzima:

El modelo llave-cerradura: La estructura del sustrato y la del centro activo son complementarias. Este modelo es válido en muchos casos, pero no es siempre correcto.
El modelo del ajuste inducido: El centro activo adopta la conformación idónea solo en presencia del sustrato.
- La unión del sustrato al centro activo de la enzima desencadena un cambio conformacional que da lugar a la formación del producto.

Cofactores y Coenzimas

A veces, una enzima requiere para su función la presencia de sustancias no proteicas que colaboran en la catálisis: los cofactores. Pueden ser iones inorgánicos como el Fe++, Mg++, Mn++, Zn++, etc. Casi un tercio de las enzimas conocidas requieren cofactores.
Cuando el cofactor es una molécula orgánica, se llama coenzima.
Muchas de estas coenzimas se sintetizan a partir de vitaminas.
Cuando los cofactores y las coenzimas se encuentran unidos covalentemente a la enzima, se llaman grupos prostéticos.
La forma catalíticamente activa de la enzima, es decir, la enzima unida a su grupo prostético, se llama holoenzima. La parte proteica de una holoenzima (inactiva) se llama apoenzima, de forma que:
apoenzima + grupo prostético = holoenzima

Cinética Enzimática

La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. La velocidad de una reacción catalizada por una enzima puede medirse con relativa facilidad, ya que en muchos casos no es necesario purificar o aislar la enzima. Estos estudios proporcionan información directa acerca del mecanismo de la reacción catalítica y de la especificidad de la enzima.

Modelo Cinético de Michaelis-Menten

Los estudios sistemáticos del efecto de la concentración inicial del sustrato sobre la actividad enzimática comenzaron a realizarse a finales del siglo XIX. Ya en 1882 se introdujo el concepto del complejo enzima-sustrato como intermediario del proceso de catálisis enzimática. En 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten desarrollaron esta teoría y propusieron una ecuación de velocidad que explica el comportamiento cinético de las enzimas.

Cálculo de la K_M y de la V_max de una Enzima

Para determinar gráficamente los valores de K_M y V_max, es más sencillo utilizar la representación doble recíproca (1/v₀ frente a 1/[S]₀), ya que es una línea recta. Esta representación doble recíproca recibe el nombre de representación de Lineweaver-Burk.

La constante de Michaelis-Menten (K_M) es un parámetro cinético importante por varias razones:

K_M es la concentración de sustrato para la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima.
El valor de K_M da idea de la afinidad de la enzima por el sustrato:
- A menor K_M, mayor afinidad de la enzima por el sustrato.
- A mayor K_M, menor afinidad.
Para estudiar la cinética enzimática, se mide el efecto de la concentración inicial de sustrato sobre la velocidad inicial de la reacción, manteniendo la cantidad de enzima constante.

Si representamos v₀ frente a [S]₀, obtenemos una gráfica.

Efecto del pH

Las enzimas poseen grupos químicos ionizables (carboxilos -COOH; amino -NH₂; etc.) en las cadenas laterales de sus aminoácidos. Según el pH del medio, estos grupos pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o neutra. Como la conformación de las proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pH en el cual la conformación será la más adecuada para la actividad catalítica. Este es el llamado pH óptimo.

Regulación de la Catálisis Enzimática

Las concentraciones del sustrato y de los productos finales.
Presencia de inhibidores.
Modulación alostérica.
Modificación covalente.
Activación por proteólisis (zimógenos).
Isoenzimas.

Efecto de las Concentraciones sobre la Actividad Enzimática

La velocidad de una reacción enzimática depende de la concentración de sustrato. Además, la presencia de los productos finales puede hacer que la reacción sea más lenta, o incluso invertir su sentido.

Modulación Alostérica de la Actividad Enzimática

Hay enzimas que pueden adoptar 2 conformaciones interconvertibles llamadas R (relajada) y T (tensa). R es la forma más activa porque se une al sustrato con más afinidad. Las formas R y T se encuentran en equilibrio R <==> T.

Ciertas sustancias tienden a estabilizar la forma R. Son los llamados moduladores positivos. El propio sustrato es a menudo un modulador positivo. Las moléculas que favorecen la forma R pero que actúan sobre una región de la enzima distinta del centro activo son los activadores alostéricos (modulador alostérico positivo).

Las sustancias que favorecen la forma T y actúan en lugares distintos del centro activo de la enzima y disminuyen la actividad enzimática son los moduladores alostéricos negativos.

Las enzimas alostéricas no obedecen la ecuación de Michaelis-Menten, la gráfica v frente a [S] no es una hipérbola, sino una sigmoide. En la cinética sigmoidea, pequeñas variaciones en la [S] en una zona crítica (cercana a la K_M) se traducen en grandes variaciones en la velocidad de reacción.

Regulación de la Actividad Enzimática por Modificación Covalente

Hay enzimas que pasan de la forma inactiva a la activa uniéndose covalentemente a un grupo químico de pequeño tamaño como el fosfato (Pi) o el AMP. También se da el caso inverso.

Regulación de la Actividad Enzimática por Activación Proteolítica

Algunas enzimas no se sintetizan como tales, sino como proteínas precursoras sin actividad enzimática. Estas proteínas se llaman proenzimas o zimógenos. Para activarse, los zimógenos sufren un ataque hidrolítico que origina la liberación de uno o varios péptidos. El resto de la molécula proteica adopta la conformación y las propiedades de la enzima activa. Por ejemplo, las enzimas digestivas se secretan en forma de zimógenos y en el tubo digestivo se convierten en la forma activa. Es el caso de la quimotripsina, que se sintetiza en forma de quimotripsinógeno.

Regulación de la Actividad Enzimática por medio de Isoenzimas

Algunas enzimas tienen distinta estructura molecular aunque su función biológica es similar. Estas diferencias de estructura se traducen en ligeros cambios en sus propiedades, de forma que cada isoenzima se adapta perfectamente a la función que debe realizar, como por ejemplo, el tipo de tejido. Por ejemplo, la lactato deshidrogenasa presenta isoenzimas distintas en músculo y corazón.

Enzimas Plasmáticas

Enzimas del Plasma Específicas

Son componentes funcionales de la sangre. Están por lo común allí y en un nivel de actividad superior al de los tejidos, siendo mantenido su nivel constante por secreción activa de uno o más órganos. A este grupo pertenecen la seudocolinesterasa, ceruloplasmina, lipoproteinlipasa, así como las enzimas que intervienen en la coagulación sanguínea. La actividad de estas enzimas tiene interés clínico en la evaluación tanto de la función propia de la enzima en el estudio como de la función del tejido que la sintetiza.

Las Enzimas del Plasma no Específicas

No desempeñan función biológica en el plasma; no son, por tanto, constituyentes funcionales plasmáticos y sólo se aprecia una muy pequeña actividad en condiciones normales, debido a la renovación celular natural o pequeños traumatismos espontáneos. Su presencia en plasma en niveles más altos de lo normal sugiere un aumento en la velocidad de destrucción o recambio celular y tisular. La determinación de estos niveles de enzimas plasmáticas puede proveer información valiosa para diagnóstico y pronóstico.

Las Enzimas del Plasma no Específicas: (1) Enzimas de Secreción

Ejercen su actividad fuera de las células que las originaron, por ejemplo, se producen en glándulas exocrinas, como páncreas (enzimas o fermentos digestivos) y próstata, así como en tejidos como mucosa gástrica y hueso. En condiciones fisiológicas: durante el embarazo o en niños en crecimiento donde hay aumento de actividad de FAL por osteoblastos. En adenocarcinoma y osteosarcoma se observa un aumento importante de la actividad plasmática de las fosfatasas ácida y alcalina.

Las Enzimas del Plasma no Específicas: (2) Enzimas del Metabolismo Intermedio

Son las que se ubican en los distintos componentes celulares y cuya salida se produce cuando una causa determinada altera la estructura de la célula. La concentración en los tejidos de estas enzimas es miles de veces más alta que en el plasma. Un daño puede conducir a un aumento en la permeabilidad de la membrana plasmática con su consecuente liberación a la circulación general.

Ejemplos

Aspartato amino transferasa (AST) o glutámico-oxalacético transaminasa (GOT)
Alanina amino transferasa (ALT) o glutámico pirúvico transaminasa (GPT)
Lactato deshidrogenasa (LDH)
Creatín quinasa (CK)
α-amilasa
γ-glutamiltranspeptidasa (γ-GT)
5´nucleotidasa
Aldolasa (ALS)

Enzimas Frecuentemente Analizadas

Transaminasas hepáticas (ALT o GPT y AST o GOT)
α-Amilasa
Creatín fosfoquinasa (CPK) o CK
Fosfatasa ácida (AcP)
Fosfatasa alcalina (ALP)
Gamma glutamil transpeptidasa (GGT)
Láctico deshidrogenasa (LDH)
5’-nucleotidasa (NTP)

Lactato Deshidrogenasa (LDH)

LDH es una enzima tetramérica, formada por la combinación de dos tipos de cadenas diferentes: H y M. La combinación de ellas da lugar a 5 isoenzimas diferentes. Las isoenzimas LDH₁ y LDH₂ están presentes en miocardio.

Condiciones normales: Niveles bajos de LDH en plasma. Concentraciones plasmáticas de LDH₁ < LDH₂.

Infarto de miocardio: Primeramente, la concentración plasmática de LDH₁ aumenta, llegando incluso a superar la de LDH₂ (es decir, se invierte la relación). Posteriormente, los valores de LDH total aumentan por encima de su valor normal en plasma. Retornan a la normalidad luego de 8-14 días.

Creatina Fosfoquinasa (CK)

La CK es un dímero, formada por monómeros que pueden ser de dos tipos: M y B. La CK presenta 3 isoenzimas:

CK-MM, de localización muscular.
CK-MB, de localización cardíaca.
CK-BB, de localización cerebral.

En un infarto de miocardio, la actividad de CK aumenta en plasma, debido a un incremento de la concentración de CK-MB en el mismo. El incremento comienza entre las 6-8 horas post-infarto, y los niveles se normalizan luego de 3-4 días.

Aspartato-amino transferasa (GOT)

En un infarto agudo de miocardio (IAM), los valores elevados de GOT pueden persistir hasta 5 días y puede ser útil cuando no se conoce el tiempo de instalación de los síntomas o cuando el paciente fue ingresado tardíamente. Los aumentos de GOT son de 4-5 veces los valores normales. Si los aumentos son de 10-15 veces, se asocian con IAM de peor pronóstico.

Hígado: Infección VHA

El hígado contiene una gran cantidad de enzimas, las de mayor interés clínico son:

Transaminasas (GOT y GPT)
Fosfatasa alcalina (FAL)
Gamaglutamiltransferasa (γGT)

La elevación de las enzimas hepáticas en plasma puede reflejar daño hepático o alteración del flujo biliar.

Enzimas Plasmáticas usadas como Marcadores de Inflamación: Transaminasas (GOT y GPT)

Las transaminasas son enzimas que participan en el metabolismo de los aminoácidos. Estas enzimas no son específicas del hígado, encontrándose también en músculo, corazón, páncreas y cerebro. Todas aquellas enfermedades hepáticas que cursan con necrosis celular dan lugar a hipertransaminemia.

Lesiones agudas: ↑↑↑ Transaminemia (500-1000 UI/ml)

Lesiones crónicas: ↑ Transaminemia

α- Amilasa

Además del páncreas, esta enzima puede aumentar en plasma por procesos inflamatorios originados en otros órganos.

Determinación de la fracción P3 de la amilasa, isoenzima de origen exclusivamente pancreático. El aumento de esta enzima se ha observado en forma casi constante en las pancreatitis agudas.

La amilasa también puede aparecer en orina. Su determinación contribuye al diagnóstico y seguimiento de la evolución de una pancreatitis.

Lipasa

Es la segunda determinación más frecuente para el diagnóstico de la pancreatitis aguda. Es más específica que la amilasa.

Un aumento de lipasa plasmática solo puede deberse a afecciones del páncreas.