Enzimas. Quimica. QUÍM.

Categoria:

Química

Del griego en, en, y zymos, jugo. Las e. constituyen uno de los grupos más importantes entre las proteínas (v.) y su función biológica es servir como catalizadores (v. CATÁLISIS) para las complejas series de reacciones que tienen lugar en los seres vivos. Sin su intervención, la mayor parte de estas reacciones no tendrían lugar a velócidad adecuada y bajo condiciones compatibles con la vida. Cada célula está dotada del aparato genético idóneo para la biosíntesis de un amplio equipo de e. que controlan y modulan toda su actividad. La mayor parte de las e. son endocelulares, pero algunas, como las digestivas, son exocelulares. Las sustancias que son transformadas por una reacción catalizada por una e., se denominan sustratos. Las e. se caracterizan por su elevada actividad catalítica y por su marcada especificidad. En general, multiplican la velocidad de las reacciones por factores de 104 a 1012 y actúan sobre un solo sustrato o un reducido número de ellos, estructuralmente análogos al mismo.

Los términos e. y fermento son sinónimos; este último se utiliza en la . actualidad casi exclusivamente en la literatura alemana.

Naturaleza química y estructura. Aunque las e. son conocidas desde principios del siglo pasado (A. Payen y J. F. Persoz, 1833) su naturaleza química no fue establecida hasta fecha reciente. En 1926, J. B. Sumner purificó y cristalizó la ureasa, que cataliza la hidrólisis de la urea a CO2 y NH3, y demostró que era una proteína. Actualmente se conocen cerca de un millar de e. y alrededor de un centenar han sido cristalizadas. Todas ellas han mostrado ser esencialmente proteínas, aunque muchas exigen para su actividad la cooperación de cofactores no proteínicos, tales como iones inorgánicos, o sustancias orgánicas complejas denominadas grupos prostéticos o coenzimas. Entre las primeras, lo más frecuente es la activación específica por iones metálicos, generalmente divalentes, tales como Zn2+, Mn2+ o Co2+ y que ocasionalmente son mutuamente reemplazables. Estas e. son consideradas metalenzimas. Menos frecuente es la activación por aniones, como lo es la amilasa por Cl-. Los mecanismos a través de los cuales las proteínas enzimáticas son activadas por estos iones son complejos y frecuentemente desconocidos. Cuando una e. exige un cofactor, en solución existe una equilibrio entre ellos y un complejo común, denominado holoenzima. Así, si se requiere una coenzima: apoenzima+coenzima - holoenzima.

La proteína (apoenzima), por sí inactiva, da origen al complejo (holoenzima) activo, cuando ambos se acoplan convenientemente. En todos estos casos, la proteína, además de servir como soporte al cofactor, determina esencialmente la especificidad de sustrato, mientras que la coenzima determina la especificidad de reacción. Así se explica que una misma coenzima, común e intercambiable, pueda ser utilizada como cofactor por diferentes proteínas enzimáticas que actúan específicamente sobre diferentes sustratos, aunque éstos sean objeto generalmente de un mismo tipo de transformación química.

Durante los últimos 20 años, los progresos en el conocimiento de la estructura de las e., y, en función de ella, del mecanismo de su acción, han sido extraordinarios. Hoy se conocen los de la mayor parte de las coenzimas y se ha establecido la secuencia peptídica completa de varias proteínas enzimáticas (lisozima, ribonucleasa, tripsina, carboxipeptidasa) y, a través del análisis de sus cristales con rayos X y otras técnicas, se empieza a tener una idea clara de la configuración de las cadenas peptídicas y de sus estructuras terciaria y cuaternaria. Todo ello constituye un aporte esencial para comprender las propiedades catalíticas de las e. y los mecanismos de la vida misma. Muy recientemente se ha obtenido por síntesis la ribonucleasa pancreática, una e. que degrada el ácido ribonucleico por hidrólisis de los enlaces de diéster fosfórico, y que está constituida por una cadena polipeptídica de 124 aminoácidos con cuatro puentes S-S de cistina.

Coenzimas y grupos prostéticos. Son cofactores de naturaleza orgánica no proteínica, estructuralmente relacionados con las vitaminas (v.), que son sus precursoras químicas, y esenciales para la activación de algunas proteínas enzimáticas. Estos cofactores se han designado frecuentemente por grupos prostéticos cuando se hallan sólidamente unidos a la proteína enzimática, y por coenzimas cuando el equilibrio de formación de complejo entre ambos se halla suficientemente desplazado en el sentido de su disociación. Más recientemente, pero sin que la propuesta haya tenido todavía aceptación general, se tiende a considerar como grupo prostético el cofactor que, aunque experimente transformaciones químicas en el curso de una reacción enzimática, se autorregenera en el curso de la misma, mientras que se reserva el término coenzima para aquellos cofactores que actúan como cosustratos, experimentando una modificación química en el curso de una reacción enzimática y regenerándose a través de otra reacción enzimática acoplada con la primera. Desde este punto de vista, las coenzimas son sustratos obligados y comunes a dos reacciones enzimáticas acopladas. Prácticamente, tanto los grupos prostéticos como las coenzimas desempeñan el papel de transportadores de grupos químicos de estructuras definidas. Los primeros transfieren dichos grupos, p. ej., el -NH2, entre dos sustratos, uno donador y otro aceptor, en una reacción catalizada por una sola e.; las segundas los transfieren (p. ej., CH3CO-), entre dos sustratos, uno donador y otro aceptor, a través de dos reacciones enzimáticas acopladas, catalizadas por dos e. diferentes que utilizan una misma coenzima. Los principales grupos prostéticos y coenzimas conocidos son los siguientes:1) Transportadores de hidrógeno o de electrones. Intervienen como cofactores en reacciones de oxidación-reducción, transportando hidrógeno o electrones desde los sustratos oxidables al oxígeno, para dar finalmente agua. A través de este proceso de respiración, la célula obtiene la energía necesaria para la vida. Entre ellos se incluyen: a) Las coenzimas piridinnucleotídicas, que son el nicotinamida-adenina mononucleótido (codehidrogenasa I, cozimasa I, DPN o NAD) y el nicotinamida-adenina-dinucleótido (codehidrogenasa II, cozimasa II, TPN o NADP). Transportan el hidrógeno de un sustrato donador, normalmente a las flavinas como aceptores, en reacciones catalizadas por deshidrogenasas. Estructuralmente son derivados de la nicotinamida. b) Las f lavinas, que incluyen el flavina-adenina-mononucleótido (FMN) y el flavina-adenina-dinucleótido (FAD), y transportan hidrógeno a partir de las coenzimas piridinnucleotídicas a otros aceptores, frecuentemente citocromos, o a partir de diversos sustratos al oxígeno, en reacciones catalizadas por flavinoxidasas. Son derivados de la riboflavina. c) Los citocromos son derivados hemínicos que intervienen en la fase final de la cadena respiratoria transportando electrones al oxígeno. El mejor conocido, el citocromo C, transporta electrones al oxígeno, en reacción catalizada por la citocromooxidasa. d) Otros transportadores de hidrógeno con funciones específicas menos conocidas son las ubiquinonas (coenzimas Q), el ácido lipoico o tióctico y la vitamina C.

2) Transportadores de fragmentos monocarbonados. Se conoce una serie de fragmentos C1 que se transfieren entre dos sustratos, donador y aceptor, en reacciones catalizadas por transferasas. Los más importantes son:CH3-,CH2OH-, OHC-, NH=HC- y C02. La adenosilmetionina, derivada del aminoácido esencial metionina, es el principal transportador de CH3-; el ácido tetrahidrofólico y diversos ácidos pteroilglutámicos intervienen en la transferencia de los grupos CH3-, HOCH2-, OHC- y NH=CH-; finalmente, la biotina interviene en las reacciones de carboxilación y de transcarboxilación.

3) Transportadores de restos C2. Son dos: la coenzima A (COA) derivada del ácido pantoténico, como transportador de grupos acetilo, y en general acilo, y el pirofosfato de tiamina (TPP), derivado de la aneurina, que transporta fragmentos aldehÍDicos C2.

4) Coenzimas de isomerasas y liasas. Incluyen principalmente el fosfato de piridoxal, derivado de la piridoxina y que interviene en procesos enzimáticos de descarboxilación, isomerización y de transaminación; el ya mencionado TPP, que interviene en ciertas reacciones de descarboxilación, y el uridina difosfato (UDP), en reacciones de isomerización de azúcares.

5) Otros transportadores con función coenzimática son el adenosinatrifosfato (ATP), como transportador de grupos fosfato (P), pirofosfato (PP) y donador de adenosilo; el ácido fosfoadenosilsulfúrico, como transportador del sulfato; el citidinadifosfato (CDP), como transportador de fosforilcolina, y el uridinadifosfato (UDP) como transportador de ciertos restos de azúcares.

Cinética enzimática y mecanismo de acción. Debido a la compleja estructura de las proteínas y a las dificultades de detectar, y mucho más de aislar, intermediarios en el curso de las reacciones catalizadas por e., los mecanismos a través de los que actúan son todavía poco conocidos, pero se sabe que actúan a través de la formación de complejos con sus sustratos, que ocasionalmente han sido detectados e incluso aislados. Uno de los mejores medios para el estudio de la formación y ruptura de estos complejos es el examen de la variación de la velocidad de la reacción con la concentración de e. (E), del sustrato (S), del pH (v.), de la temperatura (T) y de otras variables, lo que constituye el objeto de la cinética enzimática. Estos estudios, que han alcanzado un elevado grado de refinamiento, indican que la e. dispone sobre la superficie de su macromolécula de un limitado número de centros activos, a través de los cuales tiene lugar su unión al sustrato para formar los complejos (ES) y la ruptura posterior para dar los productos de reacción y regenerar la e. El centro activo está formado por grupos funcionales de contacto, encargados de establecer la unión de e. al sustrato y que en gran parte determinan la especificidad, y por grupos funcionales catalíticos que determinan la reacción. Unos y otros constituyen los llamados grupos esenciales para la actividad.

La actividad catalítica de las e. se halla sometida, además, a diversos tipos de regulación. Por una parte, casi todas las e. se inhiben por sus propios productos a altas concentraciones (inhibición por producto). Asimismo, las e. que catalizan el primer paso de una serie de reacciones enzimáticas en la que el producto de una es sustrato de la siguiente, frecuentemente se inhiben por el producto final de la serie (retroinhibición). La e. que actúa en cabeza de la serie frecuentemente está formada por asociación de varias subunidades, y la inhibición por el producto de cola (inhibición alostérica) implica cambios de conformación en las subunidades. Como proteínas, las e. están sometidas a los mecanismos de regulación genética de la biosíntesis de aquéllas. Algunas e. se sintetizan en forma de precursores inactivos (zimógenos o proenzimas) y se activan después, generalmente por proteólisis.

Nomenclatura y clasificación. Algunas e. han recibido nombres convencionales todavía en uso (pepsina, aldolasa,, etc.). En general, cada e. puede designarse con dos nombres, uno "familiar" o trivial y otro sistemático. Aunque hay muchas excepciones, el nombre trivial está formado por dos palabras, una que designa el sustrato, y otra con el sufijo -asa que indica el tipo de reacción (alcohol deshidrogenasa, colina acetiltransferasa, etc.). Las e. hidrolíticas (hidrolasas) suelen designarse con el nombre del sustrato y el sufijo -asa (esterasa, lipasa, amilasa). Los nombres sistemáticos, mucho más elaborados y complejos, han sido establecidos por la Unión Int. de Bioquímica, tras una clasificación sistemática de todas las e. conocidas, que por su extensión no puede incluirse aquí. Baste indicar que se han establecido seis grupos principales de acuerdo con el tipo químico de reacción que catalizan, y dentro de cada uno, grupos y subgrupos de acuerdo con las características de las mismas. Los seis grupos principales son: 1) oxidorreductasas, que catalizan reacciones de oxidación-reducción; 2) transferasas; 3) hidrolasas; 4) liasas, que catalizan formación y ruptura de enlaces por medios no hidrolíticos; 5) isomerasas; 6) ligasas, que catalizan la unión de dos moléculas, acoplada a la ruptura de ATP como donador de energía.

V. t.: PROTEÍNAS;REACCIONES QUÍMICAS;BIOQUÍMICA;BIOSÍNTESIS; BIOENERGÉTICA; VITAMINAS; FERMENTACIÓN I.

E. FERNÁNDEZ ÁLVAREZ.

BIBL.: M. DIKON y E. C. WEBB, Enzymes, 2 ed. Londres 1964; M. JAVILLIER, M. POLONOWISKI y OTROS, Les enzymes, en Traité de Biochimie Générale, II, fasc. II, París 1964; Enzyme Nomenclature, Recomendation of the International Union of Biochemistry, Amsterdam 1965; H. GUTFREUND, Introduction to the Study of Enzymes, Oxford 1965; J. KING, Enzimología clínica práctica, Zaragoza 1968; P. KARLSON, Manual de Bioquímica, 3 ed. Barcelona 1969; A. WILLIAMs, An Introduction to the Chemistry of Enzyme Action, Nueva York 1970.