En los organismos vivos, se producen una gran cantidad de reacciones químicas que les permiten obtener, a partir de los nutrientes recibidos desde el exterior, la energía y las materias primas necesarias tanto para construir y mantener sus propios componentes, como para crecer, reproducirse y realizar una serie de otras acciones, muchas veces específicas de cada célula. Estas reacciones deben ocurrir de una forma muy ordenada y a una velocidad adecuada, de forma tal que el organismo pueda disponer de los compuestos en el momento y cantidad que él los requiera.Todo esto es posible por la existencia de un tipo especial de proteínas cuya función es catalizar de un modo específico y eficaz un amplio espectro de reacciones químicas. A las proteínas que tienen esta actividad catalítica se les denomina Enzimas.

Las enzimas son catalizadores excepcionales en varios aspectos. En primer lugar, son extraordinariamente eficientes. Las reacciones enzimáticas proceden a velocidades muchísimo mayores (10/8 - 10/ 11 veces más rápido) que las correspondientes reacciones no catalizadas por enzimas.

Reacciones que en el laboratorio sólo ocurren en condiciones extremas de temperatura o de concentración de ácido o álcali, en presencia de una enzima adecuada se producen con gran rapidez, bajo condiciones de neutralidad y a temperatura ambiente.


Especificidad

Otra característica especial de estos catalizadores, es su especificidad. Las enzimas son específicas tanto respecto a la naturaleza de las reacciones que catalizan, como en lo que respecta a la estructura del sustrato utilizado y a los productos generados a partir de él.

A diferencia de los catalizadores químicos, las enzimas pueden ser reguladas. Así, la velocidad de su síntesis se encuentra bajo control genético, su actividad está influida por sus sustratos, por los productos de la reacción que ellas catalizan o por otros metabolitos.

En la mayor parte de las reacciones enzimáticas, los sustratos son de un tamaño molecular mucho menor que la enzima. (Fig. 1). Así, sólo un pequeño número de los aminoácidos, que forman la enzima, participan ya sea en unión del sustrato -formando el complejo enzima-sustrato-, como en la transformación de éste en producto y su posterior liberación (Ec. 1). Tanto los aminoácidos que a través de sus cadenas laterales están en contacto directo con el sustrato, como aquellos que sin estarlo participan activamente en el proceso catalítico, conforman el sitio activo de la enzima. El resto de la proteína cumple la función de mantener la estructura tridimensional del sitio activo necesaria para la catálisis. No se sabe si la conformación tridimensional del sitio activo, en ausencia del sustrato, es la catalíticamente activa. Al respecto se han propuesto dos teorías: Una de ellas explica la especificidad de las enzimas, en términos tales que el sitio activo se dispondrá de una manera relativamente rígida donde podría fijarse el sustrato de la forma como encaja una llave en una cerradura. De esta manera, cualquier molécula estructuralmente diferente al sustrato, no podría unirse a dicho sitio. La segunda teoría que explica la unión del sustrato a la enzima es la llamada de encaje inducido. Esta teoría postula que la unión del sustrato al sitio activo de la enzima altera considerablemente la conformación de ésta. De esta manera, los grupos que participan en la catálisis se orientan a la posición requerida por la acción enzimática. Esta teoría se apoya en observaciones que indican la existencia de cambios en la conformación de la enzima luego de la unión del sustrato.

El cambio de la velocidad de una reacción enzimática respecto a la variación de la concentración de su sustrato, queda descrita en un gran número de reacciones, por la ecuación de Michaelis-Menten y la forma que adopta la curva de velocidad en función de la concentración de sustrato es una hipérbola rectangular definida por dos parámetros cinéticos: Vmax y Km. Vmax corresponde a la velocidad máxima de la reacción que se obtiene cuando la concentración de sustrato tiende a infinito. Km por su parte, es la constante de Michaelis, que operacionalmente se define como la concentración de sustrato necesaria para obtener la mitad de la velocidad máxima (Fig. 2). Para poder determinar con exactitud Vmax y Km, la representación hiperbólica no es de mucha utilidad, puesto que requiere la determinación de una asíntota cuando la concentración de sustrato tiende a infinito. Sin embargo existen métodos que permiten dar a la ecuación de velocidad formas lineales y que transforman por lo tanto, la hipérbola en línea recta (Fig. 3).


Inhibidores

Una sustancia que disminuye la velocidad de una reacción enzimática es un inhibidor. La inhibición de reacciones claves de una vía metabólica ya sea por producto de la misma vía o por producto de alguna otra vía metabólica relacionada, constituyen mecanismos de regulación muy sensibles y que permiten mantener relativamente constante el ambiente celular o bien para responder a modificaciones en el ambiente extracelular. La inhibición de reacciones específicas, por sustancias naturales o sintéticas, pueden ser de gran utilidad para una quimioterapia efectiva.

Inhibidores estructuralmente semejantes al sustrato, son capaces de unirse al sitio activo de la enzima, formando el complejo enzima-inhibidor, incapaz de transformarse en producto, en lugar del complejo enzima-sustrato (Bc. 2).
Este tipo de inhibidores se denominan competitivos, ya que se produce una competencia entre el sustrato el inhibidor por la unión al sitio activo. Cinéticamente, este tipo de inhibición se caracteriza por que aumenta la Km y se mantiene constante Vmax..

Un inhibidor no competitivo se une a un sitio diferente al sitio activo, por lo que es posible la formación de los complejos inhibidor-enzima e inhibidor-enzima-sustrato (Ec. 3). Al revés de lo que ocurre en la inhibición competitiva, la presencia del inhibidor puede afectar la afinidad del sustrato por el sitio activo de la enzima. La velocidad de formación de producto a partir del complejo inhibidor-enzima-sustrato es menor que la velocidad en ausencia del inhibidor. Es por esto que el análisis cinético revela que en una inhibición del tipo no competitiva varían tanto la Vmax como la Km.

Casi todas reacciones enzimáticas son muy sensibles a variaciones de pH. Se supone que las cadenas laterales de los aminoácidos que forman parte del sitio activo, son catalíticamente activos cuando se encuentran en un cierto estado de protonación. El pH al cual se obtiene dicha protonación y por lo tanto la máxima actividad, se denomina pH óptimo. Si el pH disminuye (aumentando la protonación de los grupos de las cadenas laterales) o aumenta (disminuyendo la protonación de los grupos) la velocidad disminuye, puesto que, en ambos casos, disminuye la forma enzimática catalíticamente activa (Ec. 4).

La temperatura es otro factor que tiene influencia en la velocidad de una reacción enzimática. La temperatura tiene dos efectos distintos: uno relacionado con la estabilidad enzimática debido a la interconversión entre una forma activa de la enzima y otra denaturada (que ha perdido su estructura tridimensional), con una actividad disminuida o totalmente ausente: el otro, está relacionado con la actividad enzimática, es decir con el efecto cinético de la temperatura sobre la velocidad de la reacción, que es similar al que tiene sobre cualquier reacción química. Por esto resulta evidente que cualquier tiempo de exposición a una temperatura determinada se manifiesta, al principio, por un aumento de la velocidad de la reacción que pasa luego por un máximo, para declinar posteriormente.


Efectos cooperativos

Existen enzimas que presentan una conducta cinética diferente a la ya mencionada. Es así que la representación de la velocidad de la reacción en función de la concentración de sustrato resulta en una curva sigmoidea en lugar de una hipérbola rectangular. Este tipo de enzimas -llamada alostéricas- se caracteriza por poseer estructura cuaternaria, es decir estar compuesta por más de una cadena polipeptítida (subunidad), cada una de las cuales posee un sitio activo. La unión de una molécula de sustrato al sitio activo de una de las subunidades de la enzima provoca un cambio conformacional en las subunidades vecinas, lo que hace que la unión de las siguientes moléculas de sustrato ocurra más fácilmente (Fig. 4). Este fenómeno se conoce como cooperatividad en la unión de sustrato y explica la forma sigmoidea de la curva de velocidad.

Además, del sitio activo, estas enzimas presentan otro sitio -llamado sitio regulatorio- al que pueden unirse moléculas pequeñas que frecuentemente actúan como moduladores de la velocidad de la reacción de modo que la unión de estos ligados al sitio regulatorio pueden tener efectos de activación o inhibición.


Inducción enzimática

Además de la capacidad de regular la velocidad de una reacción enzimática, la célula puede responder a variaciones del medio externo modificando la velocidad de síntesis y/o degradación de una o varias enzimas metabólicamente relacionadas. De esta manera es posible regular la cantidad de moléculas de enzima necesarias para hacer frente a una nueva situación metabólica. Existen múltiples evidencias de aumento de los niveles de enzimas por inducción de su síntesis debido a cambios de dieta, cambios hormonales, etc.

La regulación de la síntesis de enzima se ha estudiado profusamente en sistemas bacterianos, desde donde han surgido algunos modelos que la explican.

El cromosoma bacteriano está organizado en operones, que consisten en agregados de genes cuya expresión está regulada conjuntamente y que conducen a la síntesis de proteínas relacionadas funcionalmente. La expresión de estos genes está controlada por una región localizada al extremo del operón que se denomina operador. El gen regulador por su parte -que no necesariamente tiene una ubicación contigua al operón- produce una proteína represora que se une a una secuencia específica del operador. De esta manera, se impide la transcripción del mensaje genético, y por lo tanto, también la síntesis de la proteína codificada en dicho mensaje. Así, en presencia de la proteína represora el sistema está bloqueado y el nivel de la enzima cuya síntesis queremos controlar es bajo.

La inclusión del sustrato de la enzima (inductor) en el sistema, provoca la inactivación de la proteína represora la que -con el sustrato unido- abandona el sitio operador, permitiendo de este modo que la RNA polimerasa, se una al sitio operador y de esta manera inicie la transcripción del gen que codifica para la enzima inducible.


Juan Pablo Rodríguez V.

Unidad de Biología Celular

INTA. Universidad de Chile.