Mecanismo de acción de las enzimas


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Enzimas

La actividad vital no es más que el desarrollo de una serie de reacciones químicas entre un conjunto de moléculas. Si un químico en un laboratorio realiza estas reacciones lo normal es que el rendimiento (cuantificado como la cantidad de producto deseado frente a la cantidad total del producto) sea muy bajo, mientras que esta misma reacción en un sistema biológico tiene un rendimiento del 99%  y se realiza a una mayor velocidad. Esto se debe a la existencia de catalizadores , la mayoría de los catalizadores biológicos que se conocen son ENZIMAS.

Las enzimas son 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.

Casi todas las reacciones químicas de las células son catalizadas por enzimas, con la particularidad de que cada enzima solo cataliza una reacción, por lo que existirían tantas  enzimas como reacciones, y no se consumen en el proceso. Los catalizadores no biológicos son inespecíficos.

En una reacción catalizada por enzima (E), los reactivos se denomina sustratos (S) , es decir la sustancia sobre la que actúa la enzima. El sustrato es modificado químicamente y se convierte en uno o más productos (P). Como esta reacción es reversible  se expresa de la siguiente manera:

La enzima libre se encuentra en la misma forma química al comienzo y al final de la reacción.

Especificidad

Las moléculas del sustrato se unen a un sitio particular en la superficie de la enzima, denominado sitio activo, donde tiene lugar la catálisis. La estructura tridimensional de este sitio activo, donde solo puede entrar un determinado sustrato (ni siquiera sus isómeros) es lo que determina la especificidad de las enzimas. El acoplamiento es tal que E. Fisher (1894) enunció: "el sustrato se adapta al centro activo o catalítico de una enzima como una llave a una cerradura"

 

Clases de Enzimas

El nombre de las enzimas es el del sustrato + el sufijo: -asa. Los nombres de las enzimas revelan la especificidad de su función:

Mecanismo de acción enzimática

Una enzima, por sí misma, no puede llevar a cabo una reacción, su función es modificar la velocidad de la reacción, entendiéndose como tal la cantidad de producto formado por unidad de tiempo. Tal variación se debe a la disminución de la energía de activación Ea; en una reacción química, la Ea es la energía necesaria para convertir los reactivos en formas moleculares inestables denominadas especies en estado de transición, que poseen mayor energía libre que los reactivos y los productos.


Imagen original de la Universidad de Virginia

En el diagrama  están representados los niveles de energía , durante el curso de la reacción, de moléculas intervinientes en una reacción tipo: A + B ---> C. La curva azul muestra el curso de la reacción en ausencia de una enzima que facilite la reacción, mientras que la curva roja la muestra en presencia de la enzima específica de la reacción. La diferencia en el nivel de energía entre el estado inicial y la necesaria para iniciar la reacción (picos de las curvas) es la energía de activación. Tal como se observa la presencia de enzima baja la energía de activación.
El complejo Enzima- sustrato posee menor energía de activación que las especies en estado de transición que la correspondiente reacción no catalizada. 

Como realiza esta acción una enzima?


Esta enzima cataliza la reacción: Glucosa  +  ATP --> glucosa 6-fosfato  +  ADP

Acompañantes no proteicos de las enzimas

Ya sea que consistan en una única cadena polipeptídica plegada o en varias unidades, muchas enzimas requieren otras moléculas no proteicas para funcionar.

molécula

papel en la reacción catalizada

 Hierro Fe 2+ o Fe 3+ Oxidación / reducción
Cobre, Cu + o Cu 2+ Oxidación / reducción
Cinc, Zn2+ Ayuda a unir el NAD

molécula

papel en la reacción catalizada

Biotina transporta -COO-
Coenzima A transporta -CH2-CH3
NAD y FAD transportan electrones
molécula papel en la reacción catalizada
Hemo une iones O2 y electrones, contiene el 
cofactor hierro
Flavina Une electrones
Retinal Cofactor en la absorción de la luz

Las coenzimas reaccionan con la enzima de igual modo que el sustrato, uniéndose al sitio activo. Se mueven de una enzima a otra agregando o quitando grupos químicos del sustrato.

Regulación enzimática

El metabolismo consiste en una serie de reacciones catalizadas por enzimas, donde los productos de una reacción se convierten en los reactivos de la siguiente, lo que se conoce como VÍAS METABÓLICAS.
Las células deben poder regular estas vías metabólicas y lo hacen a través de reguladores enzimáticos. los inhibidores naturales regulan el metabolismo mientras que los artificiales son utilizados por la medicina, para destruir plagas, etc.

El gas nervioso ejerce su efecto letal al unirse con la enzima ACETILCOLINESTERASA, que es la encargada de disociar la molécula de ACETILCOLINA para su posterior síntesis. Este proceso no se puede llevar a cabo sin la primera disociación y sus consecuencias son trágicas. Al no poder ser sintetizada, la Acetilcolina comienza a acumularse en los centros de transmisión, como entre neuronas, ganglios, uniones neuromusculares, impidiendo la transmisión de ordenes a los músculos tanto de acción voluntaria como de acción involuntaria. Así, todos los músculos quedan bloqueados. Los primeros síntomas son un sudor copioso, dificultad en la respiración, presión en el pecho, fallos respiratorios, mareos, perdida de visión... Al aumentar la dosis de gas nervioso los efectos son cada vez mayores, llegando a producir espasmos y la perdida de la conciencia casi en el acto. Finalmente la muerte se produce tras pocos minutos por asfixia. Entre los antídotos, con el fin de reactivar el proceso de síntesis a cargo de la encima acetilcolina, el mas usado es el basado en la ATROPINA, dado que es el único eficaz si se aplica con extrema rapidez.