Bioquímica 5: enzimas, funcionalidad de las proteínas.

Una versión avanzada de este tema se puede leer en el apartado Enzimología.

En el tema anterior, se habló sobre las características del plegamiento proteico. Cuestión de vital importancia que otorga la funcionalidad a las proteínas.

Como hemos visto en temas anteriores, las proteínas pueden clasificarse de diversas formas y otro criterio es clasificarlas como proteínas simples, compuestas por una única cadena polipeptídica o proteínas conjugadas que tienen una parte proteica y otra no proteica. Si ese conjugado es del tipo proteico, se le llamaría apoproteína; de lo contrario, se trataría de cofactores que al unirse a la proteína, forman la entidad biológica funcional.

Muchas proteínas necesitan un ligando (una molécula unida a ellas) para poder funcionar. Las enzimas son proteínas con función catalítica, aunque también existen RNAs que al desempeñar funciones catalíticas se denominan ribozimas.

Una enzima se unirá a su sustrato (S) para dar un producto (P), formando intermediariamente los complejos ES (enzima-sustrato) y EP (enzima-producto), siguiendo una relación tal que: E+S libres → ES→ EP→ E+P libres.
Las enzimas variarán la velocidad de las reacciones al influir en su cinética, pero no en su naturaleza termodinámica. Para acelerar la reacción, deben adquirir un estado de máxima inestabilidad denominado estado de transición (transition state‡) para posteriormente evolucionar a un estado más estable. Esto ocurre mediante un reajuste electrónico y la cantidad de energía necesaria para llegar al estado de transición se denomina energía de activación ΔG. La velocidad de la reacción también dependerá del número de colisiones efectivas entre las moléculas E y S (se puede aumentar el número de colisiones  modificando las concentraciones de enzima y sustrato; también al subir la temperatura, aumentará la energía cinética de E y S y por tanto, las colisiones); cuanto más estable sea el estado de transición, las colisiones tendrán mayor efectividad y la reacción será más veloz. A menor diferencia de energía de activación, mayor velocidad.

Tema5-enzimas
Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

Los catalizadores funcionan modificando la energía de activación (Ea), haciéndola más estable. Acerca los reactivos orientando sus orbitales electrónicos. La enzima deberá recuperarse en su forma libre sin modificación una vez acabada la reacción.

La especificidad de las enzimas está muy relacionada con su clasificación. Fundamentalmente residen en su centro activo, compuesto por el centro ligante y el centro catalítico (que pueden estar juntos o separados). Cada enzima es específica de su sustrato o mantiene cierta afinidad para determinado tipo de sustratos, el centro ligante es donde se da la unión E y S. Hay enzimas que se especializan en reaccines redox, otras del tipo hidrolíticas, de unión, etc.
Las enzimas son capaces de regular su actividad y la base de dicha regulación depende de los cambios conformacionales que varían la disposición de los centros activos.

CLASIFICACIÓN según el tipo de reacción que cataliza un enzima:

  1.  Oxidorreductasas: catalizan reacciones redox
  2. Transferasas: Transfieren un grupo de una molécula a otra
  3. Hidrolasas: catalizan reacciones de hidrólisis
  4. Liasas: Reacciones de ruptura de enlaces que no son por hidrólisis ni por reacciones redox.
  5. Isomerasas: transformación de isómeros (ópticos, posicionales, funcionales…)
  6.  Ligasas: Formación de enlaces

NOMENCLATURA:
Hay enzimas que se siguen denominando por el nombre que el autor inicial les dio, aunque no suelen aportar información sobre su funcionalidad. Actualmente hay varias formas de nombrar las enzimas en función del:

  1. Nombre vulgar: no informan sobre la funcionalidad, como la tripsina.
  2. Nombre recomendado: dado por el código de nomenclatura EC (enzyme commision) como la etanol NAD oxidorreductasa (EC 1.1.1.1).
  3. Nombre abreviado: por ejemplo, etanol deshidrogenasa.
  4. Número EC: como 1.1.1.1, el primer número se refiere al grupo de enzimas al que pertenece.

LOS CENTROS ACTIVOS:

  • Se localizan en zonas accesibles para el sustrato.
  • Tienden a excluir el agua (salvo las hidrolasas), ya que el H2O forma puentes de hidrógeno y es un dipolo que puede interferir en la interacción del sustrato con los residuos de los aminoácidos de la enzima.
  • Suele haber presencia de aminoácidos ácidos y básicos (grupos electrófilos y neutrófilos) como la lisina y la arginina (electrófilos). Los residuos ácidos y básicos provocan reajustes electrónicos en los sustratos. La histidina es un aminoácido que puede actuar tanto como ácido o como base a pH fisiológico, es por ello que muchas enzimas tienen histidinas en sus centros activos. En ocasiones, las enzimas necesitan cofactores porque por sí solas no pueden catalizar la reacción, esos cofactores aportan propiedades adicionales que los aminoácidos por sí solos no pueden dar. Los cofactores pueden ser de origen orgánico o inorgánico y las vitaminas son ejemplo de ellos. Los metales de transición como el zinc tienen muchos orbitales libres, por ello son fuertes electrófilos que atraerán electrones de los enlaces de los sustratos. El magensio Mg2+, el sodio Na2+ y el postasio K+ participan en estas interacciones directa o indirectamente.
  • El centro activo tiene una especial reactividad; en las oquedades de los centros activos, una serie de residuos aportan un microambiente que aumenta la reactividad de la enzima. El cambio de posición de un residuo específico del centro activo, puede provocar que la enzima se active o inactive.

En la siguiente entrada continuaremos con el tema de los tipos de catálisis.

REFERENCIAS
D. L. Nelson, M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 5th edition, 2008. Ed. Freeman.
Voet, Voet. Bioquímica 3rd edition, 2006. Ed. Médica Panamericana.

Enlace: lecciones de Bioquímica.

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