Enzimas: naturaleza química y estructura

La inmensa mayoría de las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos ocurren de modo regulado, es decir, su progreso se ajusta a las necesidades metabólicas de la célula en cada momento. Para que esto sea posible, es necesario que la velocidad a la que suceden tales reacciones pueda ser modificada, de modo que se retarden cuando los productos de la reacción no sean necesarios, o que se aceleren cuando haga falta producir más productos.

El control de la velocidad de una reacción química puede llevarse a cabo mediante la actividad de catalizadores. Precisamente, un catalizador es una sustancia que modifica la velocidad de una reacción química sin alterar otros parámetros de la misma (equilibrio, dirección de progreso, balance energético...), recuperándose al final de la reacción, como si no hubiera intervenido en ella.

Los catalizadores biológicos por excelencia son las enzimas. En general, las enzimas son proteínas globulares que participan en el metabolismo de los organismos modificando la velocidad de reacciones específicas. Como excepción a esta norma, se conocen algunos ácidos ribonucleicos que también tienen actividad catalítica, y que reciben el nombre de ribozimas.
Mientras que en muchos casos las enzimas están formadas exclusivamente por aminoácidos, en otros muchos la proteína se encuentra asociada, además, a otro tipo de moléculas que resultan imprescindibles para que puedan desarrollar su función. Cuando esto ocurre, la enzima funcional, incluyendo la parte no proteica, recibe el nombre de holoenzima, la parte proteica se denomina apoenzima y la no proteica recibe el nombre genérico de cofactor.

Los cofactores pueden ser iones metálicos o moléculas orgánicas de pequeño tamaño.

• Las proteinas que incluyen iones metálicos en su estructura reciben el nombre de metaloproteínas, y representan aproximadamente entre la cuarta parte y la tercera parte de todas las proteínas conocidas. Los iones metálicos pueden unirse a la proteína directamente, mediante su coordinación con átomos de nitrógeno, oxígeno o azufre de los aminoácidos, o indirectamente, "atrapados" en un grupo formado por varios ciclos, en cuyo centro se encuentra el metal, como el grupo hemo. Entre los iones metálicos más comunes en las metaloproteínas se encuentran: Zn⁺², Mg⁺², Mn⁺²,Fe⁺², Fe⁺³, Cu⁺, Cu⁺², K⁺ y Na⁺. Estos iones participan en procesos como la expresión génica (cinc), la fotosíntesis (magnesio), o el transporte de electrones o de oxígeno (hierro), entre otros muchos. El papel concreto que desarrolla el metal dentro de la enzima es variable; en algunos casos, en  particular en las reacciones de oxidación-reducción, el metal participa directamente en la reacción química (función catalítica primaria), mientras que en otras enzimas su papel consiste en establecer la unión entre el sustrato y la enzima, o en contribuir a la estabilización del centro activo.
• Las moléculas orgánicas que actúan como cofactores suelen ser derivados de bases nitrogenadas (tiamina, biotina, piridoxal) o de nucleótidos (FMN, FAD, NAD o NADP), aunque también hay algunas de naturaleza lipídica (coenzima A, coenzima Q, lipoamida). Generalmente estas moléculas actúan como intermediarios en la transferencia de grupos químicos, desde electrones a grupos funcionales. Es decir, el sustrato cede el grupo químico al cofactor y éste lo traspasa a una segunda molécula para formar el producto. Así pues, tienen fundamentalmente un papel catalítico primario. Muchas de estas moléculas no pueden ser sintetizadas por los animales superiores, por lo que tienen carácter esencial, razón por la cual se han incluido tradicionalmente en la categoría de "vitaminas".

 Según el grado de unión entre el cofactor y la enzima se distinguen los grupos prostéticos, que están firmemente unidos a las proteínas, como ocurre con el FAD y las coenzimas, que se asocian a las enzimas de forma débil y transitoria, hasta el punto de que pueden moverse de una enzima a otra, portando el grupo que transfieren, como es el caso del NAD.

El centro activo de las enzimas

Desde el punto de vista químico, la actividad de las enzimas consiste en modificar la energía de activación necesaria para que la reacción química tenga lugar. De ese modo se consigue que cambie la proporción de moléculas de sustrato que tienen suficiente para reaccionar. Para lograrlo, las enzimas forman un complejo con los sustratos, que actúa como intermediario de la reacción, que necesita una energía de activación menor para formarse, lo que significa que hay una mayor proporción de moléculas que pueden alcanzar ese nivel energético.


La unión entrela enzima y el sustrato ocurre en una región concreta de la enzima, que recibe el nombre de centro activo. Esta zona, que suele ser de pequeño tamaño respecto al volumen total de la proteína, está configurada por aminoácidos que pueden estar alejados entre sí en la secuencia primaria, pero que se encuentran próximos en la estructura terciaria, como consecuencia de los procesos de plegamiento. El resultado final de este plegamiento suele ser un "bolsillo" en cuyo interior encaja el sustrato de la enzima, gracias tanto a la complementariedad espacial entre sustrato y centro activo como al entorno químico que crean los aminoácidos de éste, que permite el establecimiento de interacciones débiles con la molécula de sustrato. El centro activo también incluye los cofactores cuando éstos forman parte de la enzima.

Los aminoácidos que se sitúan en el centro activo de la enzima desempeñan en él funciones diferentes:

• La mayoría de ellos participan en el establecimiento de la forma del centro activo, haciendo que sea complementaria del sustrato. Son, por lo tanto, aminoácidos estructurales.

• Un segundo grupo de aminoácidos contribuye a mantener el sustrato enlazado al centro activo. Para ello establece enlaces débiles con el sustrato, en lo que participan tanto sus cargas (aminoácidos ácidos o básicos) como su carácter químico (aminoácidos polares, aminoácidos hidrófobos). Estos grupos reciben el nombre de aminoácidos fijadores.
• Los aminoácidos ambientadores son los que contribuyen a crear un cierto entorno químico dentro del centro activo. Muchos sitios activos de las enzimas son bolsillos apolares, de modo que en esos casos los aminoácidos ambientadores tendrán esa naturaleza química.
• Los aminoácidos catalíticos son los que llevan a cabo la actividad enzimática. Para ello, participan activamente en la reacción química que ocurre dentro del centro activo, normalmente reaccionando con el sustrato y formando un compuesto intermedio, diferente al que se formaría en la reacción no catalizada. Al finalizar el proceso, los aminoácidos catalíticos recuperan su estructura.

Las enzimas se definen como biocatalizadores específicos, pero esta especificidad tiene dos facetas diferentes: por una parte, presentan especificidad de sustrato, es decir, una enzima se une a una molécula, pero no a otra similar a la primera. Este fenómeno se debe a la actuación de los aminoácidos estructurales y fijadores, que son los que se encargan de impedir que sustratos diferentes puedan encajar en el centro activo. El segundo tipo de especificidad es la especificidad de reacción, que consiste en que una enzima, una vez que se ha unido a su sustrato, cataliza una única reacción de todos los posibles cambios químicos que puede sufrir esa molécula. La especificidad de reacción se produce gracias a la acción de los aminoácidos ambientadores y catalíticos. Los primeros son los que se encargan de distorsionar la molécula de sustrato, haciéndola más susceptible a la reacción. Los aminoácidos catalíticos reaccionan directamente con el sustrato.

Enzimas: clasificación y nomenclatura

La clasificación de las enzimas y el establecimiento de un sistema apropiado de nomenclatura para ellas van íntimamente relacionados, ya que un modo adecuado de nombrar estos compuestos debería servir, además, para proporcionar información acerca de su función biológica en la célula.

Sin embargo, como ocurre con todos los compuestos biológicos, las enzimas fueron recibiendo nombres a medida que se iban descubriendo, lo que provocó una considerable confusión terminológica que aún no se ha resuelto, ni mucho menos. En la actualidad, existe una comisión internacional (La Enzyme Commision) que se ocupa de sistematizar y establecer los nombres que reciben las diferentes enzimas pero, igual que ocurre con la nomenclatura química, siguen coexistiendo diferentes nombres y sistemas para denominar las enzimas, lo que hace que la situación llegue a ser bastante confusa.

Por una parte, existen algunas enzimas que reciben nombres particulares, en algunos casos derivados del nombre de su descubridor, como la "enzima de Ochoa". Estos nombres propios, sin embargo, se van abandonando poco a poco, y son sustituidos en el uso por otros más sistemáticos, formados según las recomendaciones de la Enzyme Commision.

La comisión ha establecido dos sistemas de nomenclatura con el mismo rango de oficialidad: establece un nombre sistemático, que describe la actividad de la enzima concreta de la forma más precisa posible, pero que resulta demasiado complejo para su uso habitual, y un nombre trivial o común, mucho más breve y sencillo, que es el que se utiliza normalmente en todas las publicaciones científicas. En la práctica, el nombre sistemático se sustituye, para evitar las ambigüedades, por el código oficial de la enzima, también establecido por la propia Comisión.

Nombre sistemático	Nombre trivial	Código de la enzima
alditol:NAD(P)+ 1-oxidoreductasa	Aldehído reductasa	EC 1.1.1.21

Los códigos oficiales de las enzimas tienen siempre el mismo formato, y están perfectamente sistematizado. Empiezan siempre por las letras "EC", que corresponden a las siglas de la Comisión Enzimática, y constan de cuatro números separados entre sí por puntos. Los tres primeros corresponden a categorías o grupos de enzimas, y describen el tipo de reacción catalizado de un modo cada vez más preciso; poe ejemplo, el número 1 en el primer nivel se refiere a las oxidorreductasas, mientras que dentro de ellas el primer subgrupo corresponde a las enzimas que, siendo oxidorreductasas, actúan sobre grupos hidroxilo. El cuart número, por último, identifica la enzima concreta dentro de un listado de enzimas del mismo tipo.

Esta clasificación es de carácter funcional: enzimas de diferentes organismos que catalizan la misma reacción se identifican con el mismo código. La tabla siguiente recoge los códigos del primer nivel de la Comisión Enzimática, y por lo tanto la clasificación oficial de las enzimas según el tipo de reacciones que catalizan.

Grupo	Reacciones catalizadas	Reacción típica	Ejemplos de enzimas con nombre trivial
EC 1 Oxidoreductasas	Para catalizar reacciones de oxidación/reducción; transferencia de los átomos de H y de O o electrones de una sustancia a otra	AH + → DE B A + BH (reducido) → AO DE A + DE O (oxidado)	Deshidrogenasa, oxidasa
EC 2 Transferasas	Transferencia de un grupo funcional a partir de una sustancia a otra. El grupo puede ser grupo metílico, acilo, amino o  fosfato	AB + → DE C A + A.C.	Transaminasa, kinasa
EC 3 Hidrolasas	Formación de dos productos a partir de un sustrato mediante hidrólisis	AB + H2→ DE O AOH + BH	Lipasa, amilasa, peptidasa
EC 4 Liasas	Adición o rotura no hidrolítica de grupos de los sustratos. Pueden romperse enlaces C-C, C-N, C-O o C-S	→ DE RCOCOOH RCOH + CO2	Descarboxilasa
EC 5 Isomerasas	Cambios de intramoleculares, es decir isomerización. Cambios dentro de una sola molécula	BA DEL → DEL AB	Isomerasa, mutasa
EC 6 Ligasas	Unión de dos moléculas por síntesis de nuevos enlaces C-O, C-S, C-N o C-C con la rotura simultánea de ATP	X + → del ATP de Y+ XY + ADP + Pi	Sintetasa

En todo caso, el uso de los nombres sistemáticos o de los códigos numéricos resulta engorroso, razón por la cual la propia Comisión recomienda que cada enzima posea, además, un nombre trivial suficientemente sencillo y preciso como para identificar cada enzima siendo, además, fácil de utilizar.  En cuanto a la forma de generar estos nombres comunes, la Enzyme Commision recomienda lo siguiente:

• En general, las enzimas se nombran y catalizan según la reacción química que catalizan, terminando su nombre en -asa.
• La reacción concreta catalizada por la enzima se identifica mediante el uso del nombre del sustrato. Cuando este se presenta en forma de anión, su nombre se termina en -ato dentro del nombre de la enzima. De ese modo se habla, por ejemplo, de la lactato deshidrogenasa.

Proteínas III: las funciones de las proteínas

Las proteínas son el tipo de moléculas que llevan a cabo la mayor parte de las funciones de las células, gracias a gran variedad de estructuras tridimensionales que pueden adquirir. Entre tales funciones se cuentan:

• Función hormonal: las hormonas son sustancias que se encargan de transmitir una información de un órgano a otros, con el fin de que éstos produzcan una respuesta mantenida en el tiempo. La coordinación hormonal, a diferencia de la actividad del sistema nervioso, es lenta, pero duradera. En general hace que las células que reciben el "mensaje" sinteticen nuevas proteínas y modifiquen su actividad química. Existen, básicamente, dos tipos de hormonas según su naturaleza química: las lipídicas y las que derivan de aminoácidos o tienen naturaleza peptídica, como la insulina. Las hormonas peptídicas necesitan, además, unirse a moléculas concretas en la superficie de la célula (no pueden atravesar la membrana). Estas moléculas, específicas para cada hormona, reciben el nombre de receptores y son siempre proteínas.
• Reconocimiento e identificación celular: la identificación de los elementos propios y ajenos dentro del mismo organismo ocurre siempre por unión a proteínas expuestas en la superficie celular. Los elementos que se unen a organismos o células extrañas que pueden penetrar en nuestro organismo (los anticuerpos) son también proteínas.
• Función transportadora, tanto a través de las membranas biológicas como de sustancias no solubles en un medio acuoso.
• Función estructural: muchas proteínas son utilizadas por la célula para formar la base de diferentes elementos estructurales, como el citoesqueleto. También se usan proteínas para dar resistencia a algunos tejidos de sostén, como el colágeno en el tejido conjuntivo.
• Función defensiva: los anticuerpos, además de reconocer las moléculas propias y las ajenas, contribuyen a eliminar a los microorganismos invasores.
• Movimiento: todas las funciones de los seres vivos que tienen que ver con la motilidad y el movimiento, tanto en el interior de las células como de las células en su conjunto, son realizadas por diferentes tipos de proteínas.
• Función enzimática: posiblemente, la función más extendida de las proteínas sea actuar como enzimas, es decir, como catalizadores de las reacciones químicas que tienen lugar en el interior de las células.

Reacciones químicas, catalizadores y enzimas

La célula funciona como una fábrica química en la que se están produciendo simultáneamente miles de reacciones químicas diferentes. La cantidad de productos que se genera en cada una de ellas está perfectamente ajustada a la cantidad de sustratos que están presentes en la célula en un momento determinado, y a las necesidades que la célula tiene en ese preciso momento. Evidentemente, esta coordinación no ocurre por casualidad, sino que requiere del funcionamiento correcto de elementos celulares que sean capaces de realizar los ajustes precisos en las diferentes reacciones. Esos elementos son las enzimas, y consiguen mantener el equilibrio entre las reacciones celulares modificando su velocidad.

La mayoría de las enzimas se encuentran en el interior de las células, aunque hay algunas que son secretadas y realizan su acción en el torrente circulatorio, el tubo digestivo y otros espacios extracelulares, o incluso fuera del organismo en el caso de muchos microorganismos. Una célula animal "típica" puede contener entre 1000 y 4000 enzimas distintas, cada una de las cuales cataliza una única reacción o un conjunto de reacciones estrechamente relacionadas.

Ciertas enzimas catalizan reacciones comunes a la mayoría de los organismos, entre las que están la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos o fosfolípidos, las reacciones que convierten la glucosa y el oxígeno en dióxido de carbono y agua, proporcionando energía a la célula. Estas enzimas son bastante parecidas en todos los organismos. Por otra parte, existen también enzimas que solo están presentes en algunas de las células del organismo.

Las reacciones celulares siguen, evidentemente, los mismos principios que el resto de las reacciones químicas. Para entender el funcionamiento de las enzimas habrá que recordar algunos de ellos. Para eso, partiremos de una reacción hipotética que podríamos representar como

A ↔ B + C

En ella, un sustrato (A) se divide en dos productos, B y C.

La posibilidad de que ocurra una reacción química depende de la energía interna que posean los sustratos, por una parte, y los productos por otra; si los sustratos tienen más energía interna que los productos la reacción será espontánea, aunque eso no nos dice nada de la velocidad con la que ocurrirá: puede ser tan lenta que, en la práctica no ocurra nunca.

Casi todas las reacciones químicas son, además, reversibles. Esto significa que, a medida que el sustrato A se descompone en B y C, una parte de estos reaccionan entre sí regenerando el sustrato original, A. Las velocidades de ambas reacciones (directa e inversa) guardan una curiosa relación: conforme avanza la reacción, la velocidad de la reacción directa va disminuyendo, mientras que la de la reacción inversa va aumentando, hasta llegar a igualarse. En ese momento, se genera tanta cantidad de productos como de sustratos, de modo que las concentraciones de las sustancias que participan en la reacción permanecen constantes; se ha alcanzado el equilibrio químico. Estas variables (diferencia de energía entre sustratos y productos, velocidad de la reacción directa, velocidad de la reacción inversa y proporción de la concentración de sustancias en el equilibrio) caracterizan una reacción química, también en los seres vivos.

Las células pueden actuar, en distinto grado, sobre esas variables para controlar el transcurso de la reacción:

• Pueden modificar la diferencia de energía interna entre sustratos y productos, por ejemplo fosforilando uno de los sustratos. Este compuesto tiene una energía interna mayor que el original, facilitando el transcurso de la reacción. También pueden acoplar una reacción que proporcione energía a la original, en particular la hidrólisis de ATP. Acoplar dos reacciones entre sí consiste en hacer que ambas transcurran simultáneamente, y en el mismo lugar, de modo que una pueda utilizar los productos de la otra (tanto moléculas como energía).
• Pueden alterar las condiciones de equilibrio de la reacción, por ejemplo retirando los productos a medida que se van formando, con lo que nunca se alcanza la proporción entre sustratos y productos que caracteriza el equilibrio.
• Pero el mecanismo más utilizado para controlar el transcurso de las reacciones químicas es modificar la velocidad a la que transcurren mediante el uso de catalizadores.

Un catalizador es una sustancia química que modifica la velocidad de una reacción, recuperándose intacto al final de la misma. Los catalizadores no modifican el equilibrio de la reacción, ni priman un sentido sobre otro (hacen que aumente tanto la velocidad de la reacción directa como de la inversa), sino que actúan modificando la energía de activación.

Para que una reacción tenga lugar, aunque los sustratos tengan más energía que los productos, es necesario que se forme un intermedio de reacción con mayor energía que la de los sustratos.

Se interpreta esta energía de activación teniendo en cuenta que, para que un compuesto estable reaccione químicamente, es necesario que se encuentre en un estado en el que se haga posible la reacción. Si tienen que reaccionar entre sí dos sustancias, el estado activado supondría que las dos moléculas han chocado con la velocidad y orientación necesarias para que los enlaces existentes se rompan, y se formen nuevos enlaces. Si es un único compuesto que se descompone, se trata de que los enlaces entre los átomos estén suficientemente forzados para que lleguen a romperse.

Las enzimas son catalizadores biológicos. Prácticamente todos los compuestos bioquímicos que tienen actividad enzimática son proteínas, siendo las únicas excepciones algunos ácidos ribonucleicos que también tienen este tipo de función. A diferencia de los catalizadores no biológicos, las enzimas son totalmente específicas: cada enzima cataliza una reacción específica o, a lo sumo, unas pocas reacciones muy parecidas entre sí.

La acción enzimática consiste, como la de todos los catalizadores, en modificar la energía de activación necesaria para que la reacción tenga lugar. Para hacer esto, la enzima se une al (los) sustrato(s), formando un complejo enzima-sustrato que suele representarse como [ES], y que puede reaccionar requiriendo una menor energía de activación.

Lo que hace la enzima, como se ve en la animación anterior, es modificar la orientación del sustrato, o la posición de sus enlaces, para facilitar la reacción química.

El efecto macroscópico de un catalizador es, como se ha dicho, modificar la velocidad de las reacciones que cataliza. Para entender cómo el cambio en la energía de activación de las moléculas supone un cambio en la velocidad hay que tener en cuenta que cuando nos referimos a una reacción, aunque utilicemos el singular, en realidad estamos considerando un conjunto de moléculas que van a participar en el proceso. Cada una de esas moléculas tiene propiedades diferentes, por ejemplo su energía, de modo que algunas (normalmente unas pocas) poseen energía suficiente para alcanzar la energía de activación y, por lo tanto, reaccionar. Cuanto menor sea la proporción de moléculas con elevada energía, menor es la velocidad de la reacción (por eso calentar los sustratos suele acelerar las reacciones). Lo que consigue una enzima al reducir la energía de activación es que haya una mayor proporción de moléculas en condiciones de reaccionar, por lo que la velocidad de reacción es mayor.

Factores que determinan la acción enzimática

A continuación tienes una animación interactiva que muestra un modelo de reacción química en presencia de enzima. Antes de describir la actividad enzimática de modo teórico, es interesante que modifiques los parámetros de la animación y que vayas tratando de responderte algunas preguntas para que puedas comprender mejor cómo actúan las enzimas. La cuestión fundamental es la siguiente: ¿cómo se consigue una eficacia máxima de las enzimas a la hora de catalizar una reacción química?

Fíjate en la animación, y observa que en la parte derecha hay unas cuantas variables cuyos valores puedes modificar. Empezando por los dos primeros, que son los más importantes, cambia esos valores (uno de ellos cada vez) y responde a estas preguntas:

• ¿Como afecta la cantidad de sustrato a la velocidad de la reacción?
• ¿Cómo afecta la cantidad de enzima a la velocidad de la reacción?

Al aumentar la cantidad de enzima, la velocidad de la reacción también lo hace. Por otra parte, al aumentar la concentración de sustrato, la velocidad de la reacción se incrementa, pero solo hasta un determinado valor, por encima del cual la velocidad se hace constante. Estos resultados se resumen en la ecuación de Michaelis Menten:

En ella se observa que la velocidad inicial de la reacción (v₀) depende de la velocidad máxima a la que puede transcurrir la reacción (V_máx) y a la concentración de sustrato [S], y es inversamente proporcional de nuevo a la concentración de sustrato y a una constante característica de la enzima, K_M, llamada constante de Michaelis-Menten, que indica la afinidad que la enzima muestra por el sustrato. Cuando la concentración de sustrato es igual a la constante de Michaelis-Menten, la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima de la reacción.

La gráfica de la derecha, que muestra la variación de la velocidad de reacción en función de la concentración de sustrato, tiene algunos aspectos destacables:

• Cuando hay mucha más enzima que sustrato, es decir, cuando la concentración de sustrato es baja, la velocidad de la reacción es proporcional a la cantidad de sustrato.
• Cuando la cantidad de enzima y de sustrato son comparables, la velocidad de la reacción sigue aumentando al incrementar la cantidad de sustrato, pero lo hace mucho más lentamente.
• Por último, llega un momento en que aunque sigamos añadiendo sustrato la velocidad de la reacción permanece constante.

Esta gráfica describe una cinética de saturación. En esta situación, el principal determinante de la velocidad de la reacción es la disponibilidad de enzima. Cuando hay enzima disponible de sobra, la velocidad y la cantidad de sustrato son proporcionales; cuando la enzima está prácticamente ocupada, la velocidad de la reacción depende menos de la cantidad de sustrato, porque las moléculas de éste pueden llegar a tener que "esperar" a que la enzima quede desocupada para poder reaccionar. Por último, cuando hay un exceso de sustrato, la velocidad ha alcanzado su valor máximo, de forma que solo puede incrementarse añadiendo enzima.

Volvamos a la célula. El mantenimiento del equilibrio químico dentro de cada célula precisa que las reacciones químicas que ocurren en ella se produzcan coordinadamente, como si varios bailarines siguieran la misma danza. Para ello, la célula necesita regular y ajustar entre sí las velocidades de diferentes reacciones, lo que puede hacer cambiando la concentración de sustrato (lo que puede ser complejo, puesto que depende de la cantidad de nutrientes disponible) o cambiando la cantidad de enzima disponible, o su efectividad. La regulación de la actividad enzimática tiene, por lo tanto, una gran importancia.

Mecanismo de acción enzimática: fundamento molecular

Para catalizar una reacción química, la enzima se une al sustrato formando un complejo [ES]. Se trata de una unión reversible, ya que se debe a la formación de enlaces débiles entre enzima y sustrato, y altamente específica, porque la enzima y el sustrato presentan un elevado grado de complementariedad espacial: el sustrato encaja en la enzima como una mano en un guante. Para que el "encaje" se produzca suele ser necesario que las conformaciones (las formas tridimensionales instantáneas) de sustrato y enzima varíen hasta conseguir el mejor grado de complementariedad.

El sustrato se une específicamente a una región concreta de la enzima, llamada centro activo, donde se produce la reacción química. El centro activo es una zona tridimensional que puede estar formada por aminoácidos alejados entre sí en la estructura primaria de la proteína. Aunque suele ser solo una pequeña proporción del volumen total de la enzima, en general es necesario que toda la proteína esté intacta para que el centro activo pueda funcionar.

Regulación de las reacciones enzimáticas

En la célula, las reacciones químicas no se producen aisladas, sino interrelacionadas entre sí. En muchos casos, esa relación entre reacciones consiste en que el producto de una de ellas es el sustrato de la siguiente, cuyo producto es, por su parte, sustrato de una tercera reacción... Este conjunto de reacciones químicas encadenadas recibe el nombre de ruta metabólica.

Cuando la célula lleva a cabo una o varias rutas metabólicas, cada una de las reacciones que las forman tienen unas características diferentes, en particular en lo que se refiere a su cinética: unas ocurren más rápidamente que las otras, lo que puede provocar desajustes en el transcurso de la ruta: se pueden acumular cantidades excesivas de un producto intermedio, o bien alguno de ellos puede llegar a agotarse. En ambos casos, se produce un desajuste que dificulta el funcionamiento ordenado de la célula. Para evitarlo, la célula trata de ajustar las velocidades de las diferentes reacciones químicas que ocurren en ella, lo que se conoce como regulación enzimática.

Los organismos pueden ajustar la cantidad de sustancias mediante diferentes mecanismos:

• Regulando la expresión génica, es decir, los genes que se expresan (producen proteínas) en un momento dado. Una buena parte de los genes de cada célula no se expresan normalmente, sino solo cuando son estrictamente necesarios, en general como respuesta a un estímulo.
• Regulando la concentración de sustratos y productos, lo que la célula hace, por ejemplo, separándolos físicamente en orgánulos distintos.
• Regulando la actividad enzimática, mediante la unión a las enzimas de ciertas moléculas que modifican su estructura terciaria.
  

Muchas de las enzimas presentes en la célula pueden modificar su eficacia como resultado de factores de su entorno químico o por la acción de ciertas sustancias que la célula utiliza, precisamente, con ese propósito. Los factores que modifican la actividad enzimática son todos aquellos que son capaces de alterar la estructura tridimensional de las proteínas. Entre ellos, los más importantes son la temperatura, el pH o la fuerza iónica. En cuanto a las sustancias químicas que alteran la actividad enzimática, la mayor parte la reducen, por lo que reciben el nombre de inhibidores enzimáticos. Algunos inhibidores son toxinas o venenos, cuyo mecanismo de acción consiste, precisamente, en impedir la acción de las enzimas correspondientes. Sin embargo, existen también inhibidores enzimáticos que tienen una función importante en el funcionamiento de la célula. Su existencia es importante, porque la célula no solo necesita conseguir que las enzimas funcionen, sino que lo hagan de forma coordinada con el resto de los procesos celulares.

La inhibición enzimática ocurre siempre porque el inhibidor se une físicamente a alguno de los elementos que intervienen en la reacción, modificando su estructura tridimensional e impidiendo que la reacción prosiga. Según donde se produzca la unión del inhibidor se distinguen varios tipos distintos de inhibición:

• Inhibición competitiva: el inhibidor se une a la enzima en el centro activo, compitiendo por él con el sustrato natural e impidiendo que se forme el complejo [ES].
• Inhibición acompetitiva: el inhibidor se une en una zona diferente al centro activo, una vez formado el complejo [ES], impidiendo que evolucione hacia la formación de los productos.
• Inhibición no competitiva: el inhibidor se une fuera del centro activo, pero puede hacerlo tanto a la enzima libre como al complejo [ES].

Los tres tipos de inhibición producen efectos distintos sobre la actividad enzimática, y pueden diferenciarse por los cambios que inducen en la velocidad de la reacción.

También existen algunos compuestos que se unen irreversiblemente a las enzimas, provocando su inactivación definitiva. En estos casos, los inhibidores no son compuestos habituales en la célula, sino que actúan como venenos. Este es, por ejemplo, el caso del DDT, un insecticida que actúa inhibiendo de forma irreversible la acetilcolinesterasa, una enzima relacionada con la transmisión de la información en el sistema nervioso.

Regulación alostérica

Las células aprovechan los mecanismos de inhibición enzimática para regular la actividad de las enzimas, con el objetivo de ajustar los procesos químicos que ocurren en su interior de modo que disponga en todo momento de la cantidad apropiada de cada una de las sustancias que precisa. Para ello, existen muchas proteínas que poseen más de un lugar de unión a diferentes moléculas: el centro activo, para la unión del sustrato, y otro lugar donde se unen compuestos que van a modular la acción de la enzima, ya sea activándola o inhibiéndola. Los lugares de unión de estos otros compuestos reciben el nombre de sitios alostéricos (del griego, con el significado de "otro lugar"), y el mecanismo por el que los moduladores (activadores o inhibidores) alteran la acción de la proteína se denomina regulación alostérica.

Los reguladores alostéricos actúan del mismo modo que los inhibidores no competitivos y acompetitivos: su unión a la enzima, o al complejo enzima-sustrato, modifica la estructura terciaria de la proteína en su conjunto, modificando la afinidad de la enzima por el sustrato y, como consecuencia, la velocidad de la reacción.

En general, la regulación no ocurre sobre todas las enzimas, sino solo sobre algunas que juegan un papel clave dentro del conjunto de reacciones metabólicas que se producen en la célula, bien porque formen parte de varias rutas metabólicas, bien porque sean las que condicionan la velocidad de toda la ruta metabólica (las más lentas), bien por alguna otra razón.

Otro aspecto interesante de la regulación alostérica es cuáles son los compuestos que la célula utiliza como reguladores. En general, se trata de sustancias que forman parte de la ruta metabólica que se está regulando, lo cual tiene mucho sentido desde el punto de vista de la eficacia de la regulación.

• Los activadores alostéricos suelen ser precursores del sustrato de la enzima regulada. De este modo se consigue que, cuando se acumulan en la célula, la enzima funcione más rápidamente, consumiéndolos. A medida que se reduce la concentración del activador, la enzima va reduciendo su velocidad, con lo que consigue ajustar su actividad a la disponibilidad de precursor.
• Los inhibidores alostéricos suelen ser los productos finales de la ruta metabólica regulada. Con esto se consigue que, si se acumulan los productos, éstos frenen la acción de la enzima, con lo que se van produciendo más lentamente. A medida que los productos finales van siendo utilizados, la reacción regulada vuelve a aumentar su velocidad, impidiendo que los productos se consuman por completo.

Ambas situaciones caracterizan un sistema de regulación por retroalimentación negativa, que tiene como principal ventaja que puede mantener los elementos que participan en él en una situación de equilibrio dinámico: nunca se acumulan en exceso los precursores, ni se agotan los productos, porque la velocidad de la enzima se ajusta para evitarlo.

Animación: regulación alostérica de una ruta metabólica

Actividad enzimática y elementos no proteicos

Muchas enzimas necesitan para realizar su función la presencia de otro tipo de moléculas que son las que realmente participan en la reacción catalizada por la enzima, mientras que la parte proteica (que recibe el nombre de apoenzima), les proporciona un entorno adecuado para facilitar que transcurra la reacción. La parte no proteica recibe diferentes nombres, en función de su naturaleza química y de su grado de unión a la proteína:

• Las moléculas no proteicas unidas covalentemente a la parte proteica de la enzima se denominan cofactores.
• Los grupos no unidos covalentemente, de naturaleza inorgánica reciben el nombre de grupos prostéticos.
• Los grupos no unidos covalentemente, de naturaleza orgánica, se denominan coenzimas.

De este modo se tiene que el NADH es una coenzima de oxidación reducción, porque se mantiene unido débilmente a las proteínas que lo utilizan, mientras que el FADH₂, que realiza esa misma función, es un cofactor porque se une covalentemente a las enzimas que lo emplean. Por el contrario el hierro, que es necesario por ejemplo para el transporte de oxígeno por la hemoglobina, es un grupo prostético, porque es una molécula inorgánica.