Las enzimas aceleran las reacciones en factores de hasta un millón o más (Tabla 8.1). De hecho, la mayoría de las reacciones en los sistemas biológicos no tienen lugar a velocidades perceptibles en ausencia de enzimas. Incluso una reacción tan sencilla como la hidratación del dióxido de carbono está catalizada por una enzima, la anhidrasa carbónica (apartado 9.2). La transferencia de CO2 de los tejidos a la sangre y luego al aire alveolar sería menos completa en ausencia de esta enzima. De hecho, la anhidrasa carbónica es una de las enzimas más rápidas que se conocen. Cada molécula de enzima puede hidratar 106 moléculas de CO2 por segundo. Esta reacción catalizada es 107 veces más rápida que la no catalizada. Consideraremos el mecanismo de la catálisis de la anhidrasa carbónica en el capítulo 9. Las enzimas son muy específicas tanto en las reacciones que catalizan como en la elección de los reactivos, llamados sustratos. Una enzima suele catalizar una única reacción química o un conjunto de reacciones estrechamente relacionadas. Las reacciones secundarias que conducen a la formación de subproductos son raras en las reacciones catalizadas por enzimas, en contraste con las no catalizadas.
Tabla 8.1
Aumento de la velocidad por enzimas seleccionadas.
Consideremos las enzimas proteolíticas como ejemplo. In vivo, estas enzimas catalizan la proteólisis, la hidrólisis de un enlace peptídico.
La mayoría de las enzimas proteolíticas también catalizan una reacción diferente pero relacionada in vitro: la hidrólisis de un enlace éster. Estas reacciones son más fáciles de controlar que la proteólisis y son útiles en las investigaciones experimentales de estas enzimas (Sección 9.1.2).
Las enzimas proteolíticas difieren notablemente en su grado de especificidad de sustrato. La subtilisina, que se encuentra en ciertas bacterias, es bastante indiscriminada: cortará cualquier enlace peptídico sin tener en cuenta la identidad de las cadenas laterales adyacentes. La tripsina, una enzima digestiva, es bastante específica y cataliza la ruptura de los enlaces peptídicos sólo en el lado carboxilo de los residuos de lisina y arginina (Figura 8.1A). La trombina, una enzima que participa en la coagulación de la sangre, es aún más específica que la tripsina. Cataliza la hidrólisis de los enlaces Arg-Gly sólo en secuencias peptídicas concretas (Figura 8.1B).
Figura 8.1
Especificidad de la enzima. (A) La tripsina escinde en el lado carboxilo de los residuos de arginina y lisina, mientras que (B) la trombina escinde específicamente los enlaces Arg-Gly en determinadas secuencias.
La ADN polimerasa I, una enzima dirigida por la plantilla (Sección 27.2), es otro catalizador altamente específico. Añade nucleótidos a una cadena de ADN que se está sintetizando, en una secuencia determinada por la secuencia de nucleótidos en otra cadena de ADN que sirve de plantilla. La ADN polimerasa I es notablemente precisa a la hora de llevar a cabo las instrucciones dadas por la plantilla. Inserta el nucleótido equivocado en una nueva cadena de ADN menos de una vez entre un millón.
La especificidad de una enzima se debe a la interacción precisa del sustrato con la enzima. Esta precisión es el resultado de la intrincada estructura tridimensional de la proteína de la enzima.
8.1.1. Muchas enzimas requieren cofactores para su actividad
La actividad catalítica de muchas enzimas depende de la presencia de pequeñas moléculas denominadas cofactores, aunque el papel preciso varía según el cofactor y la enzima. Una enzima de este tipo sin su cofactor se denomina apoenzima; la enzima completa y catalíticamente activa se llama holoenzima.
Los cofactores pueden subdividirse en dos grupos: metales y pequeñas moléculas orgánicas (Tabla 8.2). La enzima anhidrasa carbónica, por ejemplo, requiere Zn2+ para su actividad (apartado 9.2.1). La glucógeno fosforilasa (Sección 21.1.5), que moviliza el glucógeno para obtener energía, requiere la pequeña molécula orgánica piridoxal fosfato (PLP).
Tabla 8.2
Cofactores enzimáticos.
Los cofactores que son pequeñas moléculas orgánicas se llaman coenzimas. A menudo derivadas de las vitaminas, las coenzimas pueden estar unidas a la enzima de forma fuerte o débil. Si están fuertemente unidas, se denominan grupos prostéticos. Las coenzimas poco unidas se parecen más a los cosubstratos porque se unen a la enzima y se liberan de ella al igual que los sustratos y los productos. Sin embargo, el uso de la misma coenzima por parte de una variedad de enzimas y su origen en las vitaminas diferencia a las coenzimas de los sustratos normales. Las enzimas que utilizan la misma coenzima suelen ser mecánicamente similares. En el capítulo 9, examinaremos la importancia mecánica de los cofactores para la actividad enzimática. Una discusión más detallada de las coenzimas puede encontrarse en la Sección 8.6.
8.1.2. Las enzimas pueden transformar la energía de una forma en otra
En muchas reacciones bioquímicas, la energía de los reactivos se convierte con gran eficacia en una forma diferente. Por ejemplo, en la fotosíntesis, la energía de la luz se convierte en energía de los enlaces químicos a través de un gradiente de iones. En las mitocondrias, la energía libre contenida en las pequeñas moléculas derivadas de los alimentos se convierte primero en la energía libre de un gradiente iónico y luego en una moneda diferente, la energía libre del trifosfato de adenosina. Las enzimas pueden entonces utilizar la energía de los enlaces químicos del ATP de muchas maneras. La enzima miosina convierte la energía del ATP en la energía mecánica de la contracción muscular. Las bombas de las membranas de las células y los orgánulos, que pueden considerarse como enzimas que mueven sustratos en lugar de alterarlos químicamente, crean gradientes químicos y eléctricos utilizando la energía del ATP para transportar moléculas e iones (figura 8.2). Los mecanismos moleculares de estas enzimas transductoras de energía se están desentrañando. En los capítulos siguientes veremos cómo los ciclos unidireccionales de pasos discretos (unión, transformación química y liberación) conducen a la conversión de una forma de energía en otra.
Figura 8.2
Una enzima transformadora de energía. La Ca2+ ATPasa utiliza la energía de la hidrólisis de ATP para transportar Ca2+ a través de la membrana, generando un gradiente de Ca2+.
8.1.3. Las enzimas se clasifican sobre la base de los tipos de reacciones que catalizan
Muchas enzimas tienen nombres comunes que proporcionan poca información sobre las reacciones que catalizan. Por ejemplo, una enzima proteolítica secretada por el páncreas se llama tripsina. La mayoría de las demás enzimas se denominan por sus sustratos y por las reacciones que catalizan, con el sufijo «ase» añadido. Así, una ATPasa es una enzima que descompone ATP, mientras que la ATP sintasa es una enzima que sintetiza ATP.
Para dar cierta coherencia a la clasificación de las enzimas, en 1964 la Unión Internacional de Bioquímica estableció una Comisión de Enzimas para desarrollar una nomenclatura para las mismas. Las reacciones se dividieron en seis grandes grupos numerados del 1 al 6 (Tabla 8.3). Estos grupos se subdividieron y volvieron a subdividirse, de modo que un número de cuatro dígitos precedido por las letras EC de Comisión de Enzimas podía identificar con precisión todas las enzimas.
Tabla 8.3
Seis clases principales de enzimas.
Considere como ejemplo la nucleósido monofosfato (NMP) quinasa, una enzima que examinaremos en detalle en el próximo capítulo (Sección 9.4). Cataliza la siguiente reacción:
La NMP quinasa transfiere un grupo fosforilo del ATP al NMP para formar un nucleósido difosfato (NDP) y ADP. En consecuencia, es una transferasa, o miembro del grupo 2. Además de los grupos fosforilo, se pueden transferir muchos grupos, como azúcares y unidades de carbono. Las transferasas que desplazan un grupo fosforilo se denominan 2.7. Varios grupos funcionales pueden aceptar el grupo fosforilo. Si el aceptor es un fosfato, la transferasa se designa como 2.7.4. El número final designa el aceptor con mayor precisión. En lo que respecta a la NMP quinasa, un nucleósido monofosfato es el aceptor, y la designación de la enzima es EC 2.7.4.4. Aunque los nombres comunes se utilizan habitualmente, el número de clasificación se emplea cuando la identidad precisa de la enzima puede ser ambigua.