Etapas de las reacciones catalizadas
Cuando un sustrato se encuentra con la enzima correspondiente se produce la reacción catalizada, la cual se lleva a cabo en tres etapas:
Unión del sustrato y formación del complejo ES
Primero, el sustrato se une a la apoenzima y forma el complejo enzima‑sustrato (ES). Esta unión se caracteriza por un alto grado de especificidad, de modo que para cada tipo de sustrato y de reacción se necesita una enzima concreta. La especificidad de una enzima se debe a la estructura proteica de la apoenzima, la cual presenta una zona denominada centro activo, con una forma espacial característica en la que se acopla el sustrato. En la actualidad se ha probado que en algunas enzimas el centro activo es capaz de modificar su forma para adaptarse al sustrato. La unión es reversible, ya que una parte del complejo ES se disocia; debido a esa reversibilidad, esta etapa suele ser la más lenta.
E + S ⇌ ES
La unión de los radicales R de los aminoácidos (aa) del centro activo al sustrato consigue debilitar sus enlaces, lo que provoca cambios energéticos que permiten alcanzar más fácilmente el estado de transición.
Transformación del sustrato en producto
Formando el complejo ES, la coenzima (o los grupos catalíticos apropiados) lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final (P). Esta etapa es muy rápida y, en muchos casos, irreversible.
ES → E + P
En el caso de no existir cofactores, la acción catalítica la realizan algunos aminoácidos del propio centro activo.
Liberación del producto y regeneración de la apoenzima
El producto se libera del centro activo y la apoenzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato. La coenzima puede liberarse intacta o liberarse quedando modificada.
Cinética enzimática
Si se representa gráficamente la velocidad (V) con la que aparece el producto de una determinada reacción enzimática en función de la concentración de sustrato inicial, se obtiene una curva característica para una cantidad constante de enzima. En esta gráfica se puede observar cómo, al aumentar la concentración de sustrato, también aumenta la V de la reacción, ya que mientras exista enzima libre, a mayor número de moléculas de sustrato, más moléculas de producto aparecerán.
Pero llega un momento en que, aunque la concentración de sustrato siga aumentando, la V no varía (se hace constante). Se alcanza una V máxima que no es posible superar. Esta situación corresponde a la inexistencia de moléculas de enzima libre, ya que todas están ocupadas por moléculas de sustrato formando complejos ES.
Factores que influyen en la velocidad de las reacciones enzimáticas
Concentración del sustrato
Al aumentar la concentración de sustrato existen más centros activos ocupados y la V de la reacción aumenta hasta que no quedan centros activos libres; a partir de ese momento, un aumento de la concentración del sustrato no supone un aumento de la V de la reacción.
pH
Cada enzima tiene un pH óptimo de actuación. Los valores por encima o por debajo de este valor óptimo provocan un descenso de la V enzimática, debido a cambios en la carga eléctrica de los radicales R de los aminoácidos que están en el centro activo. De este modo, pueden aparecer o desaparecer enlaces por fuerzas electrostáticas que alteran la estructura espacial del centro activo o su unión al sustrato. También pueden cambiar las cargas eléctricas en el sustrato. En cualquier caso, el acoplamiento del sustrato al centro activo se ve dificultado y la V de la reacción disminuye.
Por debajo de un pH mínimo y por encima de un pH máximo se produce la desnaturalización de la enzima y su actividad se anula por completo.
Temperatura
Como en el caso anterior, existe también una temperatura óptima (T óptima) en la que la actividad enzimática es máxima. Las temperaturas inferiores a este valor óptimo dan lugar a una disminución de la velocidad molecular que hace más lento el proceso, mientras que temperaturas superiores a la óptima pueden provocar la desnaturalización de la enzima y la pérdida total de su funcionalidad.
Mecanismos para aumentar la eficacia enzimática
Las rutas metabólicas se componen de una secuencia de reacciones encadenadas que constituyen las rutas metabólicas. Estas pueden ser largas, por lo que el tiempo necesario para llevarlas a cabo será elevado. Para que las reacciones se lleven a cabo de forma óptima existen diversos mecanismos que aumentan la eficacia de la acción enzimática:
Compartimentación celular
Las enzimas implicadas en algunos procesos metabólicos se localizan juntas en estructuras membranosas del citoplasma celular, donde se encuentran en mayor concentración que si estuvieran dispersas por el citoplasma.
Reacciones en cascada
Si el producto de una reacción enzimática actúa como enzima de otra reacción, cuyo producto, a su vez, es la enzima de una nueva reacción, y así sucesivamente, la eficacia de la actividad enzimática es mayor, ya que el número de moléculas obtenidas aumenta de forma considerable en cada paso. Estas reacciones se caracterizan porque suceden en un corto plazo de tiempo.
Complejos multienzimáticos
La agrupación de las enzimas que llevan a cabo reacciones consecutivas de una ruta metabólica en un complejo único permite realizar el proceso completo rápidamente, ya que nada más obtener un producto este puede actuar como sustrato de una reacción nueva al estar en contacto con la enzima correspondiente, lo cual favorece su acceso inmediato al centro activo de la enzima.
Existencia de isoenzimas
En ocasiones aparecen moléculas enzimáticas (isoenzimas) que, aun teniendo la misma acción catalítica, poseen Km diferentes, lo que hace que su velocidad sea distinta. Se localizan en aquellos orgánulos que precisan una determinada velocidad.