Metabolismo y Enzimas

Características Generales del Metabolismo

El metabolismo se define como el conjunto de reacciones químicas que ocurren en un organismo. Es un proceso de alta complejidad con las siguientes características:

• Las reacciones metabólicas se organizan en rutas metabólicas, que pueden ser de tipo convergente (varios sustratos iniciales dan lugar a un producto común) o divergente (un sustrato inicial da lugar a varios productos finales).
• Las rutas metabólicas más importantes son comunes en casi todos los seres vivos, lo que constituye una prueba de la evolución.
• Las reacciones metabólicas se clasifican en dos grandes tipos: catabólicas (reacciones de degradación para obtener energía) y anabólicas (reacciones de síntesis que consumen energía).
• Todas las reacciones químicas del metabolismo están catalizadas por enzimas, y generalmente, existe una enzima específica para cada reacción.

Las Enzimas: Catalizadores Biológicos

Las enzimas son proteínas que actúan como biocatalizadores, es decir, aumentan la velocidad a la que ocurre una reacción química sin consumirse en el proceso.

Tipos de Enzimas

Según su composición, las enzimas se pueden clasificar en:

• Enzimas simples (proteínas simples): Formadas únicamente por cadenas polipeptídicas (aminoácidos). La propia estructura peptídica realiza la catálisis.
• Holoenzimas (proteínas conjugadas): Presentan una parte proteica y una no proteica.
  • Apoenzima: Es la parte proteica, formada solo por aminoácidos. Se encarga de unirse al sustrato y determinar la especificidad de la enzima.
  • Cofactor: Es la parte no proteica, esencial para la actividad catalítica. Puede ser:
    • Grupo prostético: Si el cofactor permanece siempre unido fuertemente (enlace covalente) a la apoenzima.
    • Coenzima: Si no permanece siempre unido a la apoenzima. Suelen ser moléculas orgánicas como vitaminas o derivados de nucleótidos. También se incluyen aquí los iones metálicos (cationes).

Propiedades de las Enzimas

• Desnaturalización: Las enzimas pueden perder su estructura terciaria y, con ello, su funcionalidad. Los principales factores que causan la desnaturalización son cambios drásticos en la temperatura (la temperatura óptima en humanos es de alrededor de 37°C) y en el pH (la mayoría funciona a un pH neutro).
• Alto grado de especificidad: Son altamente específicas, tanto a nivel del sustrato al que se unen como de la reacción que catalizan.
• No se consumen en la reacción: Una misma molécula de enzima puede catalizar la misma reacción miles de veces, ya que no se gasta en el proceso.

Clasificación de las Enzimas

Se clasifican según la reacción que catalizan:

• Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de oxidación-reducción, con transferencia de electrones (e-).
• Transferasas: Transfieren grupos funcionales entre moléculas.
• Hidrolasas: Rompen enlaces mediante la adición de una molécula de agua (hidrólisis).
• Liasas: Rompen enlaces sin hidrólisis o catalizan la adición de moléculas sencillas a dobles enlaces.
• Isomerasas: Catalizan la conversión de una molécula en su isómero.
• Ligasas o sintetasas: Catalizan la unión de moléculas o de un grupo funcional a una molécula, utilizando la energía proporcionada por la hidrólisis del ATP.

Mecanismo de Actuación Enzimática

Las enzimas actúan disminuyendo la energía de activación, que es la energía mínima necesaria para que los reactivos alcancen el estado de transición y la reacción ocurra. Lo consiguen acercando y orientando correctamente las moléculas de los reactivos en su centro activo.

Etapas de una Reacción Catalizada

1. Formación del complejo enzima-sustrato (ES): La enzima (E) se une a su sustrato (S) en una reacción reversible (E + S ↔ ES). La unión ocurre en el centro activo de la enzima. Esta unión se explica con dos modelos:
   • Modelo de llave-cerradura: El centro activo de la apoenzima y la parte del sustrato que participa en la unión son perfectamente complementarios.
   • Modelo de ajuste inducido: El centro activo de la apoenzima tiene la capacidad de cambiar su forma para adaptarse a la del sustrato, optimizando la unión.
2. Catálisis: El complejo enzima-sustrato (ES) se transforma en el complejo enzima-producto (EP) en una reacción generalmente irreversible (ES → EP). En esta fase, el cofactor (si lo hay) lleva a cabo la reacción química, obteniéndose el producto final.
3. Liberación del producto: Se libera el producto (P) y la enzima (E) queda libre e intacta, disponible para catalizar otra reacción.

La reacción final se resume como: E + S ↔ ES → E + P

Cinética Enzimática

La cinética enzimática estudia la velocidad (v) de formación del producto a partir del sustrato. A medida que aumenta la concentración de sustrato [S], la velocidad de la reacción aumenta hasta alcanzar una velocidad máxima (Vmax). Este punto se alcanza cuando todos los centros activos de las enzimas están ocupados por el sustrato (saturación de la enzima).

La velocidad de una reacción se estudia con la ley de acción de masas, que establece que la velocidad es proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos. Para la reacción E + S ↔ ES, existen dos velocidades:

• v₁ = k₁[E][S] (formación del complejo)
• v₂ = k₂[ES] (disociación del complejo)

La relación entre la velocidad de reacción, la Vmax y la concentración de sustrato se describe mediante la ecuación de Michaelis-Menten.

Eficacia y Regulación Enzimática

La eficacia enzimática mide la velocidad de las reacciones catalizadas.

Factores que Afectan la Velocidad de Reacción

• Concentración de sustrato [S]: Al aumentar [S], aumenta la velocidad hasta alcanzar la Vmax.
• pH y Temperatura: Cada enzima tiene un pH y una temperatura óptimos en los que su eficacia es máxima. Desviaciones de estos valores óptimos disminuyen la actividad y pueden causar desnaturalización.

Mecanismos que Aumentan la Eficacia Enzimática

• Compartimentación celular: Las enzimas correspondientes a una ruta metabólica se encuentran concentradas en el orgánulo donde esta ocurre, aumentando la eficiencia.
• Reacciones en cascada: El producto de una reacción enzimática actúa como activador o enzima para la siguiente reacción.
• Complejos multienzimáticos: Agrupaciones de diferentes enzimas que catalizan pasos secuenciales de una ruta metabólica, mejorando su función.
• Isozimas: Son enzimas que catalizan la misma reacción pero tienen una estructura ligeramente diferente y, por lo tanto, un valor de Km (constante de Michaelis) distinto. La célula puede expresar una u otra en función de sus necesidades metabólicas.

Regulación de la Actividad Enzimática

La actividad de las enzimas varía según las necesidades celulares. Las principales formas de regulación son:

• Activación enzimática: Se lleva a cabo mediante activadores (cationes o moléculas orgánicas). Su función es provocar un cambio conformacional en el centro activo que permite que este se acople eficientemente al sustrato.
• Inhibición enzimática: Se realiza mediante inhibidores (cationes o moléculas orgánicas). Este mecanismo es fundamental en la regulación por retroalimentación (feed-back), donde el producto final de una ruta inhibe a una de las primeras enzimas. Hay dos tipos principales de inhibidores:
  • Irreversibles: El inhibidor se une de forma permanente (covalente) a la enzima y la anula.
  • Reversibles: El inhibidor se une y se desune de la enzima. Existen dos subtipos principales:
    • Inhibición competitiva: El inhibidor compite con el sustrato por el centro activo.
    • Inhibición no competitiva: El inhibidor se une a un sitio diferente del centro activo (sitio alostérico), cambiando la forma de la enzima e impidiendo su función.