Enzima

Estructura de latriosafosfato isomerasa. Conformacin en forma dediagrama de cintasrodeado por el modelo de relleno de espacio de la protena. Estaprotenaes una eficiente enzima involucrada en el proceso de transformacin deazcaresenenergaen las clulas.Lasenzimas1sonmolculasde naturalezaproteicaquecatalizanreacciones qumicas, siempre que seantermodinmicamenteposibles: una enzima hace que una reaccin qumica que es energticamente posible (verEnerga libre de Gibbs), pero que transcurre a una velocidad muy baja, sea cinticamente favorable, es decir, transcurra a mayor velocidad que sin la presencia de la enzima.23En estas reacciones, las enzimas actan sobre unasmolculasdenominadassustratos, las cuales se convierten en molculas diferentes denominadas productos. Casi todos los procesos en lasclulasnecesitan enzimas para que ocurran a unas tasas significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denominareaccionesenzimticas.Debido a que las enzimas son extremadamente selectivas con sus sustratos y su velocidad crece slo con algunas reacciones, el conjunto (set) de enzimas sintetizadas en una clula determina el tipo demetabolismoque tendr cada clula. A su vez, esta sntesis depende de la regulacin de la expresingnica.Como todos loscatalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo laenerga de activacin(G) de una reaccin, de forma que se acelera sustancialmente latasa de reaccin. Las enzimas no alteran el balance energtico de las reacciones en que intervienen, ni modifican, por lo tanto, el equilibrio de la reaccin, pero consiguen acelerar el proceso incluso millones de veces. Una reaccin que se produce bajo el control de una enzima, o de un catalizador en general, alcanza el equilibrio mucho ms deprisa que la correspondiente reaccin no catalizada.Al igual que ocurre con otros catalizadores, las enzimas no son consumidas por las reacciones que catalizan, ni alteran su equilibrio qumico. Sin embargo, las enzimas difieren de otros catalizadores por ser ms especficas. Las enzimas catalizan alrededor de 4.000 reacciones bioqumicas distintas.4No todos los catalizadores bioqumicos son protenas, pues algunas molculas deARNson capaces de catalizar reacciones (como la subunidad 16S de losribosomasen la que reside la actividadpeptidil transferasa).56Tambin cabe nombrar unas molculas sintticas denominadasenzimas artificialescapaces de catalizar reacciones qumicas como las enzimas clsicas.7La actividad de las enzimas puede ser afectada por otras molculas. Losinhibidores enzimticosson molculas que disminuyen o impiden la actividad de las enzimas, mientras que los activadores son molculas que incrementan dicha actividad. Asimismo, gran cantidad de enzimas requieren decofactorespara su actividad. Muchasdrogaso frmacos son molculas inhibidoras. Igualmente, la actividad es afectada por latemperatura, elpH, laconcentracin de la propia enzimay del sustrato, y otros factores fsico-qumicos.Algunas enzimas son usadas comercialmente, por ejemplo, en la sntesis deantibiticosy productos domsticos de limpieza. Adems, son ampliamente utilizadas en diversos procesos industriales, como son la fabricacin dealimentos, destincin dejeanso produccin debiocombustibles.ndice[ocultar] 1Etimologa e historia 2Estructuras y mecanismos 2.1Especificidad 2.1.1Modelo de la "llave-cerradura" 2.1.2Modelo del encaje inducido 2.2Mecanismos 2.2.1Estabilizacin del estado de transicin 2.2.2Dinmica y funcin 2.3Modulacin alostrica 3Cofactores y coenzimas 3.1Cofactores 3.2Coenzimas 4Termodinmica 5Cintica 6Inhibicin 7Funcin biolgica 8Control de la actividad 9Implicaciones en enfermedades 10Clasificacin y nomenclatura de enzimas 11Aplicaciones industriales 12Vase tambin 13Referencias 14Lecturas complementarias 15Enlaces externos

[editar]Etimologa e historia

Eduard Buchner.Desde finales delsiglo XVIIIy principios delsiglo XIX, se conoca ladigestinde lacarnepor las secreciones delestmago8y la conversin delalmidnenazcarpor los extractos de plantas y lasaliva. Sin embargo, no haba sido identificado el mecanismo subyacente.9En elsiglo XIX, cuando se estaba estudiando lafermentacindelazcaren elalcoholconlevaduras,Louis Pasteurlleg a la conclusin de que esta fermentacin era catalizada por una fuerza vital contenida en lasclulasde la levadura, llamadasfermentos, e inicialmente se pens que solo funcionaban con organismos vivos. Escribi que"la fermentacin del alcohol es un acto relacionado con la vida y la organizacin de las clulas de las levaduras, y no con la muerte y laputrefaccinde las clulas".10Por el contrario, otros cientficos de la poca comoJustus von Liebig, se mantuvieron en la posicin que defenda el carcter puramente qumico de la reaccin de fermentacin.En1878el fisilogoWilhelm Khne(18371900) acu el trminoenzima, que viene delgriego"en levadura", para describir este proceso. La palabra enzima fue usada despus para referirse a sustancias inertes como lapepsina. Por otro lado, la palabra "fermento" sola referirse a la actividad qumica producida por organismos vivientes.En1897Eduard Buchnercomenz a estudiar la capacidad de los extractos de levadura para fermentar azcar a pesar de la ausencia de clulas vivientes de levadura. En una serie de experimentos en laUniversidad Humboldt de Berln, encontr que el azcar era fermentado inclusive cuando no haba elementos vivos en los cultivos de clulas de levaduras.11Llam a la enzima que causa la fermentacin de lasacarosa, zimasa.12En1907recibi elPremio Nobel de Qumica"por sus investigaciones bioqumicas y el haber descubierto la fermentacin libre de clulas". Siguiendo el ejemplo de Buchner, las enzimas son usualmente nombradas de acuerdo a la reaccin que producen. Normalmente, el sufijo "-asa" es agregado al nombre del sustrato (p. ej., lalactasaes la enzima que degradalactosa) o al tipo de reaccin (p. ej., laADN polimerasaforma polmeros deADN).Tras haber mostrado que las enzimas pueden funcionar fuera de una clula viva, el prximo paso era determinar su naturaleza bioqumica. En muchos de los trabajos iniciales se not que la actividad enzimtica estaba asociada conprotenas, pero algunos cientficos (como el premio NobelRichard Willsttter) argumentaban que las protenas eran simplemente el transporte para las verdaderas enzimas y que las protenasper seno eran capaces de realizarcatlisis. Sin embargo, en1926,James B. Sumnerdemostr que la enzimaureasaera una protena pura y la cristaliz. Summer hizo lo mismo con la enzimacatalasaen1937. La conclusin de que las protenas puras podan ser enzimas fue definitivamente probada porJohn Howard NorthropyWendell Meredith Stanley, quienes trabajaron con diversas enzimas digestivas como lapepsina(1930), latripsinay laquimotripsina. Estos tres cientficos recibieron el Premio Nobel de Qumica en1946.13El descubrimiento de que las enzimas podan ser cristalizadas permita que sus estructuras fuesen resueltas mediante tcnicas decristalografaydifraccin de rayos X. Esto se llev a cabo en primer lugar con lalisozima, una enzima encontrada en laslgrimas, lasalivay loshuevos, capaces de digerir la pared de algunasbacterias. La estructura fue resuelta por un grupo liderado porDavid Chilton Phillipsy publicada en 1965.14Esta estructura de alta resolucin de laslisozimas, marc el comienzo en el campo de labiologa estructuraly el esfuerzo por entender cmo las enzimas trabajan en el orden molecular.[editar]Estructuras y mecanismos

Diagrama de cintas que representa la estructura de unaanhidrasa carbnicade tipo II. La esfera gris representa alcofactorzincsituado en el centro activo.Las enzimas son generalmente protenas globulares que pueden presentar tamaos muy variables, desde 62aminocidoscomo en el caso delmonmerode la4-oxalocrotonato tautomerasa,15hasta los 2.500 presentes en lasintasa de cidos grasos.16Las actividades de las enzimas vienen determinadas por su estructura tridimensional, la cual viene a su vez determinada por la secuencia de aminocidos.17Sin embargo, aunque la estructura determina la funcin, predecir una nueva actividad enzimtica basndose nicamente en la estructura de una protena es muy difcil, y un problema an no resuelto.18Casi todas las enzimas son mucho ms grandes que los sustratos sobre los que actan, y solo una pequea parte de la enzima (alrededor de 3 a 4aminocidos) est directamente involucrada en la catlisis.19La regin que contiene estos residuos encargados de catalizar la reaccin es denominadacentro activo. Las enzimas tambin pueden contener sitios con la capacidad de unircofactores, necesarios a veces en el proceso decatlisis, o de unir pequeas molculas, como los sustratos o productos (directos o indirectos) de la reaccin catalizada. Estas uniones de la enzima con sus propios sustratos o productos pueden incrementar o disminuir la actividad enzimtica, dando lugar as a una regulacin porretroalimentacinpositiva o negativa, segn el caso.Al igual que las dems protenas, las enzimas se componen de una cadena lineal deaminocidosque sepliegandurante el proceso detraduccinpara dar lugar a unaestructura terciariatridimensional de la enzima, susceptible de presentar actividad. Cada secuencia de aminocidos es nica y por tanto da lugar a una estructura nica, con propiedades nicas. En ocasiones, protenas individuales pueden unirse a otras protenas para formar complejos, en lo que se denominaestructura cuaternariade las protenas.La mayora de las enzimas, al igual que el resto de las protenas, pueden ser desnaturalizadas si se ven sometidas a agentesdesnaturalizantescomo elcalor, lospHsextremos o ciertos compuestos como elSDS. Estos agentes destruyen la estructura terciaria de las protenas de forma reversible o irreversible, dependiendo de la enzima y de la condicin.[editar]EspecificidadLas enzimas suelen ser muy especficas tanto del tipo de reaccin que catalizan como delsustratoinvolucrado en la reaccin. La forma, la carga y las caractersticashidroflicas/hidrofbicasde las enzimas y los sustratos son los responsables de dicha especificidad. Las enzimas tambin pueden mostrar un elevado grado deestereoespecificidad,regioselectividadyquimioselectividad.20Algunas de estas enzimas que muestran una elevada especificidad y precisin en su actividad son aquellas involucrados en lareplicacinyexpresindelgenoma. Estas enzimas tienen eficientes sistemas de comprobacin y correccin de errores, como en el caso de laADN polimerasa, que cataliza una reaccin de replicacin en un primer paso, para comprobar posteriormente si el producto obtenido es el correcto.21Este proceso, que tiene lugar en dos pasos, da como resultado una media de tasa de error increblemente baja, en torno a 1 error cada 100 millones de reacciones en determinadas polimerasas demamferos.22Este tipo de mecanismos de comprobacin tambin han sido observados en laARN polimerasa,23en la ARNt aminoacil sintetasa24y en la actividad de seleccin de los aminoacil-tRNAs.25Aquellas enzimas que producenmetabolitos secundariosson denominadas promiscuas, ya que pueden actuar sobre una gran variedad de sustratos. Por ello, se ha sugerido que esta amplia especificidad de sustrato podra ser clave en la evolucin y diseo de nuevas rutas biosintticas.26[editar]Modelo de la "llave-cerradura"Las enzimas son muy especficas, como sugiriEmil Fischeren1894. Con base a sus resultados dedujo que ambas molculas, enzima y sustrato, poseen complementariedad geomtrica, es decir, sus estructuras encajan exactamente una en la otra,27por lo que ha sido denominado como modelo de la "llave-cerradura", refirindose a la enzima como a una especie de cerradura y al sustrato como a una llave que encaja de forma perfecta en dicha cerradura. Sin embargo, si bien este modelo explica la especificidad de las enzimas, falla al intentar explicar la estabilizacin delestado de transicinque logran adquirir las enzimas.[editar]Modelo del encaje inducido

Diagrama que esquematiza el modo de accin del modelo del encaje inducido.En 1958Daniel Koshlandsugiere una modificacin al modelo de la llave-cerradura: las enzimas son estructuras bastante flexibles y as el sitio activo podra cambiar su conformacin estructural por la interaccin con el sustrato.28Como resultado de ello, lacadena aminoacdicaque compone el sitio activo es moldeada en posiciones precisas, lo que permite a la enzima llevar a cabo su funcin cataltica. En algunos casos, como en lasglicosidasas, el sustrato cambia ligeramente de forma para entrar en el sitio activo.29El sitio activo continua dicho cambio hasta que el sustrato est completamente unido, momento en el cual queda determinada la forma y la carga final.30[editar]MecanismosLas enzimas pueden actuar de diversas formas, aunque, como se ver a continuacin, siempre dando lugar a una disminucin del valor de G:31 Reduccin de laenerga de activacinmediante la creacin de un ambiente en el cual el estado de transicin es estabilizado (por ejemplo, forzando la forma de un sustrato: la enzima produce un cambio de conformacin del sustrato unido el cual pasa a un estado de transicin, de modo que ve reducida la cantidad de energa que precisa para completar la transicin). Reduciendo la energa del estado de transicin, sin afectar la forma del sustrato, mediante la creacin de un ambiente con una distribucin de carga ptima para que se genere dicho estado de transicin. Proporcionando una ruta alternativa. Por ejemplo, reaccionando temporalmente con el sustrato para formar un complejo intermedio enzima/sustrato (ES), que no sera factible en ausencia de enzima. Reduciendo la variacin de entropa necesaria para alcanzar el estado de transicin (energa de activacin) de la reaccin mediante la accin de orientar correctamente los sustratos, favoreciendo as que se produzca dicha reaccin. Incrementando la velocidad de la enzima mediante un aumento de temperatura. El incremento de temperatura facilita la accin de la enzima y permite que se incremente su velocidad de reaccin. Sin embargo, si la temperatura se eleva demasiado, la conformacin estructural de la enzima puede verse afectada, reduciendo as su velocidad de reaccin, y slo recuperando su actividad ptima cuando la temperatura se reduce. No obstante, algunas enzimas son termolbiles y trabajan mejor a bajas temperaturas.Cabe destacar que este efecto entrpico implica la desestabilizacin del estado basal,32y su contribucin a la catlisis es relativamente pequea.33[editar]Estabilizacin del estado de transicinLa comprensin del origen de la reduccin del valor de Gen una reaccin enzimtica requiere elucidar previamente cmo las enzimas pueden estabilizar su estado de transicin, ms que el estado de transicin de la reaccin. Aparentemente, la forma ms efectiva para alcanzar la estabilizacin es la utilizacin de fuerzaselectrostticas, concretamente, poseyendo un ambiente polar relativamente fijado que pueda orientarse hacia la distribucin de carga del estado de transicin. Ese tipo de ambientes no existen ni se generan en ausencia de enzimas.34[editar]Dinmica y funcinLa dinmica interna de las enzimas est relacionada con sus mecanismos de catlisis.353637La dinmica interna se define como el movimiento de diferentes partes de la estructura de la enzima, desde residuos individuales deaminocidos, hasta grupos de aminocidos o incluso undominio proteicoentero. Estos movimientos se producen a diferentes escalas de tiempo que van desdefemtosegundoshastasegundos. Casi cualquier residuo de la estructura de la enzima puede contribuir en el proceso de catlisis por medio de movimientos dinmicos.38394041Los movimientos de las protenas son vitales en muchas enzimas. Dichos movimientos podrn ser ms o menos importantes segn si los cambios conformacionales se producen por vibraciones pequeas y rpidas o grandes y lentas, y dicha importancia depender del tipo de reaccin que lleve a cabo la enzima. Sin embargo, aunque estos movimientos son importantes en el proceso de unin y liberacin de sustratos y productos, an no est claro si estos movimientos ayudan a acelerar los pasos qumicos de las reacciones enzimticas.42Estos nuevos avances tambin tienen implicaciones en la comprensin de los efectos alostricos y en el desarrollo de nuevosfrmacos.[editar]Modulacin alostrica

Transicin alostrica de una enzima entre los estados R y T, estabilizada por unagonista, un inhibidor y un sustrato.Los sitiosalostricosson zonas de la enzima con capacidad de reconocer y unir determinadas molculas en la clula. Las uniones a las que dan lugar son dbiles y nocovalentes, y generan un cambio en la conformacin estructural de la enzima que repercute en el sitio activo, afectando as a la velocidad de reaccin.43Lasinteracciones alostricaspueden tanto inhibir como activar enzimas, y son una forma muy comn de controlar las enzimas en las clulas.44[editar]Cofactores y coenzimas[editar]CofactoresAlgunas enzimas no precisan ningn componente adicional para mostrar una total actividad. Sin embargo, otras enzimas requieren la unin de molculas no proteicas denominadascofactorespara poder ejercer su actividad.45Los cofactores pueden ser compuestos inorgnicos, como los iones metlicos y los complejos ferrosulfurosos, o compuestos orgnicos, como laflavinao el grupohemo. Los cofactores orgnicos pueden ser a su vezgrupos prostticos, que se unen fuertemente a la enzima, ocoenzimas, que son liberados del sitio activo de la enzima durante la reaccin. Las coenzimas incluyen compuestos como elNADH, elNADPHy eladenosn trifosfato. Estas molculas transfieren grupos funcionales entre enzimas.46Un ejemplo de una enzima que contiene un cofactor es laanhidrasa carbnica, en la cual elzinc(cofactor) se mantiene unido al sitio activo, tal y como se muestra en la figura anterior (situada al inicio de la seccin "Estructuras y mecanismos").47Estas molculas suelen encontrarse unidas al sitio activo y estn implicadas en la catlisis. Por ejemplo, la flavina y el grupo hemo suelen estar implicados en reaccionesredox.Las enzimas que requieren un cofactor pero no lo tienen unido son denominadasapoenzimasoapoprotenas. Una apoenzima junto con cofactor(es) es denominadaholoenzima(que es la forma activa). La mayora de los cofactores no se unen covalentemente a sus enzimas, pero s lo hacen fuertemente. Sin embargo, los grupos prostticos pueden estar covalentemente unidos, como en el caso de latiamina pirofosfatoen la enzimapiruvato deshidrogenasa. El trmino "holoenzima" tambin puede ser aplicado a aquellas enzimas que contienen mltiples subunidades, como en el caso de laADN polimerasa, donde la holoenzima es el complejo con todas las subunidades necesarias para llevar a cabo la actividad enzimtica.[editar]Coenzimas

Modelo tridimensional de esferas de la coenzima NADH.Las coenzimas son pequeas molculas orgnicas que transportan grupos qumicos de una enzima a otra.48Algunos de estos compuestos, como lariboflavina, latiaminay elcido flicosonvitaminas(las cuales no pueden ser sintetizados en cantidad suficiente por el cuerpo humano y deben ser incorporados en la dieta). Los grupos qumicos intercambiados incluyen el ionhidruro(H-) transportado porNAD o NADP+, el grupofosfatotransportado por elATP, el grupoacetilotransportado por lacoenzima A, los grupos formil, metenil o metil transportados por elcido flicoy el grupo metil transportado por laS-Adenosil metionina.Debido a que las coenzimas sufren una modificacin qumica como consecuencia de la actividad enzimtica, es til considerar a las coenzimas como una clase especial de sustratos, o como segundos sustratos, que son comunes a muchas enzimas diferentes. Por ejemplo, se conocen alrededor de 700 enzimas que utilizan la coenzima NADH.49Las coenzimas suelen estar continuamente regenerndose y sus concentraciones suelen mantenerse a unos niveles fijos en el interior de la clula: por ejemplo, el NADPH es regenerado a travs de laruta de las pentosas fosfatoy laS-Adenosil metionina por medio de lametionina adenosiltransferasa. Esta regeneracin continua significa que incluso pequeas cantidades de coenzimas son utilizadas intensivamente. Por ejemplo, el cuerpo humano gasta su propio peso en ATP cada da.50[editar]Termodinmica

Grfica de las energas de las diferentes fases de unareaccin qumica. Los sustratos precisan mucha energa para alcanzar elestado de transicin, pero una vez alcanzado, se transforman en productos. La enzima estabiliza el estado de transicin, reduciendo la energa necesaria para formar los productos.Al igual que sucede con todos loscatalizadores, las enzimas no alteran el equilibrio qumico de la reaccin. Generalmente, en presencia de una enzima, la reaccin avanza en la misma direccin en la que lo hara en ausencia de enzima, slo que ms rpido. Sin embargo, en ausencia de enzima, podra producirse una reaccin espontnea que generase un producto diferente debido a que en esas condiciones, dicho producto diferente se forma ms rpidamente.Adems, las enzimas pueden acoplar dos o ms reacciones, por lo que una reaccin termodinmicamente favorable puede ser utilizada para favorecer otra reaccin termodinmicamente desfavorable. Por ejemplo, lahidrlisisdeATPsuele ser utilizada para favorecer otras reacciones qumicas.51Las enzimas catalizan reacciones qumicas tanto en un sentido como en el contrario. Nunca alteran el equilibrio, sino nicamente la velocidad a la que es alcanzado. Por ejemplo, laanhidrasa carbnicacataliza su reaccin en una u otra direccin dependiendo de la concentracin de los reactantes, como se puede ver a continuacin:(entejidos; alta concentracin de CO2)(enpulmones; baja concentracin de CO2)Si el equilibrio se ve muy desplazado en un sentido de la reaccin, es decir, se convierte en una reaccin muyexergnica, la reaccin se hace efectivamente irreversible. Bajo estas condiciones, la enzima nicamente catalizar la reaccin en la direccin permitida desde un punto de vista termodinmico.[editar]CinticaArtculo principal:Cintica enzimtica.

Mecanismo para una reaccin catalizada por una enzima con un nico sustrato. La enzima (E) une un sustrato (S) y genera un producto (P).Lacintica enzimticaes el estudio de cmo las enzimas se unen a sus sustratos y los transforman en productos. Los datos de equilibrios utilizados en los estudios cinticos son obtenidos medianteensayos enzimticos.En1902,Victor Henri52propuso una teora cuantitativa sobre la cintica enzimtica, pero sus datos experimentales no fueron muy tiles debido a que la importancia de la concentracin del ion dehidrgenoan no era considerada. Despus de quePeter Lauritz Srensendefiniera la escala logartmica delpHe introdujera el concepto de "tampn" (buffer) en1909,53el qumico alemnLeonor Michaelisy su postdoctoral canadienseMaud Leonora Mentenrepitieron los experimentos de Henri confirmando su ecuacin, que actualmente es conocida como cintica de Henri-Michaelis-Menten (o simplementecintica de Michaelis-Menten).54Su trabajo fue desarrollado ms en profundidad porGeorge Edward BriggsyJ. B. S. Haldane, quienes obtuvieron las ecuaciones cinticas que se encuentran tan ampliamente extendidas en la actualidad.55La mayor contribucin de Henri fue la idea de dividir las reacciones enzimticas en dos etapas. En la primera, el sustrato se une reversiblemente a la enzima, formando el complejo enzima-sustrato (tambin denominado complejo Michaelis). En la segunda, la enzima cataliza la reaccin y libera el producto.

Curva de saturacin de una reaccin enzimtica donde se muestra la relacin entre la concentracin de sustrato y la velocidad de la reaccin.Las enzimas pueden catalizar hasta varios millones de reacciones por segundo. Por ejemplo, la descarboxilacin no enzimtica de laorotidina 5'-monofosfatotiene una vida media de 78 millones de aos. Sin embargo, cuando la enzimaorotidina 5'-fosfato descarboxilasaest presente en el medio, ese mismo proceso tarda apenas 25 milisegundos.56Las velocidades de las enzimas dependen de las condiciones de la solucin y de la concentracin de sustrato. Aquellas condiciones que desnaturalizan una protena, como temperaturas elevadas, pHs extremos o altas concentraciones de sal, dificultan o impiden la actividad enzimtica, mientras que elevadas concentraciones de sustrato tienden a incrementar la actividad. Para encontrar la mxima velocidad de una reaccin enzimtica, la concentracin de sustrato se incrementa hasta que se obtiene una tasa constante de formacin de producto (vase la curva de saturacin representada en la figura de la derecha). La saturacin ocurre porque, cuando la concentracin de sustrato aumenta, disminuye la concentracin de enzima libre, que se convierte en la forma con sustrato unido (ES). A la mxima velocidad (Vmax) de la enzima, todos los sitios activos de dicha enzima tienen sustrato unido, y la cantidad de complejos ES es igual a la cantidad total de enzima. Sin embargo,Vmaxes slo una de las constantes cinticas de la enzima. La cantidad de sustrato necesario para obtener una determinada velocidad de reaccin tambin es importante. Este parmetro viene dado por laconstante de Michaelis-Menten(Km), que viene a ser la concentracin de sustrato necesaria para que una enzima alcance la mitad de su velocidad mxima. Cada enzima tiene un valor deKmcaracterstico para un determinado sustrato, el cual puede decirnos cmo de afn es la unin entre el sustrato y la enzima. Otra constante til eskcat, que es el nmero de molculas de sustrato procesadas por cada sitio activo por segundo.La eficiencia de una enzima puede ser expresada en trminos dekcat/Km, en lo que se denomina constante de especificidad, que incorpora laconstante de velocidadde todas las fases de la reaccin. Debido a que la constante de especificidad contempla tanto la afinidad como la capacidad cataltica, es un parmetro muy til para comparar diferentes enzimas o la misma enzima con diferentes sustratos. El valor mximo terico de la constante de especificidad es denominado lmite de difusin tiene un valor de 108-109(M-1s-1). Llegados a este punto, cada colisin de la enzima con su sustrato da lugar a la catlisis, con lo que la velocidad de formacin de producto no se ve limitada por la velocidad de reaccin, sino por la velocidad de difusin. Las enzimas que poseen esta propiedad son llamadasenzimas catalticamente perfectasocinticamente perfectas. Ejemplos de este tipo de enzimas son latriosa fosfato isomerasa, laanhidrasa carbnica, laacetilcolinesterasa, lacatalasa, lafumarasa, labeta-lactamasay lasuperxido dismutasa.La cintica de Michaelis-Menten depende de laley de accin de masas, que se deriva partiendo de los supuestos dedifusinlibre y colisin al azar. Sin embargo, muchos procesos bioqumicos o celulares se desvan significativamente de estas condiciones, a causa de fenmenos como elcrowding macromolecular, la separacin de etapas entre enzima-sustrato-producto, o los movimientos moleculares uni- o bidimensionales.57No obstante, en estas situaciones se puede aplicar una cintica de Michaelis-Mentenfractal.58596061Algunas enzimas presentan una cintica ms rpida que la velocidad de difusin, lo que en principio parecera ser imposible. Se han propuesto diversos mecanismos para tratar de explicar este fenmeno. Uno de los modelos propone que algunas protenas podran tener la capacidad de acelerar la catlisis secuestrando el sustrato y orientndolo mediante campos elctricos dipolares. Otro modelo propone un mecanismo deefecto tnelcuntico, donde un protn o un electrn pueden formar un tnel a travs de barreras de activacin, aunque existe cierta controversia en cuanto al efecto tnel que pueda generar un protn.6263El efecto tnel mediado por protones ha sido observado entriptamina.64Esto sugiere que la catlisis enzimtica podra ser definida ms exactamente como una "barrera", en lugar de como hace el modelo tradicional, donde el sustrato requiere a la enzima para alcanzar una barrera energtica ms baja.[editar]InhibicinArtculo principal:Inhibidor enzimtico.

Los inhibidores competitivos se unen reversiblemente al enzima, evitando la unin del sustrato. Por otro lado, la unin del sustrato evita la unin del inhibidor. As pues, sustrato e inhibidor compiten por la enzima.

Tipos de inhibicin segn la clasificacin introducida porW. W. Cleland.65Los inhibidores son molculas que regulan la actividad enzimtica, inhibiendo su actividad. A grandes rasgos, pueden clasificarse enreversibleseirreversibles. Las irreversibles se unen covalentemente a la enzima sin posibilidad de revertir la modificacin, siendo tiles enfarmacologa. Algunos de los frmacos que actan de este modo son laeflornitina, utilizada para tratar latripanosomiasis africana,66lapenicilinay laaspirina.Las reversibles se unen de forma reversible a la enzima, pudiendo clasificarse a su vez, segn la forma en que intervienen en la reaccin, encompetitivas,acompetitivasymixtas. Habitualmente, por su amplia presencia en multitud de procesos, se habla tambin deinhibicin no competitiva, que en realidad no es ms que una variante de la ya mencionada inhibicin mixta. Sin embargo, por sus caractersticas se suele presentar como opuesta a la competitiva, con la que es comparada frecuentemente. En lainhibicin competitiva, el sustrato y el inhibidor no se pueden unir a la misma enzima al mismo tiempo, como se muestra en la figura de la derecha.67Esto generalmente ocurre cuando el inhibidor tiene afinidad por elsitio activode una enzima en el cual tambin se une el sustrato; el sustrato y el inhibidorcompitenpara el acceso al sitio activo de la enzima. Por ejemplo, elmetotrexatoes un inhibidor competitivo de la enzimadihidrofolato reductasa, que cataliza la reduccin de dihidrofolato a tetrahidrofolato. La similitud entre las estructuras delcido flicoy el metotrexato permite que se establezca una inhibicin de tipo competitivo. Este tipo de inhibicin se puede superar con concentraciones suficientemente altas del sustrato, es decir, dejando fuera de competicin al inhibidor. En la inhibicin competitiva la velocidad mxima de la reaccin no vara, pero se necesitan concentraciones ms elevadas de sustrato para alcanzar una determinada velocidad, incrementndose as la Kmaparente. En lainhibicin acompetitivael inhibidor no puede unirse a la enzima libre, sino nicamente al complejo enzima-sustrato (ES). Una vez formado el complejo con el inhibidor (EIS) la enzima queda inactiva. Este tipo de inhibicin es poco comn, pero puede darse en enzimas multimticas. Lainhibicin no competitivaes una forma de inhibicin mixta donde la unin del inhibidor con la enzima reduce suactividadpero no afecta la unin con el sustrato. Como resultado, el grado de inhibicin depende solamente de la concentracin de inhibidor, independientemente de la concentracin de sustrato, con lo que vara el valor de la Vmaxaparente. Sin embargo, como el sustrato an puede unirse a la enzima, el valor de Kmno vara. En lainhibicin mixta, el inhibidor se puede unir a la enzima al mismo tiempo que el sustrato. Sin embargo, la unin del inhibidor afecta la unin del sustrato, y viceversa. Este tipo de inhibicin se puede reducir, pero no superar al aumentar las concentraciones del sustrato. Aunque es posible que los inhibidores de tipo mixto se unan en el sitio activo, este tipo de inhibicin resulta generalmente de unefecto alostricodonde el inhibidor se une a otro sitio que no es el sitio activo de la enzima. La unin del inhibidor con el sitio alostrico cambia la conformacin (es decir, laestructura terciaria) de la enzima de modo que la afinidad del sustrato por el sitio activo se reduce.

La coenzimacido flico(izquierda) y el frmaco anti-cancergenometotrexato(derecha) son muy similares en estructura. Como resultado, el metotrexato es un inhibidor competitivo de muchas enzimas que utilizan folato.En muchos organismos, los inhibidores pueden actuar como parte de un mecanismo de realimentacin. Si una enzima produce una sustancia en demasiada cantidad en el organismo, esta misma sustancia podra actuar como un inhibidor de la enzima al inicio de la ruta que lo produce, deteniendo as dicha produccin cuando haya una cantidad suficiente de la sustancia en cuestin. Este sera una forma derealimentacin negativa. Las enzimas que se encuentran sujetas a este tipo de regulacin suelen ser multimricas y poseer sitios alostricos donde se unen sustancias reguladoras. Las grficas que representan la velocidad de la reaccin frente a la concentracin de sustrato de estas enzimas no son hiprboles, sino sigmoidales (forma de S).Usos de los inhibidoresDebido a que los inhibidores modulan la funcin de las enzimas, suelen ser utilizados como frmacos. Un tpico ejemplo de un inhibidor que es utilizado como frmaco es laaspirina, la cual inhibe las enzimasCOX-1yCOX-2implicadas en la sntesis de un intermediario inflamatorio, lasprostaglandinas, con lo que suprime as los efectos derivados, eldolory lainflamacin. Sin embargo, otros inhibidores enzimticos actan comovenenos. Por ejemplo, elcianuroes un inhibidor irreversible que se une a los tomos dehierroycobreen el sitio activo de lacitocromo c oxidasade clulasanimales(lasplantasson resistentes al cianuro), bloqueando as larespiracin celular.68[editar]Funcin biolgicaLas enzimas presentan una amplia variedad de funciones en los organismos vivos. Son indispensables en latransduccin de sealesy en procesos de regulacin, normalmente por medio dequinasasyfosfatasas.69Tambin son capaces de producir movimiento, como es el caso de lamiosinaalhidrolizarATPpara generar lacontraccin muscularo el movimiento de vesculas por medio delcitoesqueleto.70Otro tipo deATPasasen lamembrana celularson lasbombas de ionesimplicadas en procesos detransporte activo. Adems, las enzimas tambin estn implicadas en funciones mucho ms exticas, como la produccin deluzpor laluciferasaen laslucirnagas.71Losvirustambin pueden contener enzimas implicadas en la infeccin celular, como es el caso de laintegrasadel virusHIVy de latranscriptasa inversa, o en la liberacin viral, como laneuraminidasadel virus de lagripe.Una importante funcin de las enzimas es la que presentan en elsistema digestivode los animales. Enzimas tales como lasamilasasy lasproteasasson capaces de degradar molculas grandes (almidnoprotenas, respectivamente) en otras ms pequeas, de forma que puedan ser absorbidas en elintestino. Las molculas de almidn, por ejemplo, que son demasiado grandes para ser absorbidas, son degradadas por diversas enzimas a molculas ms pequeas como lamaltosa, y finalmente aglucosa, la cual s puede ser absorbida a travs de las clulas del intestino. Diferentes enzimas digestivas son capaces de degradar diferentes tipos de alimentos. Losrumiantesque tienen una dietaherbvora, poseen en sus intestinos una serie de microorganismos que producen otra enzima, lacelulasa, capaz de degradar lacelulosapresente en lapared celularde lasplantas.72Varias enzimas pueden actuar conjuntamente en un orden especfico, creando as unaruta metablica. En una ruta metablica, una enzima toma como sustrato el producto de otra enzima. Tras la reaccin cataltica, el producto se transfiere a la siguiente enzima y as sucesivamente. En ocasiones, existe ms de una enzima capaz de catalizar la misma reaccin en paralelo, lo que permite establecer una regulacin ms sofisticada: por ejemplo, en el caso en que una enzima presenta una actividad constitutiva pero con una baja constante de actividad y una segunda enzima cuya actividad es inducible, pero presenta una mayor constante de actividad.Las enzimas determinan los pasos que siguen estas rutas metablicas. Sin las enzimas, el metabolismo no se producira a travs de los mismos pasos, ni sera lo suficientemente rpido para atender las necesidades de la clula. De hecho, una ruta metablica como laglucolisisno podra existir sin enzimas. Laglucosa, por ejemplo, puede reaccionar directamente con el ATP de forma que quede fosforilada en uno o ms carbonos. En ausencia de enzimas, esta reaccin se producira tan lentamente que sera insignificante. Sin embargo, si se aade la enzimahexoquinasaque fosforila el carbono 6 de la glucosa y se mide la concentracin de la mezcla en un breve espacio de tiempo se podr encontrar nicamenteglucosa-6-fosfatoa niveles significativos. Por tanto, las redes de rutas metablicas dentro de la clula dependen del conjunto de enzimas funcionales que presenten.[editar]Control de la actividadLa actividad enzimtica puede ser controlada en la clula principalmente de estas cinco formas: Produccin de la enzima(a nivel de latranscripcino latraduccin): la sntesis de una enzima puede ser favorecida o desfavorecida en respuesta a determinados estmulos recibidos por la clula. Esta forma de regulacin gnica se denomina induccin e inhibicin enzimtica. Por ejemplo, lasbacteriaspodran adquirirresistencia a antibiticoscomo lapenicilinagracias a la induccin de unas enzimas llamadasbeta-lactamasas, que hidrolizan elanillo beta-lactmicode la molcula de penicilina. Otro ejemplo, son las enzimas presentes en elhgadodenominadascitocromo P450oxidasas, las cuales son de vital importancia en elmetabolismo de drogasy frmacos. La induccin o inhibicin de estas enzimas puede dar lugar a la aparicin deinteracciones farmacolgicas. Compartimentalizacin de la enzima: las enzimas pueden localizarse en diferentes compartimentos celulares, de modo que puedan tener lugar diferentes rutas metablicas de forma independiente. Por ejemplo, loscidos grasosson sintetizados por un conjunto de enzimas localizadas en elcitosol, en elretculo endoplasmticoy en elaparato de Golgi, y posteriormente, dichos cidos grasos son utilizados por otro conjunto de enzimas diferentes como fuente energtica en lamitocondria, a travs de la-oxidacin.73 Inhibidoresy activadores enzimticos: las enzimas pueden ser activadas o inhibidas por ciertas molculas. Por ejemplo, el producto final de una ruta metablica suele actuar como inhibidor de alguna de las enzimas implicadas en las primeras reacciones de la ruta, estableciendo as unarealimentacin negativaque regula la cantidad de producto final obtenido por esa ruta. Este mecanismo de realimentacin negativa permite ajustar efectivamente la velocidad de sntesis de los metabolitos intermedios con la demanda de la clula, y permite distribuir econmicamente materiales y energa para evitar exceso o escasez de los productos finales. Este control enzimtico permite mantener unambiente relativamente estableen el interior de los organismos vivos. Modificacin postraduccionalde enzimas: las enzimas pueden sufrir diversas modificaciones postraduccionales como lafosforilacin, lamiristoilaciny laglicosilacin. Por ejemplo, en la respuesta ainsulina, se produce la fosforilacin de multitud de enzimas, como la de laglucgeno sintasa, que ayuda en el control de la sntesis o degradacin delglucgenoy permite a la clula responder a las variaciones de los niveles deazcarensangre.74Otro ejemplo de modificacin postraduccional es la degradacin de la cadena polipeptdica. Laquimiotripsina, unaproteasadigestiva, es sintetizada en una forma inactiva,quimiotripsingeno, en elpncreasy transportada en este estado hasta elestmago, donde ser activada. De este modo se evita que la enzima digiera el pncreas y los dems tejidos por los que pasa antes de llegar al estmago. Este tipo de precursor inactivo de una enzima es denominadozimgeno. Activacin dependiente del ambiente: algunas enzimas pueden ser activadas cuando pasan de un ambiente con unas condiciones a otro con condiciones diferentes, como puede ser el paso del ambiente reductor delcitoplasmaal ambiente oxidativo delperiplasma, el paso de un ambiente con elevadopHa otro con bajo pH, etc. Por ejemplo, lahemaglutininadel virus de lagripees activada mediante un cambio conformacional que se produce cuando el pH del medio es suficientemente cido, lo cual ocurre cuando el virus entra en el interior de la clula a travs de unlisosoma.75[editar]Implicaciones en enfermedades

Estructura tridimensionalde la enzimafenilalanina hidroxilasa(PDB1KW0).Debido a que es necesario un fuerte control de la actividad enzimtica para lahomeostasis, cualquier fallo en el funcionamiento (mutacin, incremento o reduccin de la expresin o delecin) de una nica enzima crtica puede conducir al desarrollo de unaenfermedad gentica. La importancia de las enzimas se pone de manifiesto en el hecho de que una enfermedad letal puede ser causada por el mal funcionamiento de un nico tipo de enzima de todos los miles de tipos que existen en nuestro cuerpo.Un ejemplo de esto es el tipo ms comn defenilcetonuria. En esta enfermedad gentica se produce una mutacin de un nicoaminocidoen lafenilalanina hidroxilasa, una enzima que cataliza la primera reaccin de la ruta de degradacin de lafenilalaninay de compuestos relacionados. Al ser esta enzima inactiva, se acumulan una serie de productos que terminan dando lugar a la aparicin deretardo mentalsi no se recibe tratamiento.76Otro ejemplo es cuando se produce una mutacin en los genes de la lnea germinal que codifican las enzimas implicadas en lareparacin del ADN. En este caso, al no repararse adecuadamente el ADN de las clulas, se acumulan mutaciones que suelen derivar en el desarrollo de diversos tipos de cncer hereditarios, como laxerodermia pigmentosa.[editar]Clasificacin y nomenclatura de enzimasEl nombre de una enzima suele derivarse del sustrato o de la reaccin qumica que cataliza, con la palabra terminada en-asa. Por ejemplo,lactasaproviene de su sustratolactosa;alcohol deshidrogenasaproviene de la reaccin que cataliza que consiste en "deshidrogenar" elalcohol;ADN polimerasaproviene tambin de la reaccin que cataliza que consiste en polimerizar elADN.LaUnin Internacional de Bioqumica y Biologa Molecularha desarrollado una nomenclatura para identificar a las enzimas basada en los denominadosNmeros EC. De este modo, cada enzima queda registrada por una secuencia de cuatro nmeros precedidos por las letras "EC". El primer nmero clasifica a la enzima segn su mecanismo de accin. A continuacin se indican las seis grandes clases de enzimas existentes en la actualidad: EC1Oxidorreductasas: catalizan reacciones de oxidorreduccin oredox. Precisan la colaboracin de lascoenzimasde oxidorreduccin (NAD+,NADP+,FAD) que aceptan o ceden loselectronescorrespondientes. Tras la accin cataltica, estas coenzimas quedan modificadas en su grado de oxidacin, por lo que deben ser recicladas antes de volver a efectuar una nueva reaccin cataltica.Ejemplos:deshidrogenasas,peroxidasas. EC2Transferasas: transfierengrupos activos(obtenidos de la ruptura de ciertas molculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en procesos de interconversin demonosacridos,aminocidos, etc.Ejemplos:transaminasas,quinasas. EC3Hidrolasas: catalizan reacciones dehidrlisiscon la consiguiente obtencin demonmerosa partir depolmeros. Actan en la digestin de los alimentos, previamente a otras fases de su degradacin. La palabrahidrlisisse deriva dehidro 'agua' ylisis 'disolucin'.Ejemplos:glucosidasas,lipasas,esterasas. EC4Liasas: catalizan reacciones en las que se eliminan grupos H2O, CO2y NH3para formar un doble enlace o aadirse a un doble enlace.Ejemplos:descarboxilasas,liasas. EC5Isomerasas: actan sobre determinadas molculas obteniendo o cambiando de ellas susismerosfuncionales o de posicin, es decir, catalizan la racemizacin y cambios de posicin de un grupo en determinada molcula obteniendo formas isomricas. Suelen actuar en procesos de interconversin.Ejemplo:epimerasas(mutasa). EC6Ligasas: catalizan la degradacin o sntesis de los enlaces denominados "fuertes" mediante el acoplamiento a molculas de alto valor energtico como elATP.Ejemplos:sintetasas,carboxilasas.[editar]Aplicaciones industrialesLas enzimas son utilizadas en laindustria qumica, y en otros tipos de industria, en donde se requiere el uso de catalizadores muy especializados. Sin embargo, las enzimas estn limitadas tanto por el nmero de reacciones que pueden llevar a cabo como por su ausencia de estabilidad ensolventes orgnicosy altastemperaturas. Por ello, laingeniera de protenasse ha convertido en un rea de investigacin muy activa donde se intentan crear enzimas con propiedades nuevas, bien mediante diseo racional, bien mediante evolucinin vitro.7778Estos esfuerzos han comenzado a tener algunos xitos, obtenindose algunas enzimas que catalizan reacciones no existentes en la naturaleza.79A continuacin se muestra una tabla con diversas aplicaciones industriales de las enzimas:AplicacinEnzimas utilizadasUsos

Procesado de alimentos

La amilasa cataliza la degradacin del almidn en azcares sencillos.Amilasasdehongosyplantas.Produccin de azcares desde elalmidn, como por ejemplo en la produccin dejarabe de maz.80En la coccin al horno, cataliza la rotura del almidn de laharinaen azcar. Lafermentacindel azcar llevada a cabo porlevadurasproduce eldixido de carbonoque hace "subir" la masa.

ProteasasLos fabricantes degalletaslas utilizan para reducir la cantidad de protenas en la harina.

Alimentos para bebsTripsinaPara pre-digerir el alimento dirigido abebs.

Elaboracin de cerveza

Cebadagerminada utilizada para la elaboracin de malta.Las enzimas de la cebada son liberadas durante la fase de molido en la elaboracin de lacerveza.Las enzimas liberadas degradan el almidn y las protenas para generar azcares sencillos,aminocidosy pptidos que son usados por las levaduras en el proceso de fermentacin.

Enzimas de cebada producidas a nivel industrialAmpliamente usadas en la elaboracin de cerveza para sustituir las enzimas naturales de la cebada.

Amilasa, glucanasa y proteasasDigieren polisacridos y protenas en lamalta.

Betaglucanasas y arabinoxilanasasMejoran la filtracin del mosto y la cerveza.

Amiloglucosidasas y pululanasasProduccin de cerveza baja en caloras y ajuste de la capacidad de fermentacin.

ProteasasEliminan la turbidez producida durante el almacenamiento de la cerveza.

Acetolactatodecarboxilasa (ALDC)Incrementa la eficiencia de la fermentacin mediante la reduccin de la formacin dediacetilo.81

Zumos de frutasCelulasas, pectinasasAclarado de zumos de frutos.

Industria lctea

Queso de Roquefort.Renina, derivado del estmago de animalesrumiantesjvenes (como terneros y ovejas).Produccin dequeso, usada para hidrolizar protenas.

Enzimas producidas por bacteriasActualmente, cada vez ms usadas en la industria lctea.

LipasasSe introduce durante el proceso de produccin delqueso Roquefortpara favorecer la maduracin.

LactasasRotura de lalactosaenglucosaygalactosa.

Digestin de carnePapanaAblandamiento de la carne utilizada para cocinar.

Industria del almidn

Glucosa.

Fructosa.Amilasas, amiloglucosidasas y glucoamilasasConversin delalmidnenglucosay diversosazcares invertidos.

Glucosa isomerasaConversin deglucosaenfructosadurante la produccin dejarabe de mazpartiendo de sustancias ricas en almidn. Estos jarabes potencian las propiedades edulcorantes y reducen las caloras mejor que lasacarosay manteniendo el mismo nivel de dulzor.

Industria del papel

Una fbrica de papel enCarolina del Sur.Amilasas,xilanasas,celulasasyligninasasDegradacin delalmidnpara reducir suviscosidad, aadiendoapresto. Las xilanasas reducen el blanqueador necesario para la decoloracin; las celulasas alisan las fibras, favorecen el drenaje de agua y promueven la eliminacin de tintas; las lipasas reducen la oscuridad y las ligninasas eliminan la lignina para ablandar el papel.

Industria del biofuel

Celulosa en 3D.CelulasasUtilizadas para degradar lacelulosaen azcares que puedan ser fermentados.

LigninasasUtilizada para eliminar residuos delignina.

Detergentes biolgicosPrincipalmenteproteasas, producidas de forma extracelular porbacterias.Utilizadas para ayudar en la eliminacin de tintes proteicos de la ropa en las condiciones de prelavado y en las aplicaciones directas de detergente lquido.

AmilasasDetergentesde lavadoras para eliminar residuos resistentes de almidn.

LipasasUtilizadas para facilitar la eliminacin de tintes grasos y oleosos.

CelulasasUtilizadas ensuavizantesbiolgicos.

Limpiadores de lentes de contactoProteasasPara eliminar restos proteicos de laslentes de contactoy as prevenir infecciones.

Industria del huleCatalasaPara generaroxgenodesde elperxido, y as convertir elltexenhuleespumoso.

Industria fotogrficaProteasa(ficina)Disolver lagelatinade laspelculas fotogrficasusadas, permitiendo as la recuperacin de su contenido enplata.

Biologa molecular

ADN de doble hlice.Enzimas de restriccin,ADN ligasaypolimerasasUtilizadas para manipular elADNmedianteingeniera gentica. De gran importancia enfarmacologa,agricultura,medicinaycriminalstica. Esenciales para digestin de restriccin y para lareaccin en cadena de la polimerasa.