Las Enzimas

Las enzimas constituyen un elemento fundamental en el metabolismo, pues de su grado de actividad dependen el tipo y la velocidad de las distintas reacciones metabólicas. Existe una enzima diferente para cada reacción que permite que se lleven a cabo. La falta de una enzima determinada provoca un defecto en una ruta metabólica. Una molécula solo puede ser metabolizada por un ser vivo si este cuenta con la enzima adecuada para hacerlo.

Todas las enzimas son proteínas; sin embargo, pueden estar formadas únicamente por cadenas polipeptídicas o contener otro grupo no proteico. La parte proteica recibe el nombre de apoenzima, mientras que la parte no proteica se denomina grupo prostético cuando su unión a la apoenzima es permanente, y cofactor cuando, como ocurre más habitualmente, no lo es.

• La apoenzima se encarga de proporcionar la estructura espacial específica que permite la unión a los sustratos.
• El cofactor o el grupo prostético son los componentes enzimáticos que llevan a cabo la reacción propiamente dicha, es decir, la catálisis en sentido estricto. El cofactor puede ser un catión metálico o una molécula orgánica a la que se denomina coenzima. Las coenzimas constituyen un grupo molecular muy diverso.

Propiedades de las Enzimas

Por su carácter proteico, las enzimas presentan las mismas propiedades que cualquier proteína, es decir, se desnaturalizan por el calor o por los cambios de pH, y presentan un alto grado de especificidad. Hay enzimas que muestran una especificidad absoluta y solo actúan sobre un tipo concreto de sustrato, llegando a diferenciar incluso estereoisómeros; y otras que, por ejemplo, solo muestran especificidad con respecto a un grupo funcional, como las enzimas esterasas.

Para cada tipo de reacción química existe una enzima diferente, es decir, una enzima cataliza una sola reacción química o un grupo de reacciones estrechamente relacionadas. Las enzimas, por ser catalizadores, no se consumen en el transcurso de las reacciones. Así, las necesidades enzimáticas son muy bajas.

Las Vitaminas

Bioquímicamente, las vitaminas tienen una enorme importancia por su participación en los procesos metabólicos como coenzimas. Su carencia, por tanto, impide una adecuada acción de las enzimas correspondientes. Las vitaminas presentan una composición química diversa y están incluidas en otras biomoléculas. Las vitaminas son moléculas muy lábiles, es decir, pueden ser alteradas fácilmente. Las necesidades diarias de vitaminas son en realidad muy pequeñas. Estas necesidades vitamínicas pueden satisfacerse con la ingestión de otras moléculas denominadas provitaminas, que, tras un pequeño cambio químico, originan la vitamina activa.

Tanto el defecto como el exceso de vitaminas pueden producir trastornos:

• El déficit de vitaminas en la alimentación se conoce como hipovitaminosis.
• Un consumo excesivo de vitaminas acarrea hipervitaminosis.

Nomenclatura

Antiguamente las vitaminas se denominaban según la enfermedad que producía su carencia. Posteriormente se utilizaron letras para nombrarlas (D, C, etc.). En la actualidad se va imponiendo su nombre químico.

Clasificación

Atendiendo a su solubilidad en agua:

• Las vitaminas liposolubles son lipídicas y, por ello, son insolubles en agua. Se acumulan en el hígado y otros lugares, como el tejido adiposo.
• Las vitaminas hidrosolubles, por el contrario, son solubles en agua y no se acumulan en los tejidos grasos.

Etapas de una Reacción Enzimática

Cuando un sustrato se encuentra con la enzima correspondiente, se produce la reacción catalizada, la cual se lleva a cabo en tres etapas:

1. En primer lugar, el sustrato se une a la apoenzima formando el complejo enzima-sustrato (ES). Esta unión se caracteriza por un alto grado de especificidad. La especificidad enzimática se debe a la estructura proteica de la apoenzima, la cual presenta una zona, denominada centro activo, en la que se acopla el sustrato. En algunas enzimas, el centro activo es capaz de modificar su forma para adaptarse al sustrato. Sería algo semejante a la introducción de una mano en un guante. Este proceso, postulado por Daniel E. Koshland Jr. en 1958, se denomina de «ajuste o acoplamiento inducido». La unión es reversible y, debido precisamente a esa reversibilidad, esta primera etapa es la más lenta. La unión de los radicales de los aminoácidos del centro activo al sustrato consigue debilitar sus enlaces. Esto provoca cambios energéticos que permiten alcanzar más fácilmente el estado de transición.
2. Una vez formado el complejo enzima-sustrato, la coenzima lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final (P). Esta etapa es muy rápida e irreversible. En el caso de no existir cofactores, la acción catalítica la realizan algunos aminoácidos del propio centro activo.
3. El producto se libera del centro activo y la apoenzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato.

Regulación de la Actividad Enzimática

La regulación de las reacciones metabólicas se lleva a cabo a nivel enzimático. Esto se hace regulando la velocidad de actuación de las enzimas y regulando la síntesis enzimática. Las reacciones enzimáticas constituyen la clave de la actividad vital de una célula. Esta actividad no es siempre la misma. En un momento dado puede interesar aumentar la síntesis de un determinado producto, y en otro, degradar un sustrato que acaba de aparecer. Por otro lado, una vez conseguida la cantidad precisa del producto, la actividad enzimática debe disminuir o anularse para evitar un gasto energético inútil. Las necesidades celulares son cambiantes y la velocidad de las reacciones enzimáticas debe variar de acuerdo con ellas. Es imprescindible. Los mecanismos de regulación empleados son la activación enzimática, la inhibición y el alosterismo.

Activación Enzimática

La presencia de activadores permite que ciertas enzimas que se mantenían inactivas lleven a cabo su acción, es decir, se activen. Normalmente, la unión del activador hace que el centro activo adquiera la estructura adecuada para el acoplamiento del sustrato. La unión se realiza en un lugar distinto al centro activo. También pueden actuar como activadores diversas moléculas orgánicas, e incluso el propio sustrato. Este último es un caso muy interesante y frecuente. La enzima permanece inactiva hasta que aparece el sustrato. El sustrato activa su propia metabolización.

Inhibición Enzimática

Los inhibidores enzimáticos son sustancias que disminuyen o anulan la actividad de una enzima. Se trata de un proceso inverso al de la activación. La enzima, previamente activa, disminuye su velocidad o incluso deja de actuar cuando aparece un inhibidor. Este puede ser algún ion o alguna molécula orgánica y, muy frecuentemente, el producto final de la reacción. En el caso en el que la enzima se inhibe cuando ya no se necesita obtener más cantidad de producto, se habla de inhibición feedback o retroinhibición. La inhibición puede ser irreversible, cuando se une covalentemente a la enzima, alterando su estructura e inutilizándola de forma permanente. La inhibición reversible tiene lugar cuando la enzima vuelve a tener actividad una vez eliminada la sustancia inhibidora. La unión del inhibidor con la enzima se realiza por enlaces no covalentes. Según el lugar de unión a la enzima se diferencian dos tipos de inhibición reversible: competitiva y no competitiva.

• Inhibición competitiva. El inhibidor se une al centro activo impidiendo así la unión del sustrato. Si el centro es ocupado por el sustrato, la reacción se lleva a cabo, pero si es ocupado por el inhibidor, no se produce. El grado de inhibición dependerá de la proporción relativa entre sustrato e inhibidor. Es necesario que el inhibidor se acople al centro activo. Por eso, a estos inhibidores se los llama análogos metabólicos.
• Inhibición no competitiva. El inhibidor no compite con el sustrato, sino que se une en otra zona de la enzima distinta del centro activo. Esta unión modifica la estructura de la enzima al tiempo que dificulta el acoplamiento del sustrato. En otras ocasiones, el inhibidor se une al complejo enzima-sustrato e impide la posterior formación del producto.

Alosterismo

El alosterismo constituye un sistema de regulación enzimática sumamente preciso. Las enzimas alostéricas catalizan algunas reacciones importantes, como el primer paso de una ruta metabólica. También suelen encontrarse en los puntos de ramificación de las rutas metabólicas. Estas enzimas presentan las siguientes características:

• Están formadas por varias subunidades, por lo que tienen estructura cuaternaria.
• Poseen varios centros de regulación.
• Adoptan dos conformaciones distintas, la forma o estado R y la forma o estado T. La forma R se estabiliza cuando los centros reguladores tienen unidos activadores. Por el contrario, los inhibidores alostéricos estabilizan la forma T.
• Existe un efecto cooperativo entre las subunidades. Esto permite una regulación más rápida y con menor cantidad de activadores e inhibidores.
• Su cinética es diferente a la del resto de las enzimas.

Las Fermentaciones

El metabolismo fermentativo es un proceso anaerobio, pues las reacciones de oxidación se producen en ausencia de oxígeno. Es una oxidación incompleta de los compuestos orgánicos, ya que no se libera toda la energía química que contienen. La síntesis de ATP en este proceso tiene lugar exclusivamente por fosforilación a nivel de sustrato. Las moléculas de partida de la fermentación son, generalmente, glúcidos, en particular, la glucosa. No obstante, las bacterias responsables de la putrefacción de la materia orgánica son capaces de llevar a cabo la fermentación tanto de proteínas como de aminoácidos.

La fermentación de la glucosa comienza con la glucólisis. Como se ha visto, en este proceso se genera poder reductor en forma de NADH y se produce ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Sin embargo, la glucólisis se interrumpiría en poco tiempo ya que el NAD+ utilizado no se recupera. En la fermentación se consume el NADH obtenido, que se oxida a NAD+, y se permite la recuperación de esta molécula. Además, se reduce el piruvato hasta los productos finales correspondientes. Por tanto, el proceso completo tiene lugar en dos etapas:

• Etapa de oxidación de la glucosa hasta piruvato. Se consume NAD+ y se producen NADH y ATP.
• Etapa de reducción del piruvato para dar los productos finales. Se regenera el NAD+.

La mayoría de las fermentaciones son realizadas por bacterias, muchas de las cuales son anaerobias estrictas. Pero hay otras que son anaerobias facultativas (pueden desarrollarse tanto en ausencia de oxígeno como en su presencia). En numerosas ocasiones, los productos finales de las fermentaciones son ácidos orgánicos, como ácido fórmico, acético, propiónico, butírico, etc. En algunas de ellas, la etapa de reducción es muy larga y compleja. Las fermentaciones más importantes son la láctica y la alcohólica, que se describirán a continuación.

Fermentación Láctica

En esta fermentación, es el propio piruvato la molécula aceptora de los electrones y H+ contenidos en el NADH. El piruvato queda reducido para originar lactato y el NAD+ se regenera. La reacción está catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa. El único rendimiento energético son los dos ATP producidos en la glucólisis. Este tipo de fermentación es realizada por las bacterias lácticas, como Lactobacillus y Lactococcus, que son anaerobias aerotolerantes, es decir, pueden vivir en presencia de oxígeno, pero no lo utilizan en su metabolismo. El queso, el yogur y otras leches acidificadas son productos que se obtienen por fermentación láctica. Esta también se emplea como método de conservación de ciertos productos vegetales o cárnicos. Las células del tejido muscular pueden realizarla si no reciben el oxígeno suficiente. El lactato resultante se recicla en el hígado.

Fermentación Alcohólica

En la fermentación alcohólica se produce la rotura del esqueleto carbonado del piruvato y se originan CO2 y acetaldehído. Esta molécula se reduce con el NADH gracias a la enzima alcohol deshidrogenasa, y como producto final se obtiene etanol. La fermentación alcohólica la realizan principalmente las levaduras, y entre ellas, la más conocida y utilizada es Saccharomyces cerevisiae. Existen estirpes seleccionadas de esta levadura para la producción de bebidas alcohólicas, como vino y cerveza, y otras que se usan en la fabricación del pan.

La Respiración Aerobia

En la respiración aerobia, el piruvato formado en la glucólisis continúa su degradación hasta su oxidación total, que da como resultado CO2. En este proceso participan numerosas reacciones encadenadas, de forma que los electrones de la glucosa se transfieren a ciertas coenzimas (NAD+, FAD). Estas, posteriormente, ceden dichos electrones a unas moléculas que actúan como transportadores electrónicos. Su destino final es el oxígeno. La respiración aerobia la realizan los organismos eucariotas y una gran parte de los procariotas. Es un proceso complejo donde es posible distinguir las siguientes etapas:

1. Formación de acetil-CoA.
2. Ciclo de Krebs o ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CAT).
3. Fosforilación oxidativa.

Formación de Acetil-CoA

Para que la molécula de piruvato generada tras la glucólisis continúe su oxidación incorporándose al ciclo de Krebs, debe sufrir previamente una reacción de descarboxilación oxidativa y convertirse en un resto acetilo en forma de acetil-CoA. Todas las biomoléculas que sirven de combustible a la célula tienen que convertir sus esqueletos carbonados en acetil-CoA para poder incorporarse al ciclo de Krebs y ser oxidados hasta CO2 y H2O. El piruvato es conducido desde el citoplasma celular hasta el interior de la mitocondria, uniéndose para ello a transportadores específicos que le permiten atravesar las dos membranas mitocondriales. Una vez en el interior de la mitocondria, se produce la descarboxilación oxidativa, una reacción catalizada por un complejo multienzimático, la piruvato-deshidrogenasa, que actúa en dos etapas que dan lugar a dos cambios consecutivos en la molécula de piruvato:

• Pérdida del grupo carboxilo en forma de CO2.
• Oxidación del grupo ceto a grupo carboxilo. La energía liberada en la reacción permite la unión entre el resto acetilo y la coenzima A y origina acetil-CoA. Esta oxidación proporciona una molécula de NADH.

El acetil-CoA no solo se obtiene a partir de la glucosa, sino que también puede conseguirse a partir de ácidos grasos mediante su β-oxidación.

β-oxidación de los ácidos grasos

Como se ha mencionado, además del piruvato, otras moléculas, como los ácidos grasos, pueden formar acetil-CoA y seguir la vía posterior de la respiración aerobia. Los ácidos grasos constituyen una fuente de carbono y energía muy importante. La incorporación de los ácidos grasos al ciclo de Krebs se realiza por medio de la denominada β-oxidación. Este proceso se produce en la mitocondria. El paso de los ácidos grasos desde el citoplasma a la matriz mitocondrial se realiza por medio de ciertas enzimas presentes en las dos membranas mitocondriales, interna y externa, que actúan como transportadores. En este proceso participa una molécula conocida como carnitina. En el interior de la matriz mitocondrial, la cadena carbonada de los ácidos grasos experimenta un ciclo de reacciones que va escindiendo unidades de dos átomos de carbono, en forma de acetil-CoA, a partir del extremo carboxilo. El inicio del proceso se produce con la activación de los ácidos grasos, lograda por unión a la CoA, para formar acil-CoA. Esta unión requiere la energía que proporciona la hidrólisis de ATP. El ciclo de la β-oxidación comprende cuatro etapas:

• Deshidrogenación. Se trata de una reacción de oxidación que produce un doble enlace entre los carbonos α y β de la cadena de acil-CoA.
• Hidratación. La adición de una molécula de agua al doble enlace generado en la etapa anterior da lugar a la formación de un grupo hidroxilo en el carbono en posición β.
• Oxidación. El grupo alcohol es oxidado a grupo ceto y se forma un β-cetoacil-CoA.
• Tiolisis. Consiste en la ruptura del enlace que une los carbonos α y β, por la incorporación de la molécula de CoA. El resultado es una molécula de acil-CoA con dos carbonos menos, y una molécula de acetil-CoA, que se incorpora al ciclo de Krebs.

El Ciclo de Krebs o de los Ácidos Tricarboxílicos (CAT)

Es un conjunto cíclico de reacciones que producen la oxidación completa del acetil-CoA hasta CO2. Los electrones cedidos en esta oxidación son captados por las coenzimas NAD+ y FAD, librándose las correspondientes moléculas reducidas, NADH y FADH2. El ciclo de Krebs se lleva a cabo en la matriz mitocondrial. El acetil-CoA procedente de la etapa anterior se une a una molécula de cuatro carbonos, el oxalacetato, y se obtiene el citrato, de seis carbonos. A partir del citrato se encadenan varias reacciones y el oxalacetato se regenera al completarse el ciclo. En el transcurso de estas reacciones se obtienen:

• Dos moléculas de CO2.
• Energía en forma de GTP.
• Poder reductor: tres moléculas de NADH y una de FADH2.
• Precursores metabólicos.

La Fosforilación Oxidativa

Es el mecanismo de síntesis de ATP en la respiración aerobia. Tiene lugar en la mitocondria, concretamente en su membrana interna. La síntesis de ATP se realiza por la unión de un grupo fosfato al ADP mediante un enlace de alta energía. La enzima que la cataliza es la ATP sintetasa o ATPasa. La reacción requiere un aporte energético importante. La energía necesaria se consigue gracias a la formación de un gradiente de protones en la membrana mitocondrial interna.

Transporte Electrónico

Estás describiendo el proceso de la cadena de transporte de electrones, que es una parte crucial de la respiración celular. Este proceso ocurre en las mitocondrias y es donde la mayoría del ATP (la principal fuente de energía de las células) se produce. Los electrones de las moléculas de NADH y FADH2 son transferidos a través de una serie de transportadores de electrones. Estos transportadores están organizados en cuatro complejos principales en la membrana mitocondrial interna. A medida que los electrones se mueven a lo largo de la cadena, liberan energía que se utiliza para bombear protones a través de la membrana mitocondrial interna, creando un gradiente de protones. El último transportador de electrones en la cadena es la citocromo c oxidasa, que transfiere los electrones al oxígeno molecular. El oxígeno se reduce para formar agua, actuando como el aceptor final de electrones. Este es un paso crucial, ya que el oxígeno es esencial para mantener la cadena de transporte de electrones y la producción de ATP en funcionamiento. De hecho, el 90% del consumo de oxígeno de las células se debe a este proceso. Por lo tanto, la cadena de transporte de electrones es un proceso vital para la vida celular y es una de las principales razones por las que los organismos aeróbicos requieren oxígeno.

Formación del Gradiente Quimiosmótico

La energía que los electrones van perdiendo al pasar por estas moléculas transportadoras se emplea en bombear protones (H+) a través de la membrana mitocondrial interna hacia el espacio intermembranoso, donde se acumulan. Esta acumulación de protones origina un potencial eléctrico de membrana. Así, entre las dos caras de la membrana mitocondrial interna se produce una diferencia de concentración de protones y una separación de cargas eléctricas. Esta situación se denomina fuerza protón-motriz.

Síntesis de ATP

La fuerza protón-motriz constituye el motor energético de la fosforilación del ADP. En la membrana mitocondrial interna se encuentran situadas las enzimas ATPasas o ATP sintetasas, proteínas transmembranares que contienen un canal en su interior. A través de él, los protones pueden volver a entrar en la matriz. El paso de los protones permite que las ATP-sintetasas sinteticen ATP. De esta manera, el paso de los protones disipa el gradiente electroquímico, como si la membrana «se descargase», y la energía almacenada en él se acopla a la fosforilación del ADP para formar ATP.

Etiquetas: ATP, enzimas, fermentación, glucólisis, metabolismo, respiración celular, vitaminas