Enzima

Modelo doenzimapurina nucleósido fosforilase(PNP) xerado por computador.

Os/asenzimas(ouencimas)son un grupo decompostos orgánicosde natureza en xeralproteica(existen tamén enzimas constituídos porARN,chamadosribozimas),con actividade intra ou extracelular que teñen funcións catalíticas, catalizando reaccións químicas, que, sen a súa presenza, serían imposibles ou non poderían ter lugar á velocidade axeitada. Isto conséguese a través da diminución daenerxía de activaciónprecisa para que se dea unha reacción química, resultando no aumento da velocidade desta e posibilitando así ometabolismodosseres vivos.A capacidade catalítica dos enzimas fainos adecuados para aplicacións industriais, como naindustria farmacéuticaou naalimentaria.

En sistemas vivos, a maioría das reaccións bioquímicas danse envías metabólicas,secuencias de reaccións nas que o produto dunha reacción utilízase como reactivo na seguinte. Diferentes enzimas catalizan os diferentes pasos das vías metabólicas, actuando de forma concertada de xeito que non se interrompa o fluxo nesas vías. Ademais, a actividade de cada enzima pode serregulada,aumentándoa, diminuíndoa ou mesmo deténdoa, co obxectivo de modular o fluxo da vía metabólica na que se insire.

O ramo dabioquímicaadicado ao estudo e caracterización dos enzimas é aenzimoloxía.

Actividade enzimática

Os enzimas transforman unha substancia, chamadasubstrato,noutra diferente denominadaproduto,e son extremadamente específicas para a reacción que catalizan. Isto quere dicir que, en xeral, un mesmo enzima cataliza un e só un tipo de reacción química (aínda que poden existir varios enzimas que catalicen a mesma reacción). Consecuentemente, o tipo de enzimas atopados nunha célula determina o tipo demetabolismoque a célula efectúa.

A velocidade da reacción catalizada por un enzima aumenta debido á diminución daenerxía de activaciónnecesaria para transformar o substrato no produto. A aceleración da reacción pode ser da orde de varios millóns de veces: por exemplo, o enzima orotidina-5'-fosfato descarboxilase diminúe o tempo da reacción que cataliza de 78 millóns de anos a 25 milisegundos.

Ao seren catalizadores, os enzimas non son consumidos na reacción e non alteran oequilibrio químicoda mesma.

A actividade enzimática pode depender da presenza ou non de determinadas moléculas, xenericamente chamadas cofactores. A natureza química dos cofactores é moi variable, podendo ser por exemplo un ou máisións metálicos(coma o ferro), ou unhamolécula orgánica(como avitamina B₁₂). Estes cofactores poden participar directamente na reacción enzimática, ou permitir ao enzima adoptar unha conformación idónea para a catálise.

Outras substancias son capaces de inhibir a actividade dalgúns enzimas, diminuíndoa ou eliminándoa totalmente; son os chamadosinhibidores enzimáticos.

Polo feito de seren proteínas conestrutura terciaria ou cuaternaria,os enzimas presentan pregamentos tridimensionais nas súascadeas polipeptídicas,o que lles confire unha forma característica e exclusiva. Así, diferentes enzimas presentan diferentes formas e polo tanto diferentes papeis biolóxicos. Para que un enzima actúe, é preciso que, por así dicilo, os substratos encaixen nocentro activodo enzima. Este "encaixe" porén depende da forma, isto é, do contorno do enzima. Por iso os substratos que se axustan nun enzima determinado non o fan noutros diferentes e a reacción non ocorre; de aí a especificidade dos enzimas en canto aos substratos sobre os que actúan. Unha vez ocorrido o encaixe, fórmase o chamado complexo enzima-substrato, que se asemella ao sistema chave-pechadura. A parte do enzima onde se encaixa o substrado é denominado sitio ou centro activo). No caso de substancias que reaccionan entre si, a acción catalítica dos enzimas facilita dita reacción, tornándose máis rápida ao aproximárense as moléculas que tiñan que reaccionar. Trala reacción, o enzima deslígase do substrato e permanece intacto.

Localización

Podemos atopar enzimas en case todas as estruturas celulares efluídos corporais.Algúns teñen unha localización específica, de tal xeito que poden servir para indicar que estamos en presenza duntecido,secreciónoufragmento celulardeterminado verificando a actividade dun enzima dado.

Historia

Eduard Buchner

Entre o final do śeculo XVII e o inicio do XVIII xa se sabía que as secreciónsestomacaiseran capaces de dixerir acarne;coñecíase tamén a conversión deamidónenazucrespola acción da saliva e extractosvexetais.O mecanismo subxacente a estas transformacións non era, porén, coñecido.

Os enzimas foron descubertos no século XIX, aparentemente porPasteur,que concluíu que afermentacióndo azucre enalcoholpololévedoera catalizada por fermentos. Postulou, pois, que eses fermentos (os enzimas) eran inseparables da estrutura das células vivas do lévedo. Pasteur declarou que "afermentación alcohólicaé un acto correlacionado coa vida e organización das células do fermento, e non coa súa morte ou putrefacción ".

En1878,Willhelm Kühneempregou por vez primeira o termo "enzima" para describir este fermento, facendo uso da palabra grega ενζυμον, que significa "levedar". O termo pasou a ser máis tarde usado para denominar ás proteínas con capacidade catalítica, mentres que o termo "fermento" refírese á actividade exercida por organismos vivos.

En1897,Eduard Buchnerdescubriu que os extractos de lévedo podían fermentar o azucre ata alcohol e probou que os enzimas implicados na fermentación alcóholica continuaban a funcionar mesmo cando se eliminaban as células vivas. Este descubrimento valeulle o premioNobel de Químicaen1907.

Restaba por determinar cal era a natureza dos enzimas. Alguúns afirmaban que as proteínas, asociadas á actividade enzimática, non eran máis có soporte do verdadeiro enzima, e, por si mesmas, eran incapaces decatálise.En 1926, James B. Sumner pruficou e cristalizou aurease,amosando que se trataba dunha proteína pura, e fixo o mesmo, en1937,coacatalase.A proba final foi feita por Northrop e Stanley en 1930, co estudo de tres enzimas dixestivos, apepsina,atripsinae aquimotripsina,polo que recibiron o premioNobel de Químicaen 1946.

J.B.S. Haldane escribiu un tratado titulado "Enzimas", onde facía a suxestión de que as interaccións por enlaces químicos débiles entre o enzima e o substrato poderían permitir a separación da molécula do substrato e catalizar a reacción.

A cristalización de enzimas purificados permitiu que as súas estruturas moleculares puidesen ser examinadas porcristalografía de raios X,o que aconteceu primeiro coalisozima,un enzima que aparece na saliva, bágoas e na clara de ovo e que destrúe a parede celular de bacterias, en 1965.Comezan deste xeito abioquímicae bioloxía estruturais, que se esforzan por comprender o funcionamento dos enzimas a nivel atómico.

A tentativa de comprender o mecanismo dacatálise enzimáticaa nivelcuánticofoi facilitada recentemente polo aumento da capacidade aritmética doscomputadores.

Estruturas e mecanismos

Artigo principal:Catálise.

DiagramaPDB 1MOOmostrando aanhidrase carbónicaII. A esfera de cor cincenta é un ión decincque funciona coma cofactor nositio activo.

Os enzimas son proteínas, e aínda que son xeralmente grandes poden ter un tamaño moi variable, dende os 62 residuos deaminoácidosdomonómerodo enzima4-oxalocrotonato tautomerase,ata un tamaño de 2500 residuos, como é o caso daácido graxo sintase.A actividade dos enzimas está determinada pola súaestrutura cuaternaria.En calquera caso, a maioría de enzimas son moito maiores cósubstratosobre o cal actúan, e só unha pequena porción do enzima (entre 3 e 4 aminoácidos) está envolta na catálise.A rexión que contén estes residuos catalíticos, que se liga ao substrato e que leva a cabo a reacción, denomínase sitio oucentro activo.Os enzimas tamén poden posuír sitios aos que se ligancofactoresnecesarios para o bo desempeño da reacción. Algúns enzimas tamén poden presentar centros de unión para outras moléculas de pequeno tamaño, que poden ser tanto produtos coma substratos, directos ouindirectos,da reacción catalizada. Estas ligazóns serven para aumentar ou diminuír a actividade do enzima, dando orixe a un modo de regulación porretroalimentación.

Coma todas as proteínas, os enzimas están formados por longas cadeas lineais de aminoácidos que sofren unpregamentoque ten como resultado unha moilécula deestrutura tridimensional.Cada secuencia única de aminoácidos xera tamén unha estrutura tridimensional única que ten propiedades específicas. Cadeas individuais de proteínas poden agruparse ás veces e formar así uncomplexo proteico.Aestrutura da proteínapode chegar a desagregarse ou mesmo perder a súa actividade por mor dunhadesnaturalización,isto é, a alteración da conformación tridimensional polo aumento excesivo de temperatura, ou variacións fortes depH.Segundo o enzima, a desnaturalización pode ter efectos reversibles ou irreversibles.

Especificidade

Os enzimas posúen en xeral unha elevada especificidade en relación ás reaccións que catalizan e aos substratos implicados nelas. A conformación tridimensional, a carga e outras característicashidrofílicas/hidrofóbicasda proteína son responsables desta especificidade. Os enzimas exhiben tamén niveis altos deestereoespecificidade,rexioselectividadeequimioselectividade,chegando a poder distinguir ás veces entre aforma α e βdun substrato. A vantaxe desta especificidade é a formación do produto que se precisa sen que se xeren outros secundarios.

Algúns dos enzimas máis precisos e específicos interveñen na copia e expresión do xenoma. Estes enzimas posúen mecanismos deproof-reading(corrección de erros de lectura). Un destes casos é aDNA polimerase,que cataliza unha reacción nun primeiro paso, para de seguida confirmar, nun segundo paso, se o produto é o correcto.Este proceso en dúas etapas ten como resultado taxas de erro ínfimas, na orde dunha por cada cen millóns de reaccións, no caso de polimerases demamíferos.Pódense atopar mecanismos de revisión semellantes naRNA polimerase,naaminoacil-tRNA sintetasee mais nosribosomas.

Algúns enzimas que producenmetabolitos secundariosson descritos comapromiscuos,xa que poden actuar sobre un longo espectro de diferentes substratos. Ten sido suxerido que este tipo de especificidade elongada é importante nos procesos de evolución de novas vías de biosíntese.

Modelo chave-pechadura

Os enzimas exhiben unha elevada especificidade.Emil Fischer,en 1894, propuxo que ese feito era debido a que tanto os enzimas coma os substratos presentan formas xeométricas complementarias, de forma que encaixen de xeito máis preciso uns nos outros.Este proceso é moitas veces coñecido como de chave-pechadura. Mais, a pesar de explicar a especificidade dos enzimas, este modelo falla en explicar a estabilización dos estados de transición que amosan os enzimas.

Modelo do encaixe inducido

Diagramas que mostran a actividade enzimática a través do modelo do encaixe inducido.

En 1958,Daniel Koshlandsuxeriu unha modificación ao modelo de chave-pechadura: dado que os enzimas son estruturas flexibles, a forma do centro activo varía constantemente ao interaccionar co substrato.Como resultado disto, o substrato non se liga simplemente a un sitio activo ríxido, senón que ascadeas lateraisdos aminoácidos que conforman os sitios activos sofren unha reorientación conforme o substrato entra, de xeito que as súas posicións potencien a acción catalítica do enzima. Nalgúns casos, coma nas glicosidases, a molécula de substrato tamén sofre alteracións na súa estrutura a medida que se achega ao sitio activo.O sitio activo continúa a sufrir modificacións ata que o substrato se atope completamente ligado, e é neste momento cando se determinan a súa conformación final e a carga.

Mecanismos

Os enzimas actúan de diversas formas, todas elas diminuíndo o valor de ΔG^‡:

• Reducindo aenerxía de activacióncreando un medio no cal o estado de transición se estabiliza (por exemplo, deformando o substrato -gastando enerxía neste paso- de xeito que diminúa a enerxía doestado de transiciónda reacción catalizada, resultando nunha diminución global da enerxía requirida para completar a reacción).
• Proporcionando unha vía alternativa (por exemplo, reaccionando co substrato para formaren un complexo enzima-substrato, de existencia imposible sen a presenza do enzima).
• Reducindo a variación deentropíada reacción ao orientar os substratos da forma correcta para que a reacción sexa máis doada. En auxencia do enzima, as moléculas colisionan en todas as direccións posíbles de xeito aleatorio, un proceso moito menos eficiente ca en presenza do enzima. Isto pásase por alto ao considerar ΔG^‡soa.

Dinámica e funcións

Investigacións recentes achegaron novos coñecementos sobre o xeito en que se ligan adinámicainterna dun enzima e o seu mecanismo decatálise.A dinámica interna dun enzima é descrita como o movemento das partes internas (aminoácidosindividuais,grupos de aminoácidos,un lazo da cadea, unha hélice α, follas β veciñas ou ata dominios proteicos enteiros) destasbiomoléculas,que poden transcorrer a diversas escalas de tempo, dendefemtosegundosa segundos. Redes de residuos de aminoácidos dunha estrutura poden contribuír á catálise a través de movementos dinámicos.Estes de movementos nas proteínas son importantes na acción de diversos enzimas, mais o tipo de reacción que estes catalizan é o que determina que movementos son máis importantes: pequenas e rápidasvibraciónsou lentas e significativas alteracións conformacionais. Estes estudos teñen consecuencias na comprensión dos efectos alostéricos, na produción industrial de enzimas e no desenvolvemento de novosfármacos.

Regulación alostérica

Artigo principal:Alostería.

Os centros alostéricos son sitios no enzima aos que se unen moléculas do medio celular. Os centros forman enlaces febles e non covalentes con estas moléculas, provocando un cambio na conformación do enzima. Este cambio na conformación afecta tamén ao centro activo, e polo tanto á eficiencia do enzima..As interaccións alostéricas poden tanto inhibir coma activar enzimas e é moi frecuente que os enzimas sexan controlados así no corpo..

Cofactores e coenzimas

Artigos principais:CofactoreCoenzima.

Cofactores

Algúns enzimas non necesitan compoñentes adicionais para mostraren unha actividade completa. Porén, outros requiren que se unan a eles moléculas non proteícas (cofactores) para poderen exercer a súa actividade. Os cofactores poden serinorgánicos(ions metálicosecomplexos ferro-xofre) oucompostos orgánicos(flavinaouhemo). Os cofactores orgánicos (coenzimas) son normalmentegrupos prostéticos,que están intimamente ligados aos enzimas aos que lles prestan asistencia. Os cofactores que presentan unións fortes aos enzimas son distintos doutros coenzimas, tal como aNADH,xa que non son liberados dositio activodurante a reacción catalizada.

Un exemplo dun enzima que contén un cofactor é aanhidrase carbónica,que se mostra na figura cun ión decinccomo cofactor.Estas moléculas que posúen unha unión estreita cos enzimas atópanse normalmente no sitio activo e están envolvidas na reacción catalítica. Por exemplo, a flavina e grupos hemo están moitas veces implicados en reaccións deoxidación-redución.

Os enzimas que requiren un cofactor pero que non se ligan a estes denomínanseapoenzimas.Un apoenzima xuntamente co(s) seu(s) cofactor(es) denomínase holoenzima. A maioría dos cofactores non se ligan porcovalenciaa un enzima, senón que establecen enlaces menos fortes. Porén, osgrupos prostéticosorgánicos poden ligarse de maneira covalente. Un exemplo diso é o enlace dopirofosfato de tiaminaao enzimapiruvato deshidroxenase.

Coenzimas

Modelo tridimensional do coenzima NADH.

Oscoenzimasson pequenas moléculas que transportangrupos químicosdun enzima a outro.Algúns destes compostos químicos, como ariboflavina,atiaminae oácido fólico,sonvitaminas,compostos que non son sintetizados no organismo e que teñen que ser asimilados a través dadieta.Os grupos químicos transportados inclúen o iónhidruro(:H^-) transportado poloNAD⁺ou oNADP⁺,ogrupo acetilotransportado polocoenzima A,os gruposformilo,meteniloemetilotransportados poloácido fólicoe o grupo metilo transportado polaS-adenosilmetionina.

Dado que os coenzimas son modificadas quimicamente como consecuencia da acción enzimática, é útil consideralos como unha clase especial de substratos, ou substratos secundarios, que son comúns en moitos tipos de enzimas diferentes. Por exemplo, sábese que existen cerca de 700 enzimas que utilizan o coenzima NADH.

Os coenzimas sofren rexeneración e as súas concentracións son mantidas a un nivel estable dentro da célula. Por exemplo, o NADPH é rexenerado a través davía da pentosa fosfatoe aS-adenosilmetionina é rexenerada pola metionina adenosiltransferase.

Termodinámica

Diagrama dunha reacción catalítica, mostrando o nivel de enerxía en cada etapa da reacción. Normalmente, o substrato necesita dunha cantidade elevada de enerxía para conseguir chegar ao estado de transición, decaendo despois ata un produto final. O enzima estabiliza o estado de transición, reducindo o valor de enerxía necesario para que se formen os produtos. A liña en vermello (continua) representa a reacción en ausencia de catalizador; a azul (a trazos), en presenza de enzima. S: nivel de enerxía do(s) substrato(s); P: nivel de enerxía do(s) produto(s); G: enerxía de Gibbs; R: coordenada de reacción (sentidos de progresión da reacción); ΔG'º: enerxía libre patrón bioquímica; ΔG^‡:enerxía de activación (S-P: do(s) substrato(s); P-S: do(s) produto(s)).

Artigo principal:enerxía de activación, equilibrio termodinámico, equilibrio químico.

Tal e como acontece con todos os compostos catalizadores, os enzimas non alteran o punto doequilibrio químicoda reacción. Normalmente, en presenza dun enzima, a reacción desenvólvese na mesma dirección que tomaría se el non estivese presente, pero de maneira máis rápida. Non obstante, en ausencia de enzima, outras posibles reaccións "espontáneas" non catalizadas poderían orixinar produtos diferentes, porque nesas condicións ditos produtos se forman máis rápido.

Ademais, os enzimas poden executar dúas ou máis reaccións, de tal maneira que a actuación nunha reacción termodinamicamente favorable poida facilitar a actuación nunha reacción menos favorable. Por exemplo, a enerxía dispoñibilizada polahidrólisedoATPé normalmente utilizada para executar outras reaccións.

Os enzimas catalizan as reaccións en ambos os sentidos. Non alteran o equilibrio en si, senón a velocidade en que este é alcanzado. Por exemplo, aanhidrase carbónicacataliza a súa reacción nas dúas direccións, dependendo daconcentracióndos seus reaccionantes.

$\mathrm {CO_{2}+H_{2}O{}^{\mathrm {\quad Anhidrase\ carbonica} }\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!{\overrightarrow {\qquad \qquad \qquad \qquad }}H_{2}CO_{3}}$(entecidos;alta concentración de CO₂)

$\mathrm {H_{2}CO_{3}{}^{\mathrm {\quad Anhidrase\ carbonica} }\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!{\overrightarrow {\qquad \qquad \qquad \qquad }}CO_{2}+H_{2}O}$(nospulmóns;baixa concentración de CO₂)

Se o equilibrio estiver substancialmente desprazado para unha das direccións, isto é, se for unha reacción moiexergónica,a reacción éefectivamenteirreversible.Nestas condicións, o enzima só catalizará a reacción na dirección termodinamicamente permitida.

Cinética

Mecanismo de reacción dun enzima con substrato único. O enzima (E) liga o substrato (S) e libera o produto (P).

A cinética enzimática é o estudo do mecanismo polo cal os enzimas ligan substratos e os transformam en produtos. Para o seu estudo utilízanse datos sobre a velocidade de reacción de enzimas a través de ensaios enzimáticos.

En1902,Victor Henripropuxo unha teoría cuantitativa de cinética enzimática, mais os seus datos experimentais tiñan pouca utilidade porque non se consideraba entón a importancia daconcentracióndoionH⁺.Despois de quePeter Lauritz Sørensendefinise a escalalogarítmicadepHe introducise o concepto desolución tampónen1909,oquímicoalemánLeonor Michaelise abiomédicacanadenseMaud Leonora Mentenrepetiron as experiencias de Henri e confirmaron a súa ecuación, sendo esta cinética coñecida comocinética de Henri-Michaelis-Menten(moitas veces simplificado comocinética de Michaelis-Menten).Este traballo foi desenvolvido porG. E. BriggseJ. B. S. Haldane,que derivaron ecuacións cinéticas usadas aínda hoxe en día.

Henri contribuíu significativamente a este campo ao teorizar que as reaccións enzimáticas ocorrían en dous pasos. No primeiro, o substrato lígase de forma reversible ao enzima, formando o complexo enzima-substrato. Este complexo é por veces designado como complexo de Michaelis. O enzima cataliza entón o paso químico da reacción e libera o produto.

Curva de saturación nunha reacción enzimática, mostrando a relación entre a concentración de substrato ([S]) e a velocidade (V).

Os enzimas poden catalizar ata varios millóns de reaccións por segundo. Por exemplo, a reacción catalizada pola orotidina 5'-fosfato descarboxilase ten unhasemividade 78 millóns de anos en ausencia de enzima, diminuíndo a apenas 25 milisegundos en presenza deste.As velocidades de reacción dependen das condicións en que os enzimas se encontran e da concentración de substrato. Condicións de altatemperatura,pHextremos ou altas concentraciónssalinasdesestabilizan aestrutura da proteína,desnaturalizándoa.Por outro lado, en xeral, un aumento na concentración de substrato tende a aumentar a actividade enzimática.

Experimentalmete, encóntrase a velocidade máxima de reacción aumentando progresivamente a concentración de substrato, ata que se chega a unha velocidade constante de formación de produto. Tal cousa é visíble na curva de saturación do gráfico da dereita. A saturación acontece porque, a medida que aumentada a concentración de substrato, aumenta tamén a cantidade de enzima presente en forma de complexo enzima-substrato (ES). Ávelocidade máxima,V_max,todos os centros activos están ocupados (saturados) con substrato, ou sexa, non existe enzima libre para ligar máis substrato e a concentración de complexo ES é igual á concentración de enzima.

A actividade dun enzima é xeralmente descrita a través deV_maxe tamén daconstante de Michaelis-Menten,K_M,que representa a concentración de substrato á cal se detecta unha velocidade de reacción igual á metade deV_max.Cada enzima posúe unK_Mcaracterístico para un substrato dado; este parâmetro é moitas veces usado para demostrar a forza de unión dun substrato ao enzima. Tamén se usa outra constante cinética,k_cat,para describir o comportamento dun enzima, representando o número de moléculas de substrato que poden ser catalizadas por centro activo por segundo.

A eficiencia catalítica dun enzima pode expresarse a través daconstante de especificidade,igual á razónk_cat/K_m.A constante de especificidade relaciónase tanto coa afinidade da unión do substrato ao enzima coma coa capacidade catalítica deste, polo que é útil para a comparación entre diferentes enzimas, ou o mesmo enzima con diferentes substratos. Existe un valor máximo teórico para esta constante, cerca de 10⁸to 10⁹M⁻¹s⁻¹,denominado límite dedifusión.Considerando que cada colisión entre enzima e substrato resulta en catálise, a velocidade global de formación do produto non estará limitada pola velocidade de reacción do enzima senón pola velocidade de difuson dasmoléculasensolución.Enzimas que posúan unha constante de especificidade preto deste valor son designados como enzimas cataliticamente (ou cineticamente) perfectos; alguús exemplos inclúen os enzimastriosa fosfato isomerase,anhidrase carbónica,acetilcolinesterase,catalase,fumarase,ß-lactamaseesuperóxido dismutase.

A cinética de Michaelis-Menten baséase nalei da acción das masas,que deriva das asuncións sobredifusiónlibre e sobre colisións aleatorias con basetermodinámica.Non obstante, moitos dos procesos bioquímicos ou celulares non se comportan da forma prevista por estes modelos debido á alta concentración de substancias no medio celular, separación de fases entre enzima, substrato e produto e restrición do movemento molecular a unha ou dúas dimensións.Nestas situacións, é aplicável un modelofractalda cinética de Michaelis-Menten.

Algúns enzimas presentan unha cinética máis rápida que as velocidades de difusión, o que aparenta ser algo imposible. Téñense usado diversos mecanismos para explicar este fenómeno. Unha explicación é que algúns enzimas acelerasen a súa catálise ao captar e orientar o seu substrato usandodipoloseléctricos. Outros modelos usan un mecanismocuántico-mecánicodetunneling,no que un protón ou electrón poden atravesar barreiras de activación, aínda que o modelo detunnelingde protóns sexa controvertido,tendo sido non obstante observado natriptamina .Estes modelos suxiren que a catálise enzimática posiblemente pode describirse mellor en termos de "atravesar un barreira" en detrimento do modelo tradicional de "pasar por riba" dunha barreira enerxética diminuída.

Inhibición

Os inhibidores competitivos líganse de maneira reversible ao enzima, prevenindo a unión do substrato. Por outro lado, a unión do substrato prevén a unión do inhibidor. O substrato e o inhibidor compiten polo enzima. a) Reacción normal, (b) Inhibición. S: substrato; E: enzima; I: inhibidor; A: centro activo. (1) O substrato lígase ao enzima; (2) O enzima libera produtos; (3) O inhibidor lígase ao enzima; (4) O inhibidor compite co substrato.

Artigo principal:Inhibidor enzimático.

As taxas de reacción enzimáticas poden ser diminuídas por acción de varios tipos deinhibidores enzimáticos.

Inhibición competitiva

Na inhibición competitiva, o inhibidor e o substrato compiten polo enzima, isto é, non se poden unir ao mesmo tempo ao enzima. Os inhibidores son moitas veces semellantes ao substrato do enzima. Por exemplo, ometotrexatoé un inhibidor competitivo do enzimadihidrofolato redutase,que cataliza a redución dodihidrofolatoatetrahidrofolato.A similitude entre as estruturas do ácido fólico e desta droga móstranse na figura adxacente. Na inhibición competitiva, a velocidade máxima da reacción non se ve alterada, pero requírense niveis máis altos de concentración do substrato para atinguir unha determinada velocidade máxima, aumentando o K_Maparente. Na inhibición competitiva aumentando a concentración de substrato pode reverterse a inhibición.

Inhibición acompetitiva ou incompetitiva

Na inhibición acompetitiva, o inhibidor non se pode ligar ao enzima no estado libre, senón soamente ao complexo E-S. O complexo E-I-S así formado, é enzimaticamente inactivo. Este tipo de inhibición é raro, mais pode ocorrer en enzimasmultiméricos.

Inhibición non-competitiva

Os inhibidores non-competitivos poden ligarse ao enzima e ao substrato ao mesmo tempo, ou sexa, nunca se ligan ao sitio activo. Quer o complexo E-I, quer o complexo E-I-S, son enzimaticamente inactivos. Tanto o K_Maparente como o V_maxcambian neste caso, pois o inhibidor non pode ser desligado do enzima por un aumento da con•centración de substrato (en contraste co que acontece na inhibición competitiva).

Inhibición mixta

Este tipo de inhibición aseméllase á inhibición non-competitiva. Neste caso, o complexo E-I-S posúe actividade enzimática residual.

En moitos organismos, os inhibidores poden actuar como parte do mecanismo deretroalimentación.Se un enzima produce unha determinada substancia en demasía, esa substancia poderá actuar como inhibidor do enzima, no inicio davíaque a produce, causando a redución ou parada da produción da substancia cando esta se acumula. Esta é unha forma deretroalimentación negativa.Enzimas que están suxeitos a esta forma de regulación son moitas veces multiméricos e posúen sitios de uniónalostéricospara substancias reguladoras. Os seus gráficos substrato/velocidade non teñen a formahiperbólicasenón forma sigmoide (curva en forma deS)

O ácido fólico (á esquerda) e a droga anticanceríxena metotrexato son semellantes na súa estrutura. Como resultado, o metotrexato é un inhibidor competitivo de moitos dos enzimas que utilizan os folatos.

Os inhibidores irreversibles reaccionan co enzima e formamenlaces covalentescoacadea polipeptídica.Este tipo de inactivación é irreversible. Un exemplo de inhibidor irreversible é a eflornitina, unha substancia utilizada no tratamento da doenza do sono.Apenicilinae aaspirinatamén actúan deste modo. Nestes casos, o composto lígase ao centro activo e o enzima convérteo a unha forma activada que reacciona irreversibelmente cun ou máis residuos deaminoácidos.

Usos de inactivadores

Os inactivadores son moitas veces usados comomedicamentos,mais tamén poden actuar comovelenos.De todos os xeitos, a diferenza entre un medicamento e un veleno é normalmente unha cuestión de dose, visto que a maior parte dos medicamentos e drogas son tóxicas a partir de certo nivel. Como dixoParacelso:"Todas as cousas son un veleno e nada existe sen veleno, só a dose é razón para que unha cousa non sexa un veleno"Igualmente, osantibióticose outras drogas antiinfecciosasson simplemente velenos que matan o axente patogénico e non ohospedeirodeste.

Un exemplo dun inactivador que é usado como medicamento é aaspirina,que inhibe aciclooxixenase 1e aciclooxixenase 2,que son enzimas que producen un mensaxeiro que actúa en casos deinflamación,neste caso unhaprostaglandina,suprimindo así a dor e a inflamación. Ocianuroé un inactivador enzimático irreversible, que se combina concobreecincnositio activodo enzimacitocromo c oxidase,bloqueando arespiración celular.

Funcións biolóxicas

A acción da luciferase inducebioluminescencianosvagalumes

Os enzimas exercen unha gran variedade de funcións nos organismos vivos. Son indispensables para atransdución de sinais,na regulación celular, moitas veces por acción dequinasesefosfatases.A través da súa acción poden xerar movemento, como no caso damiosinaque hidrolizaATP,xerandocontraccións musculares.Tamén moven carga a través da célula, a través da acción docitoesqueleto.Algúns enzimas son ATPases (funcionan comobombas iónicas), que se localizan namembrana celular,estando implicadas no proceso dotransporte activo.Algunhas funcións máis exóticas son tamén operadas por enzimas, como é o caso daluciferaseque xera luz nosvagalumes.Osviruspoden conter enzimas que os axudan na infección de células (HIV-integraseetranscriptase inversa) ou na liberación celular de virus (neuraminidaseno virusinfluenza).

Os enzimas exercen importantes funcións noaparato dixestivodos animais. Enzimas como asamilaseseproteases,rompen grandes moléculas como oamidóneproteínas,respectivamente, en moléculas de menores dimensións, de maneira a que estas poidan ser absorbidas nointestino.O amidón non é absorbible no intestino, mais os enzimas hidrolizan as cadeas de amidón en moléculas menores tales como amaltosae aglicosa,posibilitando desta maneira a súa absorción. Diferentes enzimas actúan sobre diferentes tipos de alimento. Nosruminantes,que posúen unha dietaherbívora,as bacterias do seu aparato dixestivo producen un enzima denominadocelulaseque rompe as paredes celulares das células vexetais.

Os enzimas poden traballar en conxunto, seguindo unha orde de actuación específica. Desta maneira poden formarvías metabólicas.Nestas vías, un enzima procesa o produto da acción doutro enzima como o seu substrato. Despois da reacción catalítica, o produto é entregado ao seguinte enzima da vía. Ás veces, máis dun enzima pode catalizar a mesma reacción, en paralelo. Isto permite unha regulación máis complexa:

Os enzimas determinan os sucesivos pasos das vías metabólicas. Sen a presenza de enzimas, o metabolismo non progresaría a través dos mesmo pasos, nin sería suficientemente rápido servir ás necesidades da célula. De feito, unha vía metabólica tan importante como aglicólisenon podería existir sen a presenza de enzimas. A glicosa, por exemplo, pode reaccionar directamente co ATP para dar orixe a un produtofosforiladonun ou máis carbonos. Na ausencia de enzimas, este proceso é tán lento que se volve insignificante. Polo contrario, se adicionamos o enzimahexoquinase,estas reacción lentas continúan a ser efectuadas, mais a fosforilación do carbono número 6 ocorre de maneira tan rápida que, se testamos a mestura pouco tempo despois, aglicosa-6-fosfatoé o único produto significativo. Consecuentemente, pódese dicir que a rede de vías metabólicas existentes dentro de cada célula depende do conxunto de enzimas funcionais que están presentes.

Control da actividade

A actividade enzimática na célula é controlada de cinco maneiras principais:

1. Aprodución de enzima(transcriciónetraducióndosxenesquecodificano enzima) pode ser aumentada ou diminuída pola célula en resposta a cambios no ambiente celular. Esta forma deregulación xenéticaé designada como indución ou inhibición da expresión enzimática. Por exemplo, asbacteriaspoden desenvolverresistencia a antibióticoscomo apenicilinaporque son inducidas enzimas (β-lactamases) que hidrolizan o anel β-lactámico presente na estrutura do antibiótico e esencial para a súa actividade biolóxica. Outro exemplo é a importancia dos enzimashepáticoscitocromo P450 oxidases,implicadas nometabolismo de desintoxicacióndexenobióticos.
2. Os enzimas poden encontrarse compartimentados, de modo que difentes vías metabólicas (ou partes de vías metabólicas) ocorran en diferentes compartimentos celulares. Por exemplo, osácidos graxosson sintetizados por un conxunto de enzimas nocitoplasma,noretículo endoplasmáticoe noaparato de Golgie usados por un conxunto diferente de enzimas como fonte de enerxía na mitocondria, a través daβ-oxidación.
3. Os enzimas poden ser regulados porinhibidores e activadores.Por exemplo, os produtos finais dunha vía metabólica dada son frecuentemente inhibidores dos enzimas que catalizan os primeiros pasos da vía (normalmente o primeiro paso factualmente irreversible), regulando así a cantidade de produto final producido pola vía. Este tipo de regulación denomínase mecanismo defeedback(ou retroalimentación) negativo porque a cantidade de produto final é regulada pola súa propiaconcentración.Na práctica, ofeedbacknegativo axusta a velocidade de síntese demetabolitosintermediarios da vía de acordo coa necesidade da célula. Este mecanismo axuda na distribución económica e eficiente de compostos, evitando a produción excesiva de produtos finais. Tal como outros mecanismoshomeostáticos,o control da actividade enzimática axuda no mantemento dun ambiente interno estable en organismos vivos.
4. Os enzimas poden ser regulados a través da súamodificación postraducional.Este tipo de modificación inclúe afosforilación,amiristoilacióne aglicosilación.Por exemplo, a fosforilación de diversos enzimas, como aglicóxeno sintase,en resposta a un sinal dainsulina,axuda no control da síntese ou degradación doglicóxenoe permite a resposta celular a variacións daglicemia.Outro exemplo é a rotura dacadea polipeptídicadaquimotripsina,unhaproteasedixestivaque é producida nunha forma inactiva (quimotripsinóxeno) nopáncrease transportada entón aoestómago,onde se activa. Este mecanismo evita a dixestión de tecidos pancreáticos (ou outros) pola quimotripsina antes de entrar no tracto dixestivo. Este tipo de precursor inactivo dun enzima denomínasezimóxeno.
5. Algúns enzimas actívanse cando soncolocadas nun ambiente diferente(por exemplo, pasan dun ambiente citoplasmáticoredutora un ambienteperiplasmáticooxidativo). Un exemplo encóntrase nahemaglutininadosvirusInfluenza(virus dagripe), que sofre un cambio conformacional cando encontra o ambienteacídicode vesículas da célula hospedeira, provocando a súa activación.

Implicación en doenzas

Fenilalanina hidroxilase.PDB 1KW0

Dado que o control da actividade enzimática é esencial para ahomeostase,calquera alteración en xenes que codifiquen enzimas (mutacións ou delecións) poderá ter como efecto a aparición dedoenzas xenéticas.A importancia dos enzimas está demostrada polo feito de que unha doenza letal pode ser causada polo mal funcionamento dun único tipo de enzima entre os millares que están presentes no corpo humano.

Un exemplo diso é que o acontece co tipo mais común defenilcetonuria.Unhamutaciónnun único aminoácido do enzimafenilalanina hidroxilase,que cataliza o primeiro paso na degradación dafenilalanina,ten como resultado a acumulación da fenilalanina e dos produtos asociados. Isto pode causaratraso mentalse a doenza non for tratada.

Outro exemplo acontece cando mutacións en xenes que codifican enzimas que interveñen nareparación do DNAcausan certas síndromes decancrohereditario, tal como oxeroderma pigmentoso.Defectos nestes enzimas diminúen a habilidade do noso organismo para reparar mutacións no xenoma. Isto causa unha lenta acumulación de mutacións e resulta no posible desenvolvemento de moitos tipos decancrono paciente.

Nomenclatura

A determinación do nome dos enzimas está normatizada por un comité especializado, oNomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology (NC-IUBMB).

Clases de enzimas

Clase 1	Oxidorredutases	catalizan reaccións de oxirredución, transferindo electrons, hidruros (H-) ou protóns (H+).
Clase 2	Transferases	Transfiren grupos químicos entre moléculas.
Clase 3	Hidrolases	Utilizan a auga como receptor degrupos funcionaisdoutras moléculas.
Clase 4	Liases	Forman ou destrúen dobres enlaces, respectivamente retirando ou adicionando grupos funcionais.
Clase 5	Isomerases	Transforman unha molécula nun isómero seu.
Clase 6	Ligases	Forman enlaces químicos por reaccións de condensación, consumindo enerxía en forma de ATP.

A partir destas categorías principais, os enzimas aínda son subdivididos noutras categorías, podendo ser identificados polo seunúmero EC;por exemplo,EC 5.4.2.2é afosfoglicomutase.

Aplicacións

Enzimas dixestivos tales como aamilase,proteaseelipase,reducen os alimentos a compoñentes menores que son máis facilmente absorbidos notracto dixestivo.

Os enzimas fan unha grande contribución a numerosas industrias. Enzimas que procesan os alimentos tales como a glicoamilase poden reducir o alimento a glicosa.

Unha aplicación industrial importante é a produción deantibióticosa larga escala. Encóntranse tamén determinados tipos de enzimas en produtos de limpeza, para axudar a dixerir graxas e proteínas presentes en nódoas.

Tamén se usan en investigación de laboratorio e na medición de concentracións de substancias con interese clínico (Patoloxía Clínica, análises clínicas).

Véxase tamén

Outros artigos

• Ribozima
• Isoenzima
• Pseudoenzima
• Biosíntese
• Pregamento de proteínas
• Desnaturalización (bioquímica)
• Metaloproteína
• Abzima