Ejercicio resuelto de Enzimas · Biología · Cantabria · 2020

Defina el concepto de «enzima» y comente los siguientes aspectos de los enzimas: tipo de biomoléculas al que pertenecen y funciones que desempeñan en la célula (ponga un ejemplo concreto). Describa el mecanismo de acción enzimática mediante un dibujo, indicando claramente en el mismo el papel que juega cada una de las partes que intervienen en el proceso. Sobre el mismo dibujo explique cómo se produce una inhibición competitiva y razone de qué manera se podría revertir o impedir esta inhibición. [2 puntos]

$\textbf{Defina el concepto de «enzima» y comente los siguientes aspectos de los enzimas: tipo de biomoléculas al que pertenecen y funciones que desempeñan en la célula (ponga un ejemplo concreto). Describa el mecanismo de acción enzimática mediante un dibujo, indicando claramente en el mismo el papel que juega cada una de las partes que intervienen en el proceso. Sobre el mismo dibujo explique cómo se produce una inhibición competitiva y razone de qué manera se podría revertir o impedir esta inhibición. [2 puntos]}$

Una ENZIMA es un biocatalizador: una molécula que acelera una reacción química propia del metabolismo sin consumirse en ella y sin alterar el equilibrio final de la reacción. Lo consigue rebajando la ENERGÍA DE ACTIVACIÓN, es decir, abriendo un camino de reacción que exige menos energía para alcanzar el estado de transición. Su eficacia es de varios órdenes de magnitud y su especificidad muy alta.

TIPO DE BIOMOLÉCULAS. Las enzimas son PROTEÍNAS: cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos y plegadas en una conformación tridimensional precisa. La actividad reside en la estructura TERCIARIA, de modo que cualquier agente desnaturalizante —calor, pH extremo, disolventes orgánicos, metales pesados— la inactiva de forma irreversible. Algunas son solo proteína y se llaman holoproteicas; otras necesitan un componente no proteico para funcionar y son heteroproteicas: en ellas se distingue la APOENZIMA, que es la fracción proteica e inactiva por sí sola, y el COFACTOR, que puede ser un ion metálico, un grupo prostético unido covalentemente o una coenzima. El conjunto de ambos, la HOLOENZIMA, es lo único activo. Hay que añadir una excepción: existen ARN con actividad catalítica, las RIBOZIMAS, como el ARN ribosómico que forma el enlace peptídico.

FUNCIONES EN LA CÉLULA. Su función es hacer POSIBLE el metabolismo. En las condiciones suaves de temperatura, presión y pH de una célula, las reacciones que sostienen la vida serían tan lentas que resultarían inútiles; son las enzimas las que las llevan a velocidades compatibles con la vida, sin necesidad de las altas temperaturas o los ácidos fuertes que un químico emplearía. Y además hacen el metabolismo REGULABLE: como cada paso lo cataliza una enzima distinta, activando o inhibiendo enzimas concretas la célula controla el flujo de cada ruta y lo ajusta a sus necesidades. Son, por tanto, a la vez el motor y el mando del metabolismo. A esto se añade su ESPECIFICIDAD, que evita que las reacciones se interfieran: cada enzima actúa sobre un sustrato o un grupo reducido de sustratos análogos.

Como ejemplo concreto, la CATALASA de los peroxisomas, que descompone el peróxido de hidrógeno —producto tóxico del metabolismo oxidativo— en agua y oxígeno:

$2\,\text{H}_2\text{O}_2 \longrightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$

Es una de las enzimas más rápidas conocidas: una sola molécula transforma millones de moléculas de sustrato por segundo. Otros ejemplos válidos son la amilasa salival, que hidroliza el almidón; la ADN polimerasa, que replica el ADN; o la ATP sintasa, que fosforila el ADP.



MECANISMO DE ACCIÓN, en la primera viñeta. Las partes que intervienen y su papel son estas. La ENZIMA aporta el CENTRO ACTIVO, un hueco formado por unos pocos aminoácidos que quedan próximos entre sí gracias al plegamiento de la cadena, aunque estén muy alejados en la secuencia; en él se distinguen los aminoácidos de FIJACIÓN, que sujetan el sustrato, y los CATALÍTICOS, que rompen o forman los enlaces. El SUSTRATO es la molécula sobre la que se actúa, y encaja en el centro activo por complementariedad de forma y de cargas. De su unión resulta el COMPLEJO ENZIMA-SUSTRATO, en el que el sustrato queda orientado y tensionado, y en el que a menudo la propia unión ajusta la forma del centro activo: es el modelo del AJUSTE INDUCIDO de Koshland, más exacto que el de la llave y la cerradura de Fischer. Finalmente el sustrato se convierte en PRODUCTO, este se libera y la enzima queda intacta y disponible para repetir el ciclo, lo que explica que baste una cantidad mínima de enzima para transformar mucho sustrato.

INHIBICIÓN COMPETITIVA, en la segunda viñeta. La produce una molécula que es un ANÁLOGO ESTRUCTURAL del sustrato: al parecerse a él, se une al MISMO centro activo, lo ocupa y el sustrato ya no puede entrar. Sustrato e inhibidor compiten así por el mismo sitio, y la fracción de enzima activa en cada instante depende de cuál de los dos gane la carrera. El efecto sobre la cinética es característico: la $K_m$ AUMENTA, porque hace falta más sustrato para alcanzar la mitad de la velocidad máxima, pero la $V_{max}$ NO CAMBIA.

CÓMO REVERTIRLA O IMPEDIRLA. Precisamente porque la competencia es por el mismo sitio, basta AUMENTAR LA CONCENTRACIÓN DE SUSTRATO. Si el sustrato es mucho más abundante que el inhibidor, la probabilidad de que sea él quien ocupe el centro activo crece hasta desplazarlo por completo, y la enzima recupera toda su velocidad máxima: es una inhibición REVERSIBLE que se vence por saturación. También se impide retirando el inhibidor del medio, o modificando el centro activo para que deje de reconocerlo. Lo que NO funciona es aumentar la cantidad de enzima: la velocidad sube, pero la proporción de centros activos bloqueados sigue siendo la misma.

Conviene contrastarlo con la inhibición NO COMPETITIVA, en la que el inhibidor se une a otro punto de la enzima y deforma el centro activo. Al no competir por el mismo sitio, añadir sustrato no sirve de nada: allí baja la $V_{max}$ y la $K_m$ no varía. Un caso conocido de inhibición competitiva es el tratamiento de la intoxicación por metanol con etanol, que compite con él por la alcohol deshidrogenasa.