enzimas i

Tema 7. Enzimas Bioquímica 

TEMA 7 

ENZIMAS I 

1. Introducción 

2. Las enzimas como catalizadores 

3. Nomenclatura y clasificación de enzimas 

4. Cofactores enzimáticos 

5. Modelos de actuación de las enzimas 

1. Introducción 

La vida depende de la existencia de unos catalizadores muy potentes y altamente 

específicos denominados enzimas. De hecho, todos los pasos de todos los 

procesos metabólicos están catalizados por enzimas y la capacidad catalítica se 

considera, junto con la capacidad de autorreplicación, una de las características 

fundamentales de la vida. Con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de 

RNA catalítico (los ribozimas), todas las enzimas conocidas son proteínas. 

El nombre de enzima ("en la levadura") no se empleó hasta 1877, pero mucho antes 

ya se sospechaba que ciertos catalizadores biológicos intervenían en muchos 

procesos. Así en 1850, Louis Pasteur concluyó que la fermentación de azúcar en 

alcohol por levaduras estaba catalizada por lo que llamó “fermentos”, que él 

consideraba inseparable de las células de levadura vivas. En 1897, Büchner, 

consiguió extraer las enzimas que catalizaban la fermentación alcohólica de las 

células de levadura, terminando así con la teoría vitalista. No obstante hubo que 

esperar hasta 1926, cuando Sumner consiguió purificar y cristalizar por primera vez 

una enzima, la ureasa, para demostrar su naturaleza proteica. En la actualidad se 

conocen más de 2000 enzimas diferentes, muchas de las cuales se han aislado en 

forma pura. Se utilizan potentes técnicas de purificación y secuenciación, técnicas de 

difracción de rayos X, RMN, etc., para conocer su estructura, y técnicas de 

mutagénesis dirigida para conocer más sobre su funcionalidad y sus mecanismos de 

actuación. 

2. Las enzimas como catalizadores 

72


La función principal de las enzimas es actuar como catalizadores de las reacciones 

de los seres vivos; Las reacciones necesarias para la célula (digestión de alimentos, 

envío de señales, contracciones musculares) sencillamente no se darían en 

ausencia de catalizadores. La enzima a través de su sitio activo propociona el 

ambiente especifico para hacer energéticamente más favorables reacciones que en 

ausencia de catalizadora serían inviables. Aunque tiene ciertas peculariedades (alta 

eficiencia, especificad, capacidad de regulación,..) siguen los principios generales de 

la catálisis química. 

Todas las reacciones químicas tienen lugar porque cierta fracción de la población de 

moléculas reactantes poseen la suficiente energía como para alcanzar un estado 

activado, llamado estado de transición, en el que es muy elevada la probabilidad 

de que se rompan o se establezcan enlaces para formar los productos. Este estado 

de transición reside en la cima de la barrera energética que separa los reactantes de 

los productos, como muestra la Figura 1. En ella se observa el diagrama de energía 

para una reacción química, no catalizada y catalizada, donde la energía libre de 

activación es la cantidad de energía necesaria para llevar todas las moléculas de un 

mol de sustancia, a una temperatura determinada, al estado de transición. 

Figura 1. 

Evolución energética de una reacción química. Se observa la diferencia energética 

entre los estados de transición de las reacciones catalizada y no catalizada. 

Existen dos métodos generales mediante los cuales puede acelerarse la velocidad 

de una reacción química. Uno de ellos es la elevación de la temperatura (ya que 

provoca un incremento en la velocidad de las moléculas); el otro consiste en utilizar 

un catalizador. El catalizador se combina con los reactantes de modo transitorio 

activándolos, produciendo un estado de transición de menor energía que en la 

reacción no catalizada. Una vez formados los productos el catalizador queda libre, y 

puede ser de nuevo utilizado. 

73


La Tabla 1 muestra una comparación de las energías de activación para la 

descomposición del peróxido de hidrógeno, en ausencia o presencia de un 

catalizador. En ella se puede apreciar cómo el catalizador enzimático baja aún más 

la barrera energética que ha de superarse desde el nivel de reactivos para alcanzar 

el estado de transición. Esta es una característica común de las enzimas. Su alto 

poder catalítico se debe en parte a su alta especificidad por los sustratos, la cuál 

puede ser absoluta para un único sustrato o relativa, cuando permite la reacción de 

compuestos diferentes pero con una estructura similar. 

Tabla 1 

Descomposición enzimática del agua oxigenada. comparación de 

las energías de activación para la descomposición del peróxido de 

hidrógeno, en ausencia o presencia de un catalizador 

Reacción Catalizador Temperatura 

(ºC) 

Descomposición 

de H 2 O 2 

Ninguno 

Fe2+ Fe2+ Fe2+ Fe2+ Catalasa 

20 

22 

22 

Energía 

(Kcal/mol) 

La especificidad de las enzimas es muy importante para los seres vivos. Cada célula 

contiene varios cientos de miles de compuestos diferentes, y existen muchas 

combinaciones posibles entre las reacciones químicas que estos compuestos 

pueden experimentar. Las enzimas cuidan de que tengan lugar, de manera 

específica, aquellas reacciones que son esenciales e indispensables para que la 

célula viva. 

Los catalizadores intervienen en la reacción pero no en su balance pues no 

aparecen como productos iniciales ni finales de modo que no alteran el incremento 

de energía libre y por tanto la termodinámica de la reacción. 

∆ 

o 

G = −RT 

ln 

K 

e 

18 

10 

1,7 

74


La constante de velocidad aplicando la teoría del estado de transición como veremos 

puede expresarse como 

[ S1][ 

S2 

V = k ] 

k = 

KT 

h 

e 

≠ 

−∆G 

/ RT 

siendo K la constante de Boltzmann y h la de Planck. Hay una relación inversa entre 

la constante de velocidad y la energía de activación. 

Además de la especificidad y la alta eficiencia, otras dos características que 

diferencian a las enzimas de los catalizadores químicos, son que las enzimas 

pueden saturarse por sustrato y tienen capacidad para regular su actividad. 

3. Nomenclatura y clasificación de las enzimas 

Muchas enzimas han sido designadas añadiendo el sufijo -asa al nombre del 

sustrato, es decir, la molécula sobre la cuál ejerce su actividad catalítica. Por 

ejemplo la ureasa cataliza la hidrólisis de la urea, y la arginasa cataliza la hidrólisis 

de la arginina (a urea y ornitina). Otras enzimas han recibido su nombre en función 

del tipo de reacción que catalizan; así la Gliceraldehído-3P-deshidrogenasa cataliza 

la oxidación del la Gliceraldehído-3P. Incluso algunas se conocen de hace mucho 

tiempo y mantienen su nombre, sin dar información alguna del sustrato o la reacción 

que catalizan (tripsina). 

No obstante existe una clasificación sistemática de las enzimas que las divide en 

6 grandes grupos, cada uno de los cuales se divide a su vez en subclases: 

1: Oxido-reductasas (reacciones de oxido-reducción) 

2: Transferasas (transfieren grupos funcionales) 

3: Hidrolasas (reacciones de hidrólisis), 

4: Liasas (reacciones de adición a los dobles enlaces) 

5: Isomerasas (reacciones de isomerización) 

6: Ligasas (formación de enlaces con consumo de ATP). 

A cada enzima se le asigna un número con cuatro componentes. Los tres primeros 

indican la clase, subclase y sub-subclase, respectivamente, y el último es un número 

75


de orden. Así, por ejemplo, la enzima alcohol deshidrogenasa, que cataliza la 

oxidación de etanol a acetaldehído, y por lo tanto pertenece al grupo 1, se designa 

como EC 1.1.1.1. La Tabla 2 muestra la clasificación internacional de las enzimas en 

los seis grupos antes citados. 

Tabla 2 

Clasificación internacional de enzimas. 

4. Cofactores enzimáticos 

La actividad de algunas enzimas depende solamente de su estructura como 

proteína, mientras que otras necesitan, además, uno o más componentes no 

proteicos, llamados cofactores. El cofactor puede ser un ion metálico o bien una 

molécula orgánica, llamada coenzima, aunque algunos enzimas necesitan de 

ambos. El cofactor puede estar fuertemente unido a la proteína (suele ser el ión 

metálico, aunque puede igualmente ser un coenzima) y recibe entonces el nombre 

de grupo prostético, o débilmente unido, por lo que en realidad actúa como un 

sustrato específico de la enzima (co-sustrato; suele ser una molécula orgánica, 

coenzima). La Tabla 3 muestra una relación de iones metálicos que actúan como 

cofactores de enzimas. 

76


Tabla 3 

Iones metálicos como cofactores. 

La Tabla 4 muestra algunos de los coenzimas más habituales en la catálisis 

enzimática. 

Tabla 4 

Algunos coenzimas mayoritarios en catálisis enzimática. 

77


El complejo enzima-cofactor catalíticamente activo recibe el nombre de holoenzima. 

Cuando se separa el cofactor, la proteína restante, que por sí misma es inactiva 

catalíticamente, se designa con el nombre de apoenzima. 

Holoenzima 

HOLOENZIMA = APOENZIMA + COFACTOR 

Centro activo 

Apoenzima 

Cofactor 

En las enzimas el cofactor puede actuar como centro catalítico primario, grupo 

puente para reunir el sustrato y la enzima ó agente estabilizante de la actividad 

enzimática (conformación). 

Por su parte cada uno de los coenzimas catalogados suele contener en su 

estructura, alguna vitamina (sustancias orgánicas que, en cantidades mínimas, son 

vitales para el funcionamiento de todas las células, y deben figurar en la dieta de 

algunas especies) o molécula derivada de ella. Los coenzimas actúan por lo general 

como transportadores intermedios de átomos específicos o de electrones. 

5. Modelos de actuación de las enzimas 

Las enzimas son catalizadores extraordinarios, consiguen enormes aumentos de la 

velocidad de la reacción y son altamente selectivos. Como consiguen un descenso 

tan espectacular de las energías de activación?. Para explicar la actividad catalítica 

de las enzimas, se ha propuesto un mecanismo general, en dos etapas: 

S + E ES P + E 

En la primera etapa, la enzima (E) se une a la molécula de sustrato (S), para formar 

el complejo enzima-sustrato (ES). En una segunda etapa, el complejo se fragmenta 

78


dando lugar al producto (P) y a la enzima (E), que vuelve a estar disponible para 

reaccionar con otra molécula de sustrato. Por lo general, la molécula de enzima es 

mucho mayor que la del sustrato por lo que sólo una pequeña parte de la enzima 

está implicada en la formación del complejo; esta región que interacciona con el 

sustrato y en la que tiene lugar la reacción, se denomina sitio activo de la enzima. 

El sitio activo es una región tridimensional de la enzima con una distribución de los 

grupos única para posibilitar la unión a su sustrato específico. Dichos grupos del 

enzima no tienen por qué ser necesariamente consecutivos en la secuencia de la 

proteína y reciben el nombre de centros catalíticos. En la figura podemos ver los 

centros catalíticos (Arg-145, Glu-270, tyr-248) y el cofactor (Zn) que conforman el 

sitio activo de la enzima carboxipeptidasa, implicada en la hidrólisis del extremo C 

terminal de las proteínas. 

Figura 2. 

Sitio activo de la carboxipeptidasa 

El modelo más conocido sobre el mecanismo de reacción de las enzimas es el de 

Fischer, quien propuso que la molécula de sustrato se adapta al centro activo de la 

enzima del mismo modo que lo haría una llave al encajar en una cerradura, es decir, 

que tienen una relación estructural complementaria (Figura 3). No obstante, esta 

hipótesis tiene ciertas limitaciones: si el centro activo posee una estructura 

prediseñada para el sustrato, en caso de que sea reversible el proceso dicho debería 

estar perfectamente diseñado para que también encaje el producto de la reacción. 

De la misma forma, la teoría de la llave-cerradura tampoco explica bien el fenómeno 

de la inhibición enzimática. 

Figura 3. 

Modelos de acción enzimática. Modelo llave-cerradura de Fischer. 

79


Otra hipótesis más aceptada actualmente es la del enzima flexible o de ajuste 

inducido (modelo de Koshland), que sugiere que el sitio activo no necesita ser una 

cavidad geométricamente rígida y preexistente, sino que dicho sitio activo debe tener 

una disposición espacial, precisa y específica, de ciertos grupos de la enzima que en 

presencia del sustrato se adaptan a su estructura cuando interaccionan con él 

(Figura 4). 

Figura 4. 

Modelos de acción enzimática. Modelo de ajuste inducido de Koshland. 

Independientemente del modelo, una vez formado el complejo enzima sustrato, 

mediante un mecanismo de distorsión, se activan los enlaces que hay que romper y 

se aproximan los grupos que hay que enlazar, favoreciendo la formación del 

producto resultante de la reacción catalizada y quedando la enzima libre para 

comenzar de nuevo el proceso catalítico. La Figura 5 muestra el caso de una enzima 

(hexoquinasa) que nos sirve para ilustrar el modelo de Koshland, en ella se puede 

ver como en el sitio activo posee una conformación inicial que se modifica al 

interaccionar con el sustrato y formal el complejo [ES]. 

Figura 5. 

Modelo de ajuste inducido de Koshland. Hexokinasa. 

80


6. Enzimas no proteícas: ribozimas y deoxiribozimas 

Hasta hace poco se suponía que todas las reacciones de catálisis bioquímica se 

llevaba a cabo por proteínas, pero en 1983 Altman y sus colaboradores descubrieron 

que la parte proteíca de la ribonucleasa P por si sola no era activa, mientras que el 

supuesto cofactor de ARN de esta enzima si podía por si solo catalizar la reacción. 

El complejo ARN-proteíco ribonucleasa P fragmenta los precursores de los ARNt 

para producir ARNt funcionales. Se comprobó que la parte ribonucleica del complejo 

(en presencia de Magnesio) no solo era capaz de fragmentar la molécula, sino que 

además obedecía a la cinética de Michaelis-Menten. 

Después de estos primeros ejemplos se han descrito un gran numero de ARN con 

propiedades catalíticas, como la actividad peptidil transferasa que cataliza la 

formación del enlace peptídico durante la síntesis de péptidos en los ribosomas 

parece que recae en la parte no proteíca de la subunidad 50S. 

Esto aunque en principio pareció sorprendene no lo es tanto. El hecho de que el 

ARN posea capacidad de autorreplicación y catálisis confirma el papel primordial de 

estas moléculas en la evolución. La vida podría haberse basado en el ARN antes de 

la aparición de las proteínas y el ADN. 

Muy recientemente (1994). Se ha descrito una desoxirribozoma. Una molécula de 

ADN monocatenario con Histidina como cofactor, capaz de hidrolizar el ADN. 

81

enzimas i

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?