Unidad 4 (4.4 – 4.6)

4.4. Enzimas

El término enzima deriva del griego en zymē, que significa “en el fermento”. Fue utilizado en el siglo XIX para tratar de explicar la fermentación alcohólica realizada por Saccharomyces cerevisiae.

Louis Pasteur aceptaba que la fermentación era catalizada por enzimas; pero postuló en 1860 que la función enzimática era una expresión de la célula viva, lo cual es falso.

Eduard Buchner (1860-1917)

Fue en 1897 cuando Eduard Buchner (1860-1917) no sólo aisló de células de levadura las enzimas que catalizan la fermentación alcohólica, a las cuales llamó en conjunto “zimasa”, sino que logró reproducir experimentalmente este ancestral proceso químico.

En 1926, James B. Sumner (1887-1955) aisló en forma cristalina pura la enzima ureasa. Cuatro años después, John Howard Northrop (1891-1987) demostró que las enzimas pepsina y tripsina son proteínas.

Finalmente, en 1982, Thomas R. Cech descubrió las propiedades catalíticas del ARN (sección 2.3.6).

Repasemos la definición de enzima, presentada en la sección 2.2.6.3.

Una enzima es una biomolécula, ya sea proteína o ácido nucleico, que cataliza una reacción química.

Ya que prácticamente todas las reacciones que ocurren en la célula están catalizadas por enzimas, el control de cada reacción se consigue por medio de la enzima que cataliza esa reacción.

La regulación de la expresión genética determina a través del tiempo el conjunto de enzimas que cada célula contiene, y esa regulación comúnmente se extiende a la cantidad de cada enzima en la célula. Adicionalmente, numerosas enzimas están especializadas en realizar funciones regulatorias, y ellas son de dos tipos:

a) Enzimas alostéricas.

b) Enzimas covalentemente reguladas.

Enzimas alostéricas. Además del sitio catalítico, las enzimas alostéricas poseen uno o varios sitios alostéricos para unión no covalente de ligandos específicos, llamados reguladores alostéricos, cuyo efecto aumenta (estimula) o disminuye (inhibe) la actividad enzimática. Por ejemplo, la enzima fosfofructocinasa es estimulada por AMP y ADP, e inhibida por ATP, NADH y citrato.

Enzimas covalentemente reguladas. Son enzimas que pasan de un estado activo a un estado inactivo, y viceversa, al ser modificadas covalentemente por otras enzimas. Por ejemplo, la enzima piruvato deshidrogenasa es activada por desfosforilación, y desactivada por fosforilación, además de ser inhibida (alostéricamente) por ATP.

En los inicios de la enzimología, las enzimas recibieron nombres como zimasa, ureasa o tripsina, que podían ser descriptivos o no de la función enzimática. Después, por convención, el nombre sistemático de cada enzima fue formado por tres partes:

a) El sustrato preferente.

b) La reacción que cataliza.

c) La terminación “asa”.

Así, glucocinasa significa: “Enzima que enlaza un grupo fosfato a la glucosa.”

En la actualidad, la nomenclatura de las enzimas consiste en las letras

EC, seguidas de cuatro dígitos separados por punto.

Por ejemplo, la glucocinasa se denomina técnicamente EC 2.7.1.2.

EC es el acrónimo de Enzyme Commission, comisión internacional sobre nomenclatura enzimática; el primer dígito (2) indica que la enzima está clasificada como transferasa; el segundo dígito (7), que el grupo transferido es fosfato; el tercer dígito (1), que el aceptor es un grupo –OH; y el cuarto dígito (2), que el grupo –OH aceptor es parte de la glucosa.

De acuerdo con esta nomenclatura, establecida por la International Union of Biochemistry and Molecular Biology (www.iubmb.org), todas las enzimas pueden clasificarse en estas seis clases:

1. Óxido-reductasas

2. Transferasas

3. Hidrolasas

4. Liasas

5. Isomerasas

6. Ligasas

Es frecuente que las enzimas funcionen en secuencia, catalizando reacciones consecutivas, en las que el producto de una enzima es el sustrato de la siguiente, y así sucesivamente. Esta alta organización resultó evolutivamente en la formación de complejos multienzimáticos, comúnmente constituidos por varias enzimas que actúan en secuencia, cada una haciendo una modificación química específica a su sustrato.

Son ejemplos de complejos multienzimáticos:

– Piruvato deshidrogenasa (sección 4.8).

– Complejos I, II, III y IV de la cadena respiratoria (sección 4.10).

– Ácido graso sintasa (sección 4.12.3).

4.5. Rutas metabólicas

En la célula ocurren simultáneamente cientos de diferentes reacciones catalizadas por enzimas, y todas ellas se realizan de manera coordinada, debido a la regulación establecida entre ellas y sus productos.

El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones catalizadas por enzimas que ocurren en la célula.

El término “metabolismo energético” refiere todas las reacciones relacionadas con la generación de energía y el uso de esa energía en procesos de síntesis.

El metabolismo está constituido por dos fases:

Síntesis. Es la fase de construcción, en la que moléculas pequeñas son transformadas enzimáticamente en moléculas grandes, útiles para realizar procesos celulares. Es sinónimo de anabolismo.

Degradación. Es la fase de destrucción, en la que moléculas grandes son transformadas enzimáticamente en moléculas pequeñas para suministrar energía a la célula. Es sinónimo de catabolismo.

Una forma de representar el metabolismo celular es por medio de mapas de rutas metabólicas.

Una ruta metabólica es una sucesión específica de reacciones químicas catalizadas por enzimas.

La alta organización de la célula permite identificar rutas metabólicas centrales, reacciones de conexión entre rutas y procesos celulares acoplados a rutas específicas.

Principios del metabolismo

1. Las rutas de síntesis y de degradación no son simplemente rutas inversas entre sí. Ambas pueden contener una o varias reacciones idénticas, pero siempre hay al menos una reacción diferente catalizada por una enzima regulatoria.

2. Las rutas de degradación son exergónicas y proceden en el sentido de formación de ATP. Las rutas de síntesis tienen que acoplarse a una fuente de energía, como la hidrólisis de ATP, para ser exergónicas y poder proceder.

3. Las rutas de síntesis y de degradación se regulan de manera independiente entre sí.

4. La compartimentación de procesos es también una forma de control del metabolismo.

4.6. Glucólisis

El principal producto de la fotosíntesis es la glucosa, y toda célula viva es capaz de degradar glucosa para obtener energía.

La glucólisis es la ruta metabólica que la célula realiza en el citosol, para obtener energía por degradación anaerobia de glucosa a piruvato.

La glucólisis consiste en estas 10 reacciones sucesivas:

1. Glucosa + ATP à Glucosa 6-fosfato + ADP + H+

La enzima alostérica hexocinasa (o la glucocinasa) adiciona un grupo fosfato a la glucosa. La glucosa 6-fosfato ya no puede salir de la célula por difusión simple.

2. Glucosa 6-fosfato ß à Fructosa 6-fosfato

La enzima glucosa 6-fosfato isomerasa transforma reversiblemente a la glucosa 6-fosfato en fructosa 6-fosfato.

3. Fructosa 6-fosfato + ATP à Fructosa 1, 6-difosfato + ADP + H+

La enzima alostérica fosfofructocinasa adiciona un grupo fosfato a la fructosa 6-fosfato, y esta reacción es el punto de control más importante de la glucólisis.

4. Fructosa 1, 6-difosfato ß àDihidroxiacetona fosfato + Gliceraldehído 3-fosfato

La enzima fructosa 1, 6-difosfato aldolasa separa reversiblemente a la fructosa 1, 6-difosfato en dos triosas fosfato.

5. Dihidroxiacetona fosfato ß à Gliceraldehído 3-fosfato

La enzima triosa fosfato isomerasa transforma reversiblemente a la dihidroxiacetona fosfato en gliceraldehído 3-fosfato.

6. Gliceraldehído 3-fosfato + NAD+ + Pi ß à 1, 3-difosfoglicerato + NADH + H+

La enzima gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa cataliza la oxidación del gliceraldehído 3-fosfato, teniendo a NAD+ como aceptor de electrones.

7. 1, 3-Difosfoglicerato + ADP ß à 3-Fosfoglicerato + ATP

La enzima 3-fosfoglicerato cinasa transfiere el grupo 1-fosfato a ADP.

Así, en dos reacciones consecutivas, la energía de oxidación de un grupo aldehído a un grupo carboxilo se almacena en la forma de ATP, siendo la primera fosforilación por sustrato de la glucólisis.

8. 3-Fosfoglicerato ß à 2-Fosfoglicerato

La enzima 3-fosfoglicerato mutasa transfiere el grupo fosfato de la posición 3 a la posición 2.

9. 2-Fosfoglicerato ß à Fosfoenolpiruvato + H2O

La enzima enolasa elimina agua del 2-fosfoglicerato y forma un grupo enol fosfato.

10. Fosfoenolpiruvato + H+ + ADP à Piruvato + ATP

La enzima alostérica piruvato cinasa transfiere el grupo fosfato al ADP en la segunda fosforilación por sustrato de la glucólisis.

Resumen de la glucólisis

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ à 2 Piruvato + 2 H2O + 2 ADP + 2 NADH

Por cada molécula de glucosa que es degradada a piruvato y agua, la energía química obtenida se almacena en dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH.

Regulación de la glucólisis

El metabolismo celular está finamente regulado para mantener constante la razón ATP/ADP a través del tiempo.

Los puntos de control son reacciones irreversibles, catalizadas por enzimas alostéricas, cuya velocidad de reacción es estimulada o inhibida por reguladores alostéricos.

La principal enzima regulatoria de la glucólisis es fosfofructocinasa.

Cuando la célula tiene un nivel alto de ATP, y cada vez que NADH o citrato se acumulan, la glucólisis se frena. Por el contrario, cuando la célula tiene un nivel alto de AMP o ADP, y cada vez que glucosa 6-fosfato y fructosa 1, 6- difosfato se acumulan, la glucólisis se acelera.

La regulación es muy fina. La glucólisis procede automáticamente en función de las necesidades energéticas de la célula.

El piruvato es un punto central de conexión entre rutas metabólicas. Su destino depende principalmente de si la célula es aerobia o anaerobia y, por supuesto, de las necesidades energéticas de la célula.


Cuestionario de repaso

1. Son enzimas que poseen uno o varios sitios para la unión no covalente de ligandos llamados reguladores, cuyo efecto aumenta (estimula) o disminuye (inhibe) la actividad enzimática:

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2. Son enzimas que pasan de un estado activo a un estado inactivo, y viceversa, al ser modificadas covalentemente por otras enzimas:

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3. Es un conjunto de enzimas en un estado de agregación que funcionan en secuencia, de modo que el producto de una enzima es el sustrato de la siguiente, y así sucesivamente:

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4. Es el conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren en la célula:

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5. Es la fase metabólica de construcción, en la que moléculas pequeñas son transformadas enzimáticamente en moléculas grandes, útiles para realizar procesos celulares:

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6. Es la fase metabólica de destrucción, en la que moléculas grandes son transformadas enzimáticamente en moléculas pequeñas para suministrar energía a la célula:

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7. Es una sucesión específica de reacciones químicas, en donde el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente reacción:

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8. Indica cuál de los siguientes principios del metabolismo es falso:

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9. Es la ruta metabólica que la célula realiza en el citosol, para obtener energía por degradación anaerobia de glucosa a piruvato:

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10. Es la enzima alostérica que adiciona un grupo fosfato a la fructosa 6-fosfato (esta reacción es el punto de control más importante de la glucólisis):

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11. Indica cuál de las siguientes afirmaciones acerca de la glucólisis es falsa: A. Todas las células pueden degradar glucosa.

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