Mecanismo general de catálisis enzimática

Todas reacciones químicas necesitan una energía de activación para poder romper los enlaces de unas sustancias iniciales, denominadas reactivos o sustratos (S), para transformarlas en unas sustancias finales o productos (P).

Las enzimas, como el resto de catalizadores, aceleran la velocidad de las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación. Así, reaccionan un mayor número de moléculas y la reacción se acelera.

La transformación de reactivo a producto no es directa, sino que hay un paso intermedio en el que el reactivo se activa, y sus enlaces se debilitan. Para llegar a este complejo activado es necesaria la energía de activación.

La velocidad de reacción es la cantidad de producto que se forma por unidad de tiempo en una reacción química.

La energía de activación es la energía que se debe suministrar a los reactivos para que la reacción se produzca.

By Gonn [Public domain], via Wikimedia Commons

Las enzimas se encargan de rebajar la energía de activación para llegar fácilmente al complejo activado y permitir que la reacción se realice. Sin la presencia de la enzima no sería posible alcanzar el estado de transición.

Esta energía de activación es necesaria tanto en las reacciones endotérmicas como exotérmicas para llegar al complejo activado, aunque, globalmente, unas necesitan energía y otras la desprenden.

En las reacciones espontáneas, la energía de activación es tan baja que se obtiene de la propia energía cinética de las moléculas o incluso de la luz que incide en el lugar de reacción. En las reacciones no espontáneas, es necesario aplicar calor para poder llegar a esa energía de activación, mucho más alta.

Las enzimas pueden actuar de dos formas:

• Fijándose al sustrato mediante enlaces fuertes (covalentes), para debilitar sus enlaces y que no sea necesaria tanta energía para romperlos.
• Atrayendo a los sustratos hacia la enzima para que aumente la posibilidad de encuentro y facilitar la reacción.

Las enzimas, después de la reacción, dejan libres los productos para poder unirse a otros sustratos. Las enzimas suelen formar complejos multienzimáticos, de forma que el producto de una enzima constituye el sustrato de la siguiente, por lo que no se necesita una alta concentración del sustrato.

En una reacción bioquímica catalizada por una enzima, siempre se produce la unión del sustrato a la enzima, formando el complejo enzima-sustrato, imprescindible para que la reacción química pueda llevarse a cabo. Se puede representar mediante la ecuación:

E + S → ES → E + P

Donde la E representa a la enzima, S al sustrato, P al producto de la reacción, y ES es el complejo intermedio enzima-sustrato.

Algunas enzimas no son operativas hasta que son activados por otras enzimas o iones, como por ejemplo, el pepsinógeno, que el HCl transforma en pepsina. Estas enzimas se denominan zimógenos o proenzimas.

Resumiendo, la enzima cataliza una reacción al unirse con el sustrato que puede resumirse en tres etapas:

1.- El sustrato se une a la apoenzima (parte proteica) formando el complejo enzima-sustrato (ES). Hay un alto grado de especificidad, de modo que para cada tipo de sustrato y de reacción se necesita una enzima concreta. Cada enzima puede catalizar un solo tipo de reacción, actuando sobre un único sustrato o grupo muy reducido de sustratos.

La especificidad enzimática se debe a la forma del centro activo de la apoenzima donde se acopla el sustrato. Antes se comparaba con el acoplamiento que existe entre una llave y su cerradura (teoría de la llave-cerradura), en el que todos los salientes y entrantes tienen que coincidir exactamente. Actualmente, parece más acertado el “ajuste o acoplamiento inducido”, donde el centro activo puede adaptarse al sustrato, algo parecido a lo que ocurre con un guante y una mano. La mano (el sustrato) hace que el guante (el centro activo) se adapte al introducirse en él.

La unión de la enzima al sustrato es reversible, pues una parte del complejo enzima sustrato (ES) se disocia y, debido precisamente a esa reversibilidad, esta primera etapa es más lenta.

E + S ↔ ES

Los radicales de los aminoácidos del centro activo se unen al sustrato debilitando sus enlaces, lo que hace pueda alcanzar más fácilmente el estado de transición.

2.- Una vez formado el complejo enzima-sustrato, el cofactor lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final (P). Esta etapa es muy rápida e irreversible.

ES → E+P

Si no hay 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. La coenzima puede liberarse intacta o liberarse quedando modificada.