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Especificidad
Recordemos que las enzimas son proteínas que catalizan o aceleran las reacciones bioquímicas. Contribuyen a una serie de funciones corporales, como el crecimiento y el desarrollo, la reproducción y numerosos procesos vitales.
Recapitulemos el ciclo catalítico de una enzima:
- El sustrato (S) se une a la enzima (E) en el sitio activo de la enzima, de forma que se produce un complejo enzima-sustrato altamente reactivo (ES).
- Se da una reacción que modifica al sustrato, el cual se convierte en producto y da lugar a un complejo enzima-producto (EP).
- El producto se separa de la enzima y esta queda libre para unirse a una nueva molécula de sustrato.
En consecuencia, toda la acción catalizadora de las enzimas se resume así: debido a que cumplen funciones muy puntuales, las enzimas son específicas para un sustrato (o un grupo de sustratos). De esta forma es que el sustrato puede unirse al sitio activo y la enzima cataliza la reacción correspondiente.
La especificidad enzimática es la capacidad de una enzima de distinguir un sustrato en particular. Gracias a su forma, carga y polaridad —entre otras características—, las enzimas se unen únicamente a los sustratos involucrados en determinadas reacciones.
La frecuencia con la que se unen las enzimas y los sustratos está directamente relacionada con la velocidad de reacción. Estas dos variables se pueden enlazar para cuantificar la eficiencia de una enzima; esta medida se conoce como constante de especificidad.
A continuación, veremos dos hipótesis o modelos que intentan explicar la especificidad enzima-sustrato.
El modelo de la llave-cerradura
En 1894, Emil Fischer propuso el modelo llave-cerradura para explicar la especificidad de una enzima con un único sustrato. El modelo establece que la enzima es la cerradura y el sustrato es la llave. Solo la llave con la forma y tamaño adecuado (sustrato) cabe en el ojo de la cerradura (sitio activo de la enzima).
Las llaves más pequeñas, más grandes o que tengan los dientes diferentes (moléculas de sustrato con una configuración que no se acoplan al sitio activo de la enzima) no encajan con la cerradura (enzima); por lo tanto, solo una llave con la forma correcta puede abrir una cerradura específica.
Teoría del ajuste inducido
Durante muchos años, los científicos pensaron que la unión entre la enzima y el sustrato se producía de una manera simple —tal y como lo indicaba el modelo llave-cerradura, descrito previamente—. Sin embargo, en 1958, Daniel Koshland sugirió el modelo de ajuste inducido, el cual es más ampliamente aceptado en la actualidad.
Esta sugiere un mecanismo más versátil: la conexión inicial entre la enzima y el sustrato es débil, pero provoca rápidos cambios conformacionales en la enzima, lo que da lugar a una unión más fuerte. En otras palabras, a medida que la enzima y el sustrato entran en contacto, se produce una pequeña alteración en la estructura de la enzima, lo que da como resultado una disposición que permite la unión perfecta entre la enzima y el sustrato.
Factores que afectan a la actividad enzimática
La actividad y funcionamiento de una enzima pueden verse afectadas por cambios, tanto químicos como físicos, en su entorno. Normalmente, estos factores impactan la actividad enzimática y modifican la estructura de la enzima; esto la desnaturaliza o afecta la velocidad de la reacción enzimática.
La desnaturalización se refiere a la pérdida de la forma de una proteína —específicamente, su estructura terciaria—, por lo cual ya no puede funcionar.
La concentración de la enzima y del sustrato, el pH, la temperatura y los moduladores enzimáticos son los principales factores que influyen la actividad catalizadora de enzimas durante las reacciones.
Concentración de la enzima
La velocidad de una reacción enzimática aumenta a medida que aumenta la concentración de la enzima. Esto se debe a que hay más moléculas de enzima disponibles para unirse al sustrato. Mientras haya un sustrato al cual unirse, el aumento de la concentración de la enzima acelerará la reacción.
Sin embargo, la reacción dejará de acelerarse, una vez que todo el sustrato se haya unido a la enzima, ya que no habrá nada a lo que puedan unirse las nuevas enzimas. La Figura 3 muestra que la velocidad de reacción es proporcional a la cantidad de enzima presente, siempre que haya disponibilidad de sustrato. Por eso, vemos una línea recta en el gráfico, donde el eje x es la concentración de enzima y el eje y es la velocidad de reacción.
Concentración de sustrato
La actividad de una enzima aumenta con el incremento de la concentración de sustrato, hasta alcanzar un límite máximo después del cual la velocidad de la reacción se mantiene constante. En otras palabras, aunque haya moléculas de sustrato sobrantes, cuando todas las moléculas de la enzima estén completamente saturadas con el sustrato, estas no reaccionarán. Cuando el sustrato que está unido a las enzimas haya reaccionado y se haya liberado, la enzima puede unirse nuevamente a más sustrato, así la velocidad de reacción se estabiliza.
Puedes ver que, en la Figura. 4, la velocidad de reacción aumenta, inicialmente. Sin embargo, la velocidad de reacción alcanza una meseta cuando todas las enzimas están ocupadas (que representa la estabilización de la velocidad de reacción).
Efecto del pH en la velocidad de reacción
Cada enzima tiene un determinado pH óptimo, en el que la velocidad de reacción es la más rápida posible; por ello, el pH influye enormemente en la actividad enzimática. El pH óptimo es cuando la actividad de una enzima específica está en su punto máximo. Cuando se representa en una gráfica la actividad enzimática en función del pH, aparece una curva en forma de campana (como muestra la Figura. 5). Esto es porque la actividad de la enzima se reduce mucho por debajo y por encima del pH óptimo (el cual es indicado por el punto más alto de la campana), hasta volverse completamente inactiva.
Las enzimas pueden tener, como parte de su estructura, grupos carboxílicos ácidos (COOH-) y grupos aminos básicos (NH2). En consecuencia, cambios en la concentración de protones (H+) afecta a las enzimas, al reaccionar con estos grupos. Para la mayoría de las enzimas, el pH óptimo para la actividad enzimática oscila entre 6 y 7, aunque hay algunas excepciones.
- La enzima amilasa salival es más activa a un pH de 6,8. La amilasa es producida principalmente por las glándulas salivales y el páncreas. Por encima y por debajo de este pH óptimo, la velocidad de reacción disminuye y la enzima se desnaturaliza. Debido a la elevada acidez de nuestros estómagos, una vez que la amilasa salival llega al estómago, deja de funcionar.
- El pH óptimo de la pepsina es de 1,8, un valor mucho más bajo (ácido). La pepsina, una proteasa, es la principal enzima que se encuentra en el jugo gástrico para la digestión de los alimentos. La pepsina actúa mejor a un pH bajo, porque el grupo ácido carboxílico en el sitio activo de la enzima debe estar protonado (unido a un átomo de hidrógeno).
- El pH óptimo de la tripsina es de 9, mucho más alto (básico). La tripsina es una enzima que ayuda a la digestión de las proteínas. La tripsina descompone las proteínas en el intestino delgado, continuando el proceso de digestión que comenzó en el estómago. También se conoce como proteinasa o enzima proteolítica.
Efectos de la temperatura en la velocidad de reacción
Para maximizar la actividad de la enzima, se requiere un rango de temperatura óptimo. Las temperaturas superiores o inferiores al rango óptimo provocan una disminución de la actividad enzimática. Las temperaturas demasiado altas provocan la desnaturalización de las enzimas.
- Las temperaturas entre 37 y 45 son los valores óptimos de temperatura para la mayoría de las enzimas, es decir, las temperaturas a las cuales son más activas. Por ejemplo, la mayoría de las enzimas del cuerpo humano tienen una temperatura óptima de 37 °C y se desnaturalizan o destruyen a temperaturas más altas.
- Sin embargo, hay algunas excepciones; por ejemplo, en los microorganismos extremófilos (que viven en condiciones extremas). Algunas enzimas, como la Taq ADN polimerasa, que se encuentra en las bacterias hipertermófilas (con temperaturas de crecimiento óptimas mayores a 80 °C), son activas a temperaturas de hasta 100 °C.
Regulación enzimática
Debido al papel que cumplen las enzimas dentro de los procesos vitales de los organismos, su regulación es un mecanismo celular crucial. La regulación enzimática asegura que no se desperdicien componentes vitales en la producción de enzimas o sustratos innecesarios, y que solo se lleve a cabo una reacción enzimática en el momento y durante el tiempo adecuado. Existen varios mecanismos de regulación enzimática:
- Por concentración de sustrato o enzima.
- Por inhibición por retroalimentación: En rutas metabólicas que son secuenciales (ocurren varias reacciones en cadena), el producto final puede inhibir la primera enzima de la ruta, lo que deteniene la secuencia.
- Por cambio en la conformación de la enzima: este tipo de cambios ocasionan la activación/desactivación de la enzima. Al cambiar la conformación del sitio activo, el sustrato ya no puede unirse. Esto puede llevarse a cabo por medio de la concentración de pH, moduladores, presencia de iones específicos, etc.
Activadores de enzimas (también conocidos como coenzimas,), como los iones metálicos, son necesarios para una actividad enzimática óptima.
- El ion cloruro, por ejemplo, es necesario para que la amilasa funcione.
- Los iones metálicos o los cofactores, por ejemplo, son necesarios para regular o iniciar la actividad catalítica de varias enzimas.
Tipos de inhibición enzimática
Como acabamos de ver, la inhibición de enzimas es parte del proceso natural de regulación que ocurre constantemente en las células. Sin embargo, debido a su capacidad de ser inhibidas, también pueden ser afectadas por otros factores fuera de la regulación celular.
En relación con el impacto temporal en la función de la enzima, la inhibición enzimática puede clasificarse como inhibición reversible o irreversible.
Inhibidores irreversibles
Los inhibidores irreversibles se unen a una enzima con una fuerte conexión covalente. Estos inhibidores pueden actuar en el sitio activo, cerca o lejos de él. En cualquier caso, la estructura básica de la enzima se altera hasta el punto de que deja de funcionar.
En palabras sencillas, el inhibidor se une fuertemente a la enzima y no se disocia de ella. Muchas sustancias tóxicas funcionan como inhibidores irreversibles, pudiendo causar la muerte de un organismo. Por el contrario, otros inhibidores enzimáticos pueden utilizarse como fármacos en el tratamiento de diversas enfermedades. Por ejemplo, algunos fármacos antimicrobianos son inhibidores enzimáticos que desactivan las enzimas necesarias para la supervivencia de los patógenos.
La penicilina actúa como inhibidor, al unirse a la enzima transpeptidasa —responsable de la formación de la pared celular bacteriana—. Como resultado de la interacción del fármaco con la enzima, la penicilina interrumpe la formación de la pared celular y así mata a la bacteria.
Inhibidores reversibles
En la inhibición reversible, el inhibidor se disocia rápidamente del complejo enzima-inhibidor, por lo que el efecto es transitorio. Hay dos tipos de inhibiciones reversibles: competitivos y no competitivos (Fig. 7).
Inhibición enzimática competitiva
Cuando un inhibidor y un sustrato compiten para unirse a la enzima, se habla de inhibición competitiva. Cualquier molécula con una estructura química y una geometría molecular similar a la del sustrato puede usarse como inhibidor competitivo. La inhibición competitiva suele ser temporal y reversible.
La sulfanilamida se une al sitio activo de la enzima dihidropteroato sintasa (DHPS), imitando el sustrato del ácido paraaminobenzoico (PABA) y compitiendo con él por la enzima. Esto impide la unión del sustrato, lo que detiene la producción de ácido fólico, un nutriente esencial. Sin ácido fólico, las bacterias no pueden crecer ni dividirse; por lo tanto, debido a la inhibición competitiva de las sulfamidas, estas son excelentes agentes antibacterianos.
Inhibición enzimática no competitiva
Los inhibidores no competitivos se unen a la enzima en un lugar diferente al sitio activo, por lo que no compiten con el sustrato; sin embargo, sí provocan que el sitio activo cambie de forma e impiden que el sustrato se una a él. Durante la inhibición no competitiva, la enzima puede formar complejos con el sustrato, con el inhibidor o con ambos.
Alosterismo
Hay enzimas que tienen otros sitios de unión, además del sitio de activación (denominados sitios alostéricos), a los cuales pueden unirse moléculas llamadas reguladores alostéricos.
El proceso de unión de un regulador alostérico a una enzima alostérica se denomina alosterismo.
La unión a un sitio alostérico hace que la estructura terciaria tridimensional de la enzima se distorsione, al ser un tipo de regulación por cambio de conformación de la enzima, llamado efecto alostérico. Un regulador alostérico puede ser inhibidor, e impedir la reacción enzimática; o activador, y gatillar la actividad de la enzima.
La piruvato quinasa cataliza la conversión del fosfoenol en piruvato durante la glucólisis (desintegración de la glucosa). El aminoácido alanina, producido a partir del piruvato, inhibe la enzima piruvato quinasa durante la glucólisis. La alanina es un inhibidor no competitivo, porque se une a un sitio alostérico.
Por lo tanto, podemos clasificar a la alanina como un mecanismo de regulación por medio de la inhibición por retroalimentación, (una inhibición reversible no competitiva) y una inhibición alostérica.
Actividad Enzimática - Puntos clave
Los principales factores que pueden impactar la actividad enzimática incluyen: pH, temperatura y concentración de sustrato o de la enzima. Estos pueden afectar la estructura conformacional de la enzima, desnaturalizarla o afectar la velocidad de la reacción enzimática.
La actividad de una enzima aumenta con el incremento de la concentración de sustrato, hasta alcanzar un límite máximo después del cual la velocidad de la reacción se mantiene constante.
Cada enzima tiene un determinado valor o rango de pH y temperatura óptimos, en los que la velocidad de reacción es la más rápida y se reduce mucho por debajo y por encima de este valor óptimo.
Existen varios mecanismos de regulación enzimática: por concentración de sustrato o enzima, inhibición por retroalimentación y cambio en la conformación de la enzima.
En función del impacto en la función de la enzima, la inhibición enzimática puede clasificarse como inhibición reversible (que incluye la inhibición competitiva y no competitiva) o irreversible.
El alosterismo es un tipo de regulación por cambio de conformación de la enzima en el que un regulador alostérico se une a un sitio alostérico de la enzima. El regulador puede ser inhibidor o activador.
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Preguntas frecuentes sobre Factores que afectan a la actividad enzimática
¿Qué factores podrían afectar la actividad enzimática?
Algunos factores que afectan la actividad enzimática son: pH, temperatura, concentración de la enzima y concentración del sustrato.
¿Qué se entiende por actividad enzimática?
Por actividad enzimática se entiende la capacidad que tiene una enzima de cumplir su función, específicamente, de llevar a cabo una reacción enzimática. El efecto de distintos factores en la actividad enzimática puede medirse de varias formas, pero es muy común medirlo por los cambios en la velocidad de reacción.
¿Cuál es el mecanismo de acción de las enzimas?
El mecanismo de acción de las enzimas se puede resumir de la siguiente manera: el sustrato se une a la enzima en el sitio activo de la enzima, de forma que se produce un complejo enzima-sustrato altamente reactivo; la reacción cambia al sustrato, para dar lugar al complejo enzima-producto; por último, el producto se separa de la enzima, la cual puede unirse a una nueva molécula de sustrato.
¿Qué es el efecto alostérico?
El efecto alostérico ocurre cuando un regulador se une a una enzima en un sitio distinto al sitio activo (sitio alostérico); esto produce un cambio en la conformación estructural de la enzima. El efecto depende de si el regulador es un inhibidor —que impide que la reacción enzimática se lleva a cabo—, o si es un activador — que actúa sobre el sitio activo de la enzima para unirse al sustrato.
¿Qué tipos de inhibición enzimática existen?
Los tipos de inhibición enzimática que existen son:
- Inhibición reversible, que incluye la inhibición competitiva y la no competitiva. La inhibición alostérica es un tipo de inhibición no competitiva.
- Inhibición no reversible
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