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1.6.3. Regulación de la actividad enzimática: temperatura, pH, inhibidores.

 

Las reacciones enzimáticas constituyen la clave de la actividad vital de una célula. Esta actividad, sin embargo, no es siempre la misma. En un momento dado, por ejemplo, puede interesar aumentar la síntesis de un determinado producto, y en otro, metabolizar un sustrato que acaba de aparecer, por lo que se deberá aumentar la actividad de las enzimas implicadas en uno u otro proceso. Por otro lado, una vez conseguida la cantidad precisa del producto, la actividad enzimática debe disminuir o anularse para evitar un gasto inútil.

En definitiva, las necesidades celulares son cambiantes y, por tanto, la velocidad de las reacciones enzimáticas debe variar de acuerdo con ellas. Es imprescindible, pues, una regulación de la actividad enzimática que cumpla, en cualquier caso, el principio de economía celular por el que solamente permanecen activas las enzimas precisas en cada momento, evitando de este modo la fabricación innecesaria de productos, cuya acumulación, además, podría tener efectos negativos.

Los cambios de pH y temperatura influyen en la velocidad de las reacciones enzimáticas, pero habitualmente estos valores no cambian en un organismo vivo, por lo que se utilizan otros mecanismos de regulación, como la activación y la inhibición enzimáticas y el alosterismo.

 

Temperatura. 

El aumento de la temperatura provoca en las moléculas un incremento de su energía cinética, los movimientos de las mismas son más rápidos, y la frecuencia de las colisiones entre moléculas aumenta, lo que propicia una mayor velocidad de reacción. Se ha comprobado que un aumento de 10 °C puede llegar a duplicar, y en ciertos casos a cuadruplicar, la velocidad de una reacción.

Aunque esta característica solamente es aplicable a las reacciones catalizadas por las enzimas hasta una temperatura «crítica», que coincide con la temperatura óptima, en la que la velocidad de la reacción catalizada por una determinada enzima es máxima.

A partir de esta temperatura óptima se produce un brusco descenso de la velocidad de reacción, hecho que a la luz de nuestros conocimientos tiene fácil explicación.

Recordemos nuevamente que las enzimas son proteínas, moléculas frágiles, sensibles, y que a altas temperaturas sufren lo que conocemos como su desnaturalización, y que una enzima desnaturalizada, es decir, en la que sólo se mantiene su estructura primaria, no tiene capacidad para catalizar una reacción metabólica.

En general, la temperatura crítica de las enzimas oscila entre los 55 y los 60 °C, aunque las enzimas de algunas bacterias, que viven en aguas termales, llegan a tener temperaturas críticas de 80 a 87 °C.

 

Regulación de la actividad enzimática

a)    Variación de la velocidad de reacción                         b) Variación de la actividad de la enzima con el pH

catalizada por un enzima con la temperatura

 

pH.

Cada enzima necesita unos valores límites (máximos y mínimos) para poder desarrollar su actividad. Traspasados estos valores, la enzima se desnaturaliza y pierde su actividad. Dentro de estos límites existe, como en el caso de la temperatura, un valor determinado del pH, en el que la enzima desarrolla su actividad máxima, valor al que se le da el nombre de pH óptimo, y que varía de unas enzimas a otras. Así, la pepsina del jugo gástrico posee un pH óptimo de 2, muy ácido, mientas que el pH óptimo de tripsina presente en el jugo pancreático es de 7,8, ligeramente básico.

La mayoría de las enzimas intracelulares poseen, sin embargo, un pH óptimo cercano a la neutralidad.

 

Activación enzimática.

La presencia de activadores permite que ciertas enzimas que se mantenían inactivas lleven a cabo su acción, es decir, se activen. Normalmente, la unión del activador hace que el centro activo adquiera la estructura adecuada para el acoplamiento del sustrato. Algunos cationes, como Mg2+ o Ca2+ desempeñan un papel importante como activadores enzimáticos.

También pueden actuar como activadores diversas moléculas orgánicas, incluso el propio sustrato. Este último es un caso muy interesante y frecuente. La enzima permanece inactiva hasta que aparece el sustrato; es decir, si no hay sustrato, no es necesaria la actividad de la enzima correspondiente, pero si lo hay, se produce la activación para que ese sustrato lleve a cabo la reacción, es decir, el sustrato activa su propia metabolización.

 

Inhibidores.

Los inhibidores son sustancias que disminuyen la actividad de una enzima o bien impiden completamente la actuación de la misma. Pueden ser perjudiciales o beneficiosos como, por ejemplo, la penicilina, que es un inhibidor de las enzimas que regulan la síntesis de la pared bacteriana, por lo que es útil contra las infecciones bacterianas, y el AZT, que es un inhibidor de la transcriptasa inversa, por lo que retrasa el desarrollo del SIDA.

La inhibición puede ser de dos tipos: irreversible y reversible.

·        La inhibición irreversible, o envenenamiento de la enzima, tiene lugar cuando el inhibidor o veneno se fija permanentemente al centro activo de la enzima alterando su estructura y, por tanto, inutilizándolo.

·        La inhibición reversible tiene lugar cuando no se inutiliza el centro activo, sino que sólo se impide temporalmente su normal funcionamiento. Existen dos modalidades: competitiva y no competitiva.

 

- La inhibición reversible competitiva se debe a la presencia de un inhibidor cuya molécula es similar al sustrato, por lo que compite con éste en la fijación al centro activo de la enzima.

     Si se fija el inhibidor, la enzima queda bloqueada. Por tanto el sustrato no puede fijarse hasta que el inhibidor se vaya. La velocidad de la reacción disminuye en función de la concentración del inhibidor.

- La inhibición reversible no competitiva es debida a un inhibidor que o se fija al complejo enzima-sustrato impidiendo su separación, o une a la enzima impidiendo el acceso del sustrato al centro activo.

 

Tipos de inhibición.

 

Enzimas alostéricos o reguladores.

Uno de los mecanismos de regulación de las reacciones químicas de las células se basa en que los enzimas pueden presentar dos conformaciones distintas. Estos enzimas se denominan alostéricos (del griego allo = otro, stereo = espacio) o reguladores y poseen más de un centro (espacio) de actividad: el centro activo, por el que se une al sustrato y el centro alostérico, por el que se une a un efector o modulador.

El efector puede ser un inhibidor denominado modulador negativo o bien un activador o modulador positivo, que provocan el cambio de conformación del enzima. En un mismo enzima puede haber uno o varios centros reguladores que se unen a moduladores diferentes

 

Acción de los enzimas alostéricos.

 

Los enzimas alostéricos poseen dos características que los distinguen del resto de los enzimas:

a) En general, los enzimas alostéricos poseen más de una cadena polipeptídica, por tanto, presentan estructura cuaternaria con dos o más subunidades.

b) La cinética de estos enzimas no es hiperbólica, sino sigmoidea, es decir, que por la interacción de otras moléculas, el aumento inicial de la concentración del sustrato provoca un menor incremento en la velocidad de reacción.

 

 

El modelo alostérico explica el modo de inhibición por producto final, feed-back o retroinhibición. En una cadena de reacciones, el producto final puede ser un modulador negativo del enzima que cataliza la primera etapa.

 

 

El resultado de este proceso es que se mantiene la cantidad de P dentro de unos límites, puesto que si hay mucho, un mayor número de moléculas del enzima (E1) se unen a él y no al sustrato, con lo cual se sintetiza menos P. Cuando la concentración de p disminuye, más moléculas de enzima aceptan sustrato y se producirá más síntesis de P.

 

Otro modo de autorregulación que permite el alosterismo es por inducción enzimática,  se da en enzimas cuya conformación inicial es la  inactiva.

 

 

Otros mecanismos de regulación se deben a enzimas que presentan formas activas o inactivas por modificaciones covalentes reversibles. Otra forma especial de regulación son los isoenzimas enzimas distintos que catalizan la misma reacción y que pueden tener distinta afinidad por el sustrato.

 

CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS 

Se conocen alrededor de 2000 enzimas. Para nombrarlas se emplea un término que alude al sustrato y al tipo de reacción catalizada, al que se añade la terminación -asa. Por ejemplo, la aspartato transaminasa es una enzima que lleva a cabo la reacción de transferencia de un grupo amino desde el ácido aspártico al ácido pirúvico.

La nomenclatura recomendada por la Comisión Internacional de Enzimas (IEC), organismo que cataloga las enzimas conocidas, consiste en un código de cuatro números que hacen referencia a la clase en que está incluida, a la subclase, a la subdivisión y a la enzima concreta de que se trate. Aunque más precisa, esta nomenclatura no resulta cómoda y se utiliza con menos frecuencia que la anterior.

Según el tipo de reacción que catalizan, las enzimas se clasifican en seis clases como se muestra en el cuadro siguiente: