1. Especificidad enzimática Es la capacidad de un enzima para discriminar entre sustratos de estructuras similares. Los enzimas son muy especificas tanto en la unión con el sustrato como en la catálisis de su reacción. Esta esteroespecificidad surge debido a la formación de sitios activos asimétricos en virtud de su quiralidad inherente (las proteínas solo presentan L-aminoácidos) por ejemplo los enzimas que intervienen en el metabolismo de la glucosa son especificas para la D-glucosa. Además los aminoácidos que conforman el sitio activo se disponen de manera específica para interactuar con el sustrato o un rango de sustratos similares, de modo que si difieren en forma o en la distribución de sus grupos funcionales, no podrán unirse de forma productiva con el sustrato o al presentar una alta especificidad no podrán interaccionar tan bien con ninguna otra molécula. En general la esteroespecificidad proviene de la formación de múltiples interacciones entre el enzima y la molécula de sustrato específica.
Especificidad geométrica La esteroespecificidad de los enzimas no es en particular sorprendente si se toma en cuenta la complementariedad de un sitio de unión de un enzima para el sustrato. Un sustrato con quiralidad equivocada no se ajusta al sitio de unión enzimática, como el guante de la mano izquierda no se ajusta a la mano derecha. La especificidad geométrica es un método aun así mas riguroso, después de todo el guante izquierdo se ajusta a cualquier mano izquierda aun con tamaños y formas distintas. Los enzimas muestran variación considerable en su grado de especificidad geométrica. Unos pocos enzimas tienen especificidad absoluta por un solo compuesto, no obstante, la mayoría catalizan las reacciones de un pequeño rango de compuesto. Algunos enzimas son permisivos en sus rangos de sustratos aceptables, tanto que sus especificidades geométricas se describen mejor como preferencias. Sin embargo la velocidad de la reacción varia con respecto a la especificidad con el sustrato, mientras más específico sea el sustrato mayor será la velocidad de reacción. Algunos enzimas ni siquiera son muy específicos para el tipo de reacción que catalizan. Y mediante este fenómeno da pie a la formación no solo de la formación del complejo ES con un variante de sustratos como ya hablábamos, sino que además permite la formación de complejos EI ó enzima e inhibidores competitivos, como ya se vio en temas anteriores, donde se podría dar una unión no reversible en el peor de casos.
2. Sitio activo: Zona en forma de surco que comparte cierta complementariedad con el sustrato. En este surco existen complementariedades de cargas o de densidades con el sustrato, la cual depende del grupo protético que se encuentre en este sitio activo.
Características del sitio activo:
Tamaño. Es relativamente pequeño cuando se compara con el resto del enzima, ya que está constituido por una región que contiene pocos aminoácidos. Forma. El sitio activo de un enzima tiene forma tridimensional. Algunos aminoácidos interactúan más frecuentemente que otros con el sustrato debido a la carga o características de sus grupos funcionales libres (amino, carboxilo, oxhidrilo, etc.) de la cadena peptídica. Unión. El sustrato se une a los enzimas por fuerzas relativamente débiles. El complejo ES (enzima-sustrato), generalmente tiene una constante de equilibrio en un espectro de 10 -2 a 10-8 M, lo cual corresponde a una energía libre de interacción de -3 a -12 Kcal/mol. Si se comparan estos valores con la energía del enlace covalente (-50 y -110 Kcal/mol), estos últimos son muy superiores al del complejo ES. Interacción. Al interactuar el sitio activo con el sustrato, se forma un complejo tan compacto que en su espacio intermolecular no cabe ni la molécula de agua. El sitio activo contiene varias zonas polares, que son esenciales para el enlace y la catálisis; asimismo, posee otras regiones no polares, que se comportan como una región anfifílica en la que el sustrato interactuará con mayor o menor intensidad, según sus características. Especificidad. Un sustrato debe tener una forma, tamaño y características de carga para interactuar en el sitio específico. El enzima hexocinasa tiene como sustrato D-glucosa, que no interactúa con la forma L.
3. Formación del complejo Enzima-Sustrato (ES) Para que se lleve a cabo una reacción enzimática, se debe sobrepasar una barrera energética que corresponde a la estabilidad de las macromoléculas complejas del sustrato, ésta se denomina energía de activación y a pesar de su oposición a la reacción son fundamentales para la propia vida, sin ellas dichas macromoléculas complejas revertirían a sus formas moleculares mas sencillas de manera espontánea, con lo cual no tendrían lugar los procesos metabólicos que se llevan a cabo en las células. Entonces, los diferentes enzimas tienen la propiedad de disminuir selectivamente las energías de activación de las reacciones necesarias para la supervivencia; originando de un S un P (o en sentido contrario) pasando por un estado de transición caracterizado por la formación del complejo ES ó EP que se da mediante la energía de fijación del sitio activo con el sustrato. La energía de fijación es la principal fuente de energía libre utilizada por los enzimas para disminuir la energía de activación de las reacciones, este determinara su capacidad catalítica y su especificidad. La principal fuente de energía para la fijación proviene de enlaces no covalentes, la sumatoria de las interacciones débiles, lo que explica la necesidad de que los enzimas sean tan grandes y que
el sitio activo de un enzima no actuará tan eficazmente con un sustrato de estructura similar al que realmente esta confinado para reaccionar. Y como lo describe William Jencks:
se puede describir formalmente como la estabilización del estado de transición mediante la unión fuerte del catalizador” , entonces, hablar de la energía de fijación es hablar de la energía favorable necesaria para la formación del complejo ES que es a su vez totalmente determinante para que se lleve a cabo la catálisis. Y que se de ésta reacción eficazmente hemos de estudiar los factores físicos y termodinámicos que contribuyen de forma predominante al valor de ΔG ‡ (energía de fijación):
“La ca tálisis
En primer lugar, una gran disminución en los movimientos relativos de los dos sustratos que han de reaccionar, o reducción de entropía, es uno de los beneficios obvios de su fijación al enzima. La energía de fijación mantiene los sustratos en la orientación correcta para reaccionar, lo que es una contribución muy importante a la catálisis, ya que las colisiones productivas entre moléculas en solución pueden ser extremadamente raras. Los sustratos se pueden alinear sobre el enzima de forma precisa, generando un gran número de interacciones débiles entre ellos y grupos localizados de manera estratégica en el enzima, lo que mantiene las moléculas de sustrato en las posiciones adecuadas. Algunos estudios han demostrado que la restricción del movimiento de dos reactivos puede producir incrementos de velocidad de muchos órdenes de magnitud. En segundo lugar, la formación de enlaces débiles entre enzima y sustrato también da lugar a la desolvatación del sustrato. Interacciones enzima-sustrato remplazan la mayoría de, o todos, los enlaces de hidrógeno que puedan existir en disolución entre el sustrato y el agua. En tercer lugar, la energía de fijación de las interacciones débiles formadas únicamente durante el estado de transición de la reacción ayuda a compensar termodinámicamente cualquier distorsión, principalmente en forma de redistribución electrónica, que deba experimentar el sustrato para reaccionar. Finalmente, el propio enzima puede sufrir un cambio de conformación cuando se fija el sustrato, el cual también se encuentra inducido por múltiples interacciones débiles con el sustrato. Esta situación se conoce como encaje inducido. (El cambio conformacional permite la formación de interacciones débiles adicionales en el estado de transición).
4. Hipótesis de la llave y la cerradura Fue propuesta por Emil Fischer en 1894, su propuesta era que los enzimas eran estructuralmente complementarios a los sustratos de modo que se acoplaban del mismo modo que una llave a una cerradura. Esta idea de que una interacción especifica y exclusiva entre dos moléculas biológicas esta facilitada por superficies moleculares con formas complementarias ha influido profundamente en el desarrollo de la materia.
5. Hipótesis del acoplamiento inducido
(el enzima es complementario al estado de
transición, no al sustrato) No obstante, como sugieren trabajos posteriores la hipótesis llave-cerradura puede ser engañosa cuando se aplica la catálisis enzimática. Un enzima totalmente complementario seria un enzima muy deficiente ya que así impide la reacción ya que estabilizaría el sustrato. La noción moderna de la catálisis enzimática, propuesta por primera vez por Michael Polanyi (1921) y por Haldane en 1930 y después elaborada por Linus Pauling en 1946 dice: para que un enzima catalice una reacción ha de ser complementario al estado de transición de la reacción. Ello significa que las interacciones óptimas entre sustrato y enzima sólo pueden tener lugar en el estado de transición; que el sitio activo de algunos enzimas no es tan rígido, ya que su estructura se modifica al unirse con el sustrato y por lo tanto podemos determinar que es aquí que se da la mayor cantidad de interacciones débiles posibles entre E y S, como lo postula Daniel koshland en el año 1958, que el enzima puede sufrir un cambio conformacional cuando se une al sustrato, el cual también se encuentra inducidos por múltiples interacciones débiles del sustrato. En conclusión, el sustrato NO encaja perfectamente en el centro activo del enzima pero el centro activo cambia su conformación espacial provocando un ambiente favorable a la unión y reacción con el sustrato de manera que se une a este para proceder con la catálisis. En este caso no encontramos la misma especificidad como en el enlace de tipo llave-cerradura, por lo que el enzima puede reaccionar con varios sustratos de conformaciones parecidas.
