Enzimas: Bioquímica Humana y Aplicaciones Clínicas

Definición y Propiedades de las Enzimas

• Definición Fundamental: Las enzimas son proteínas con funciones catalíticas específicas que son susceptibles de ser reguladas.
• Carácter Proteico: Su naturaleza proteica les permite adoptar estructuras terciarias y cuaternarias. Esto las convierte en las únicas moléculas capaces de adaptarse al sustrato al cual se unen y modifican.
• Termolabilidad: Debido a que son proteínas, las enzimas presentan termolabilidad (sensibilidad a los cambios de temperatura).
• Funciones Principales:     * Aceleran la velocidad de la reacción química que catalizan.     * No modifican la constante de equilibrio ($K_{eq}$) de la reacción.

Diferencias entre Enzimas y Catalizadores Inorgánicos

• Naturaleza Química: Las enzimas son proteínas, mientras que los catalizadores químicos son inorgánicos.
• Termolabilidad: Las enzimas sí presentan termolabilidad; los catalizadores inorgánicos no.
• Especificidad: Las enzimas poseen una alta especificidad; los catalizadores inorgánicos carecen de ella.
• Regulación: Las enzimas son susceptibles de ser reguladas; los catalizadores inorgánicos no.
• Eficiencia: Las enzimas tienen una eficiencia alta; los catalizadores inorgánicos tienen una eficiencia baja.
• Consumo en la Reacción: Ni las enzimas ni los catalizadores inorgánicos se consumen durante el proceso.

Mecanismo de Catálisis y Energía de Activación

• Energía de Activación ($G$): Las enzimas actúan disminuyendo la energía de activación necesaria para que la reacción ocurra.
• Estados de la Reacción:     * Estado Inicial: Sustratos (S).     * Estado Activado: Punto de máxima energía necesario para la transformación. La presencia de la enzima reduce significativamente este umbral comparado con la reacción sin enzima.     * Estado Final: Productos (P).
• Complejo Enzima-Sustrato (ES): El mecanismo de acción implica la formación de un complejo transitorio:     * $E + S \rightarrow ES$     * $ES \rightarrow E + P$

Sitio o Centro Activo y Unión Enzima-Sustrato

• Lugar del Sustrato: Posee dos componentes o sitios específicos:     * Sitio de Unión: Encargado de reconocer y fijar el sustrato mediante interacciones.     * Sitio Catalítico (Centro Activo): Es el lugar donde ocurre la transformación química real del sustrato.
• Adaptabilidad Inducida: Explica que la unión de la enzima y el sustrato no es rígida, sino que la enzima puede ajustar su conformación al sustrato durante el proceso de unión.
• Especificidad Enzimática: Puede manifestarse de dos formas:     * Especificidad de Sustrato: La enzima solo actúa sobre un sustrato específico. Ejemplo: Glucoquinasa ($Glucosa + ATP \rightarrow Glucosa\,6-P + ADP$).     * Especificidad de Reacción: La enzima cataliza solo un tipo de enlace o reacción. Ejemplo: Fosfatasas ($Glucosa\,6-P + H_2O \rightarrow Glucosa + P_i$).

Clasificación Internacional de las Enzimas

1. Transferasas: Catalizan la transferencia de un grupo de átomos de un sustrato a otro.     * Aminotransferasas (Transaminasas): Transfieren grupos amino ($NH_2$). Ejemplo: Aspartato aminotransferasa (reacción de L-aspartato + Alfa-cetoglutarato para dar Oxalacetato + L-glutamato).     * Quinasas: Transfieren grupos fosfato.
2. Hidrolasas: Catalizan la ruptura de enlaces químicos mediante la adición de una molécula de agua ($H_2O$). Ejemplo: Ruptura de un enlace éster fosfórico.
3. Óxido-reductasas: Catalizan reacciones de transferencia de átomos de hidrógeno o electrones.     * Ejemplo: Lactato deshidrogenasa ($Lactato + NAD^+ \rightleftharpoons Piruvato + NADH + H^+$).
4. Isomerasas: Interconvierten isómeros de cualquier tipo (ópticos, geométricos o de posición).     * Ejemplo: Triosa fosfato isomerasa ($Dihidroxiacetona\,P \rightleftharpoons Gliceraldehído\,3-P$; ambos con fórmula $C_3H_5O_6P$).
5. Liasas: Catalizan la ruptura de enlaces químicos (excluyendo peptídicos) por procesos distintos a la hidrólisis.     * Ejemplo: Aldolasa ($Fructosa\,1-6\,BisP \rightarrow Dihidroxiacetona\,P + Gliceraldehído\,3-P$).
6. Ligasas: Catalizan la formación de enlaces entre C y O, N, S u otros átomos, generalmente utilizando la energía de la hidrólisis del ATP.     * Ejemplo: Glutamina sintetasa ($L-Glutamato + NH_4^+ + ATP + H_2O \rightarrow L-Glutamina + ADP + P_i$).

Cinética Enzimática y Factores Influyentes

• Actividad Enzimática: Se define como la cantidad de sustrato transformado en la unidad de tiempo.
• Unidad Internacional (UI): Es la cantidad de enzima capaz de transformar un micromol ($1\,\mu mol$) de sustrato en un minuto ($1\,min$).
• Factores que modifican la actividad:     1. Concentración de la Enzima: La velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de la enzima.     2. Temperatura: Existe una temperatura óptima ($t_{opt}$) donde la actividad es máxima. Temperaturas extremas desnaturalizan la enzima.     3. pH: Cada enzima tiene un pH óptimo de actividad; variaciones fuera de este rango disminuyen la velocidad.     4. Concentración de Sustrato ([S]): Al aumentar [S], la velocidad ($v$) aumenta hasta alcanzar una meseta denominada Velocidad Máxima ($V_{max}$).

Ecuaciones Cinéticas y Constante de Michaelis-Menten ($K_m$)

• Ecuación de Michaelis-Menten:     * $v = \frac{V_{max} \times (S)}{K_m + (S)}$
• Definición de $K_m$: Es la concentración de sustrato para la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima ($\frac{1}{2}V_{max}$).
• Afinidad: El $K_m$ es un índice inverso de la afinidad de la enzima por su sustrato:     * A mayor $K_m$, menor afinidad.     * A menor $K_m$, mayor afinidad.
• Representación de Lineweaver-Burk (Doble Recíproca):     * Transforma la curva en una recta para facilitar el análisis.     * Ecuación: $\frac{1}{v} = \frac{K_m}{V_{max}} \times \frac{1}{(S)} + \frac{1}{V_{max}}$     * Corte con el eje y ($b$): $\frac{1}{V_{max}}$     * Corte con el eje x ($a$): $-\frac{1}{K_m}$

Cofactores Enzimáticos

• Definición: Moléculas no proteicas pequeñas necesarias para la función catalítica de algunas enzimas.
• Tipos de Cofactores:     1. Grupos Prostéticos: Unión fuerte (covalente) a la enzima. Permanecen unidos tras la reacción. Ejemplos: Biotina, FMN, FAD.     2. Coenzimas: Unión débil; se separan de la enzima al finalizar la reacción. Ejemplos: NAD, NADP.     3. Activadores Metálicos: Iones inorgánicos indispensables para la actividad.
• Holoenzimas: Se refieren al sistema completo:     * Apoenzima: Parte proteica (termolábil).     * Coenzima/Cofactor: Parte no proteica (termoestable).     * $Holoenzima = Apoenzima + Coenzima$.
• Relación con Vitaminas:     * PPT (Pirofosfato de tiamina): Deriva de Tiamina (B1).     * PAL (Fosfato de piridoxal): Deriva de Piridoxina (B6).     * FAD: Deriva de Riboflavina (B2).     * NAD: Deriva de Niacina.     * CoA (Coenzima A): Deriva de Ácido Pantoténico.
• Ejemplos de Activadores Metálicos:     * Fe: Catalasas, peroxidasas, citocromos.     * Cu: Citocromo oxidasa, tirosinasa.     * Zn: Alcohol deshidrogenasa, anhidrasa.     * Mg: Quinasas.     * Mn: Carboxilasas.     * Se: Glutatión peroxidasa.     * Mo: Xantino-oxidasa.

Regulación de la Actividad Enzimática

• Mecanismos de Regulación:     * Alosterismo: Las enzimas alostéricas poseen un sitio de unión al sustrato y un sitio alostérico para moléculas reguladoras (moduladores).         * Efecto Homotrópico: El propio sustrato actúa como modulador.         * Efecto Heterotrópico: El modulador es una molécula distinta al sustrato (ej. producto final de una vía que inhibe la primera enzima).     * Modificación Covalente: Adición o eliminación de grupos químicos (comúnmente fósforo) mediante quinasas (que activan/inactivan usando ATP) o fosfatasas (que eliminan el fosfato usando $H_2O$).     * Regulación Genética (Mecanismo Lento):         * Inducción: Aumento de la síntesis de la enzima.         * Represión: Disminución de la síntesis mediada por un gen represor.     * Hormonal: Mediada por receptores y segundos mensajeros.

Isoenzimas y Zimógenos

• Isoenzimas: Formas moleculares distintas que catalizan la misma reacción química pero tienen diferentes propiedades físicas y secuencias de aminoácidos determinadas genéticamente.     * Lactato Deshidrogenasa (LDH): Posee 5 isoenzimas (LDH 1 a LDH 5) formadas por subunidades H (corazón) y M (músculo esquelético).         * LDH 1 y 2: Predominan en el corazón.         * LDH 4 y 5: Predominan en el músculo esquelético e hígado.     * Creatínfosfoquinasa (CPK o CK): Cataliza: $Creatina + ATP \rightleftharpoons Fosfocreatina + ADP$.         * CPK-MM: Músculo esquelético.         * CPK-MB: Corazón (Marcador de infarto).         * CPK-BB: Cerebro.
• Zimógenos: Proenzimas inactivas que requieren un cambio químico (como ruptura de enlaces) para activarse. Ejemplo: Pepsinógeno, que se convierte en pepsina por pH bajo (autocatálisis).

Inhibición Enzimática

• Inhibición Reversible Competitiva:     * Mecanismo: El inhibidor (I) se parece estructuralmente al sustrato (S) y compite por el sitio activo.     * Cinética: El $K_m$ aumenta ($K_{m\,aparente}$ mayor), pero la $V_{max}$ no cambia.     * Superación: Se puede desplazar al inhibidor aumentando la concentración de sustrato.     * Ejemplo: Alopurinol inhibe a la xantino-oxidasa (compite con la Hipoxantina para evitar la formación de Ácido Úrico).
• Inhibición Reversible No Competitiva:     * Mecanismo: El inhibidor se une a un sitio distinto al sitio activo.     * Cinética: La $V_{max}$ disminuye ($V_{max\,aparente}$ menor), pero el $K_m$ permanece igual.     * Superación: No se puede desplazar aumentando la concentración de sustrato.     * Ejemplos: Cu, Hg, Ag (se unen a grupos -SH); EDTA (quelante de cationes bivalentes).
• Inhibición Irreversible: El inhibidor bloquea permanentemente a la enzima.     * Ejemplo: Malathion inhibe a la Acetilcolinesterasa ($Acetilcolina + H_2O \rightarrow Acetato + Colina$).

Aplicaciones Clínicas: Enzimas Séricas

• Origen de Enzimas en Plasma: Normalmente por secreción específica o liberación por daño celular (muerte o daño de membrana).
• Factores de Liberación: Anoxia, baja glucosa, alto potasio extracelular, agentes tóxicos o infecciosos.
• Caso Clínico 1: Infarto Agudo de Miocardio (IAM):     * Síntomas: Dolor precordial opresivo propagado a brazo/mano izquierda.     * Marcadores solicitados: CPK, GOAT (ASAT), LDH y Troponinas.     * Evolución Temporal en IAM:         1. CPK-MB: Aumenta a las 3-12 hs, pico a las 24 hs, normaliza a las 48-72 hs.         2. Troponinas (I y T): Mayor valor diagnóstico. Aumentan a las 3-12 hs, pico 24-48 hs, normalizan en 5-14 días.         3. ASAT/GOAT: Cinética intermedia.         4. LDH: Marcador tardío.
• Caso Clínico 2: Hepatopatías (Hepatitis):     * Síntomas: Ictericia (piel amarillenta), orinas oscuras (coluria), fatiga.     * Hepatograma:         * ALAT (GPT): Específica del hígado, localizada solo en citosol. Su aumento >10 veces indica hepatitis aguda (hepatonecrocis).         * ASAT (GOT): Localizada en citosol y mitocondria (bilocular). Presente en hígado y otros tejidos.         * Fosfatasa Alcalina: Aumenta en obstrucciones biliares (aunque es normal su elevación en niños por crecimiento óseo).         * GGT (Gamma-Glutamil-Transpeptidasa) y 5'nucleotidasa: Ayudan a diferenciar origen óseo de biliar/hepático.     * Cociente de De Ritis (ASAT/ALAT):         * Valor normal: $1.3$.         * Hepatitis Aguda: $< 1$.         * Hepatitis Crónica: $> 1$.