Reconocimiento del sustrato

El proceso catalítico comienza con la unión entre enzima y sustrato, formando el complejo enzima-sustrato. La región en la que la enzima interacciona con el sustrato se llama sitio activo, en donde están ubicados los aminoácidos para su participación en este proceso, generando o rompiendo enlaces.
Es indispensable mantener la estructura terciaria de la enzima para que sea catalíticamente activa.
Las uniones entre sustrato y enzima son débiles, se realizan por enlaces electrostáticos, enlaces de hidrogeno, fuerzas de van de waals e interacciones hidrofóbicas, esto determina que la unión sea reversible y que la enzima se recupere al final de la reacción.
Dos modelos para describir la interacción entre enzima y sustrato:
Modelo de llave-cerradura: existencia de una total complementariedad entre el sitio activo de la enzima y el sustrato.
Modelo de ajuste inducido: la complementariedad surge luego de un reconocimiento dinámico que involucra una modificación de los sitios activos de algunas enzimas al unirse con sus sustratos.

Cinemática enzimática:
Se estudia la velocidad de las reacciones químicas catalizadas por enzimas. Si graficamos, se puede observar que a partir de un determinado sustrato, la curva aumenta la velocidad de reacción, de modo lineal, aumenta el tiempo. Esto se debe a que en estas condiciones iniciales, la cantidad de sustrato no es un factor limitante, por lo que la enzimatrabaja a su mayor capacidad. La velocidad obtenida es esa parte de la curva, como la concentración del sustrato en función del tiempo, es llamada velocidad inicial. Luego de un tiempo, la velocidad va disminuyendo a medida que hay menos sustrato, por lo tanto la interacción con la enzima es menos probable. El estado de equilibrio se alcanza cuando la velocidad de formación de producto es cero y la curva se mantiene constante.
Factores que afectan a la enzima:
Esta puede ser afectada por distintos factores como ser: la concentración de sustrato, concentración de enzima, la temperatura, el pH y la presencia de inhibidores.
Efecto de la concentración de sustrato: solo varía el sustrato, los demás factores se mantienen constante. Para la mayoría de las enzimas la velocidad de reacción varia con la concentración de sustrato. Usando una cantidad de enzima, la concentración de sustrato es baja, aumenta la velocidad de modo proporcional al aumento de la concentración de sustrato, pero cuando la concentración de esta es muy alta, la velocidad se mantiene independiente, tendiendo a alcanzar la velocidad máxima, solo se podrá ser aumentada, aumentando la concentración de enzima. Lo que ocurre es que al tener una elevada concentración de sustrato, los sitios activos de la enzima estarán ocupados y se alcanzara la velocidad máxima denominada saturación.
La velocidad de la reacción será la mitad de la velocidad máxima o sea que la concentración de sustrato necesaria para alcanzar la velocidad máxima es igual al Km de la enzima. Cuando menor es el valor de Km, mayor será su afinidad de la enzima por su sustrato y viceversa.Efecto de la temperatura: a baja temperatura, la velocidad de reacción es menor, pero se incrementa a medida que aumenta la temperatura, favoreciendo el choque entre las sustancias involucradas. Las enzimas necesitan una temperatura óptima, a baja temperatura se encuentran inactivas y a altas temperaturas se desnaturalizan, por lo que las enzimas tendrán una temperatura optima dependiendo de la fisiología. Temperatura optima ronda en los 37 grados.
Efecto del pH: las enzimas son proteínas, monómeros constituidos por aminoácidos y estos tienen la capacidad de captar o liberar protones de acuerdo al pH del medio en el que se encuentren, al ocurrir esto se afecta la carga neta del aminoácido, produciendo repulsiones y atracciones que modifican la estructura terciaria de la enzima, esto lleva a que la actividad enzimática se encuentre regulada por el pH, considerado como un mecanismo de control ejercido por la celula. La sensibilidad del pH, varía según la composición de aminoácidos de la proteína, cuando se modifica el pH, se produce variaciones de cargas en el sustrato, generando que la capacidad de unión entre enzimas y sustrato se vea afectada, debido a que la interacción entre ambas participan grupos cargados.

Inhibición de la actividad enzimática: la actividad enzimática puede ser disminuida o suprimida completamente por la acción de distintas sustancias, denominados: inhibidores enzimáticos, pudiendo ser de dos tipos: reversible o irreversible.
Inhibición reversible: se produce cuando un inhibidor se fija a la enzima, provocando una pérdida de actividad. Hay de tres tipos: competitiva, no competitiva yacompetitiva.


Inhibición competitiva: este tiene una estructura similar al sustrato, combinándose reversiblemente en el sitio activo. Al unirse este reduce la concentración de enzima disponible para interactuar con el sustrato, por lo que la velocidad de reacción disminuye. Al ser reversible, se puede contrarrestar incrementando el sustrato.
Un inhibidor competitivo disminuye la afinidad de la enzima por su sustrato (aumentando el Km) pero no altera la velocidad máxima, ya que se alcanza aumentando la concentración de sustrato.

Inhibidor no competitivo: el inhibidor no competitivo y el sustrato se puede unir simultáneamente a una molécula de enzima, siendo sus sitios de unión distintos, formando un complejo ESI. Este es catalíticamente inactivo e incapaz de generar los productos de esta reacción. Pertenecen ciertas sustancias capaces de unirse reversiblemente a los grupos sulfhidrilos libre de algunos aminoácidos de la enzima. Este no se puede revertir por aumento de la concentración de sustrato. No se modifica la afinidad de la enzima con el sustrato (Km no varía), y su velocidad máxima disminuye considerablemente.
Inhibidor acompetitivo: este se une exclusivamente al complejo ES. Resultando un compuesto ternario ESI no productivo. Incrementando la concentración de sustrato se refuerza el efecto inhibidor. Este tipo de inhibición se da en casos en el que participan varios sustratos en la reacción. El Km disminuye y la velocidad de reacción también.

Inhibición irreversible: provocada por sustancias que producen un cambio permanente en la molécula de enzima, resultando en la pérdida definitiva de su actividad. No sepuede aplicar para este, el modelo de Michaelis- Menten. Los venenos órgano- fosforados, muy utilizados como insecticidas, producen una inhibición irreversible de la acetilcolinesterasa, enzima fundamental para la función del sistema nervioso. La molécula no recupera más su actividad normal.

Regulación de la actividad enzimática: existen mecanismos específicos de regulación, se pueden distinguir tres niveles básicos:
Regulación de la actividad catalítica: (activación-inhibición) consiste en modificar la actividad de las unidades de la molécula de enzimas preformadas, sin variar la cantidad de enzima ya sintetizada por la celula, constituyendo un ahorro de energía importante para el metabolismo celular. Es este proceso contribuyen distintos factores:
Sistemas multienzimáticos: cada trasformación que sufre un determinado compuesto en el organismo pasa por distintas etapas, acompañadas por una catalización de una enzima distinta. En cada paso el producto formado será utilizado como sustrato por la enzima en la siguiente etapa. Estas secuencias se llaman vías metabólicas, para ello las enzimas deberán alinearse de la forma más apropiada para facilitar el transporte de productos, formando los sistemas multienzimáticos. Estos poseen autorregulación de su velocidad global de reacción. La enzima que cataliza en la primera etapa actúa como reguladora del proceso, modificando su actividad frente a estímulos específicos, pudiendo ser modulada negativamente por el producto final. Este tipo de control se llama retroinhibición o feed-back. La primera enzima disminuye su actividad cuando la concentración de producto final haalcanzado un nivel muy alto. Así la cadena entra en reposo y se evita la acumulación inútil de metabolitos, cuando la concentración del producto disminuye, la enzima se vuelve a activar.
Efectos alostéricos: algunas propiedades cinéticas de las enzimas no se pueden explicar por el modelo de Michaelis Menten. Esto ocurre con las enzimas alostéricas o reguladoras (sus gráficos son sigmoideos) a bajas concentraciones de sustrato, la velocidad disminuye, a concentraciones de sustrato alta, aumenta la velocidad. Esta cinética está relacionada con la presencia de dos o más subunidades polipeptídicas y por consecuencia dos o más sitios de unión al sustrato. La relación que existe entre las subunidades, hace que la unión de sustrato a su sitio activo produzca un cambio en la forma, transmitiéndola a las otras subunidades, facilitando la aptitud para recibir más sustrato, a este efecto se lo llama cooperatividad respecto de la concentración de sustrato. La molécula no actúa como tal, sino como modulador que acelera la actividad catalítica. Estas enzimas pueden ser reguladas por otros modificadores diferentes del sustrato, capaces de activarlas (modulador positivo) o inhibirlas (modulador negativo). Cuando el modulador es el sustrato, el efecto se llama homotrópico, y si el modificador es distinto del sustrato se dice que es heterotrópico.
La fijación de ciertas sustancias en un sitio de la superficie de la enzima, puede ocasionar cambios en la conformación y la activación de otro sitio. Este fenómeno se llama Alosterismo. Las enzimas que presentan este efecto se llaman alostéricas y las sustancias que la causan se llamanefectores alostéricos, sean inhibidores, aceleradores o propios del sustrato.
Modificación covalente:
Reversible: algunas enzimas son reguladas por adición o sustracción de grupos unidos covalentemente. La modificación más frecuente consiste en la fosforilación y desfoforilación ejercida a su vez por otras enzimas en presencia de ATP. La ventaja de esta regulación por enzimas interconvertibles, se debe a que se puede ejercer a corto plazo, variando la proporción de enzima activa, sin necesidad de remover la estructura proteica total.
Irreversible: algunas enzimas se sintetizan en forma de precursores inactivos y son activados en un tiempo y lugar fisiológicamente apropiado. Las enzimas digestivas presentan este control. Si esta enzima fuera sintetizada en forma activa dentro de la celula, esta destruiría todo. Los precursores inactivos de las enzimas proteolíticas se denominan zimógenos. Carecen de sitio activo. Este tipo de control se utiliza en la coagulación de la sangre.
Compartimentalización: para que haya un funcionamiento coordinado, es necesario ordenar la distribución de las diferentes enzimas. Localizándose en el citosol o en organelas, facilitando su regulación.
Las enzimas de las mitocondrias forman parte de la obtención de energía. Las enzimas asociadas a ribosomas promueven la síntesis proteica. Los lisosomas tienen enzimas que catalizan la destrucción hidrolítica de materiales de desecho. Las enzimas microsomales son responsables de la biosíntesis de hormonas y del metabolismo de ciertas drogas.
Isoenzima: pueden existir distintas variedades de una misma enzima con la misma actividad catalítica.Regulación de la síntesis de enzimas: implica un cambio en la cantidad de moléculas de enzimas. La síntesis de algunas enzimas puede ser inducida por sus propios sustratos y reprimida por sus productos a nivel genético. Solo se sintetizan cuando son necesarias. Se produce en el hígado e intestino delgado. Este tipo de regulación es relativamente burdo y lento.
Regulación de la degradación de enzimas: el recambio enzimático provocado por la degradación de las enzimas no es muy importante. La presencia o ausencia de sustratos y cofactores puede alterar la conformación de las enzimas, haciéndolas más o menos susceptibles a su degradación.
Multimodulación: los distintos tipos de regulación pueden coexistir y aparece en una enzima dada. Los procesos de regulación catalítica y genética se pueden integrar en una misma vía metabólica. La enzima multimoduladora es la fosfofructoquinasa animal, enzima alostérica que cataliza uno de los primeros pasos de la ruta de la glucólisis.