Una enzima es una proteína dotada de propiedades catalíticas que inducen principalmente a su poder de activación especifica, expresada por Dixon y Webb (1958).
Las proteínas son moléculas químicas complejas, de elevado peso molecular, formados por ciertos números de α-aminoαcidos, de los que hay unos 20 distintos. La selección de diversos aminoácidos y él numero total de ellos, presentes en la molécula, así como la secuencia u orden en que están ligadas estas unidades ― por enlaces peptídico ― y el enrrollamiento y enlace cruzado de las cadenas resultantes, hace un numero de proteínas distintas posibles.
Los catalizadores ― según la definición clásica, son agentes que afectan a la velocidad de una reacción química, y no son alterados durante el proceso de la reacción ya que se encuentran presentes al final de la reacción en idéntica cantidad y en las mismas condiciones físicas y químicas en las que se encontraban al comienzo de la misma. Las enzimas no son alterados por la reacción, pero por ser proteínas, resultan termolábiles y sensibles a los cambios y variaciones del medio ambiente físico en que se hallen.
El desgaste de las enzimas es mucho mayor que otros catalizadores. Donde un catalizador actúa sobre un acelerador de una reacción química, o sea. , que exagera una tendencia ya presente. En el caso de compuestos orgánicos, que pueden participar en muy diversas reacciones, el incremento de velocidad dado por la enzima a uno de los sentidos de la reacción canaliza selectivamente a esta en tal dirección.
El equilibrio intermedio de una reacción química viene determinado por la Ley de Masas y el catalizador no hace sino disminuir el tiempo para encontrar el equilibrio, pero no lo altera ni lo modifica. Pero el equilibrio puede quedar estancado, cuando la enzima o la cantidad de la enzima es igual a los elementos reaccionantes, como puede ocurrir a nivel celular. Usualmente se conoce que una enzima, acelera una reacción desde ambos términos de la ecuación, pero en términos experimentales, es difícil saber, o es con mayor frecuencia que enzimas diferentes puedan catalizar procesos recíprocos, uno hidrolizando un compuesto y el otro sintetizándolo.
Una de las características más notables de las enzimas es su especificidad. Una enzima no es inespecífico en su acción catalítica, sino que esta acción se halla estrictamente limitada, ya que depende de su sustrato. Cuando una enzima actúa sobre un sustrato se dice que tiene especificidad absoluta, un ejemplo, tenemos la ureasa, que actúa solamente sobre la urea y no sobre otros compuestos de estructura similar, dándole una naturaleza absoluta sobre su sustrato. Muchos compuestos orgánicos presentes en la naturaleza son óptimamente activos. Los azúcares, por lo general, se hallan en su forma D-; los aminoácidos se encuentran, predominantemente, en el estado de L-isomeros. Cuando un sustrato de una enzima es óptimamente activo, la enzima canalizará la reacción en un solo sentido, son estéreoespecíficas; además cuando una enzima cataliza la conversión de un sustrato inactivo, la conversión es del isomero que se encuentra en la naturaleza. Tenemos que la enzima lactato deshidrogenasa oxida piruvato ―σptimamente inactivo― a L-lactato. Esta enzima puede catalizar la reacciσn, aunque más lentamente, de otros α-hidroxi-monocarboxilicos próximos al lactato.
Si alguna enzima, no tiene un sustrato de estructura definida, salvo algún tipo particular de enlace, presenta baja especificidad.
La interacción existente de una enzima con su sustrato, es mas bien de tipo eléctrico que espacial, pero no se puede invalidar la analogía de Fisher de la "llave-cerradura"; que acomoda la disposición de la enzima con respecto a su sustrato.
No todas las enzimas son proteínas puras. Algunos son partes no proteicas unidas, a la porción proteica de la enzima, las cuales se les conoce como proteínas conjugadas. Cuando el agrupamiento " no proteico" resulta necesario para la actividad catalítica, recibe el nombre de grupo prostético y la porción proteica se le denomina apoenzima.
La proteína conjugada, es llamada holoenzima Los metaloenzimas contienen un metal, que se halla firmemente ligado a algún grupo de la proteína, o bien se encuentran en el grupo prostético. Es importante mencionar, que la presencia de iónes metálicos, ― mono y divalentes ― puede actuar como activadores o aceleradores, tales como Na+; K+; Ca 2+; Zn2+; Mn2+; Fe2+; Co2+; Ni2+. Hay cierto grado de necesidad especifica por estos iónes, los cuales pueden actuar estableciendo puentes entre enzimas y sustrato, pero verdaderamente los iónes resultan activadores porque reaccionan con el sustrato, de forma que el verdadero sustrato para la enzima no es la sustancia principal sino su complejo metálico.
En alguno casos, aunque estén presentes todos los activadores necesarios y el sustrato se halle ligado a la enzima, la reacción no tiene lugar en ausencia de ciertas "sustancias" adicionales que actúan como "donante-aceptor" o transportador de grupo, las cuales son denominadas coenzimas y dos de las más importantes, dentro de los limites son la Coenzima I; nicotinamida-adenin-dinucleótido (NAD) y la Coenzima II; nicotinamida-adenin-inucleotidofosfato (NADP) , el flavin-mononucleotido (FMN), flavin-adenin-difosfato (FAD) y el ácido lipoico (ácido 6,8-ditioloctanoico) son también coenzimas transportadoras. La adenosin-trifosfato (ATP) y el guanosin-trifosfato (GTP) son coenzimas en la reacción de transporte de fosfato, la Coenzima A (Co A) en el transporte de grupos acilos, y el tiamin-pirofosfato en la descarboxilación de α-oxo-αcidos.
En cualquier circunstancia, o exposición a agentes, que desnaturalicen las proteínas, destruye lógicamente su actividad enzimática. El calor, cambios extremos de pH, los rayos X, radiación ultravioleta, presiones muy elevadas, ciertas ondas sonoras inactivan las enzimas. Los agentes oxidantes y los precipitantes de las proteínas, como metales pesados, por su carga positiva y los reactivos de los alcaloides por su carga negativa, provocan la inactivación enzimática, pero la especialización de las enzimas hace de un grupo selectivo que actúan principalmente contra estos contaminantes, las cuales son denominadas enzimas antioxidantes.
Las enzimas antioxidantes son esenciales para las células aeróbicas, puesto que mantienen dentro de niveles aceptables las concentraciones de especies químicas conocidas como radicales libres, que se caracterizan por presentar un electrón desapareado y por ser muy reactivas. De todos los radicales resultan de gran interés las especies reactivas de oxígeno (ROS), debido a la estructura birradicálica de esta molécula y al gran número de procesos que las generan y en los que pueden verse involucradas, en los diversos procesos celulares. El hecho de que la célula disponga en tanta abundancia del dispositivo defensivo constituido por las enzimas antioxidantes, pone en evidencia el importante grado de toxicidad que poseen los radicales libres.
Durante el metabolismo aerobio se generan pequeñas cantidades de especies reactivas de oxígeno (ROS), incluyendo radicales hidroxilo (.OH), aniones superóxido (O2.-), y peróxido de hidrógeno (H2O2), como respuesta a estímulos externos e internos. Estas mínimas concentraciones de ROS pueden ser indispensables en muchos procesos, como el sistema de señales intracelulares (que está relacionado con otros procesos como la proliferación celular y la apoptosis), la inmunidad, y la defensa contra microorganismos.
Sin embargo, altas dosis o una eliminación inadecuada de ROS dan lugar a estrés oxidativo, que puede causar graves disfunciones metabólicas y daño a macromoléculas biológicas. Va a existir, por tanto, una relación entre los niveles de las enzimas antioxidantes y los tres tipos de moléculas mensajeras (factores de crecimiento, prostaglandinas y óxido nítrico) implicadas en la homeostasis celular, es decir, un equilibrio entre el mantenimiento de las condiciones estáticas o constantes en el medio interno celular y el nivel de ROS.
En síntesis se le esta dando la importancia de toxicidad que conllevan los radicales libres, durante los procesos biológicos donde una de las consecuencias del estrés oxidativo es la peroxidación lipídica, cuya prevención es esencial en todos los organismos aerobios, ya que los productos derivados de este proceso pueden interactuar con el ADN y son potencialmente mutágenos. Los epóxidos formados pueden reaccionar espontáneamente con centros nucleofílicos en la célula o unirse a los ácidos nucleicos (ADN y ARN).
Esta reacción puede dar lugar a citotoxicidad, alergia, mutagénesis o carcinogénesis, dependiendo de las propiedades del epóxido en cuestión. En los organismos aerobios existen una gran variedad de sistemas de defensa antioxidante tanto enzimáticos como no enzimáticos, que se coordinan cooperativamente y protegen al organismo de los riesgos que conlleva el estrés oxidativo. Entre ellos destacan las actividades enzimáticas superóxido dismutasa (SOD), glutatión peroxidasa (GPX) y catalasa (CAT); glutatión (GSH) además del ácido ascórbico (vitamina C), alfa-tocoferol (vitamina E),), beta-caroteno, vitamina A, flavonoides y ácidos fenólicos.
Por otro lado, también existe una relación entre los niveles de ROS celulares y el incremento ó descenso de las actividades de las enzimas antioxidantes. La adición de H2O2 causa un incremento, dosis dependiente, del ARNm de CAT en células que se encuentran en crecimiento exponencial. Además, también se detecta un incremento de los niveles estacionarios del ARNm de GPX y SOD, cuando hay una sobreexpresion de alguna de las enzimas antioxidantes da lugar a un menor daño oxidativo. Cuando el ADN resulta dañado por radicales hidroxilo se produce la especie 8-oxo-2´-desoxiguanosina. La sobreexpresión de Cu/Zn-SOD y CAT causa un retardo en la acumulación de esta especie durante el crecimiento. El descontrol de todas estas especies reactivas de oxígeno puede, por tanto, afectar a diferentes procesos esenciales del organismo, siendo una de las piedras angulares en la génesis de distintas patologías.
- Superóxido Desmutasa ( SOD)
Descubierta por McCornd y Fridovich (1969), constituye la primera fase de defensa antioxidante, cataliza la reacción de destrucción de los radicales superóxido (O2-) mediante su transformación en peróxido de hidrógeno, el cual puede ser destruido a su vez por las actividades catalasa o glutatión peroxidasa.
O2.- + O2.- + 2H+ -> H2O2 + O2
Se han identificado cuatro clases de SOD: una de ellas contiene un cofactor con dos átomos metálicos, uno de Cu y otro de Zn. Las demás presentan cofactores mononucleares de Fe, Mn o Ni. FeSODs y MnSODs presentan homologías en cuanto a sus secuencias y estructura tridimensional. Además poseen residuos quelantes idénticos en el sitio activo. En humanos existen tres tipos de SOD: la Mn-SOD mitocondrial, la Cu/Zn-SOD citosólica y la SOD extracelular (EC-SOD).
- Mn-SOD
Es un homotetrámero de 96 kDa que contiene un átomo de Mn en cada subunidad. El átomo metálico cambia su estado de oxidación desde Mn(III) a Mn(II), volviendo de nuevo a Mn(III), durante los dos pasos que constituyen la reacción de dismutación del O2.-. La importancia biológica de la Mn-SOD se ha demostrado entre otros hechos por los siguientes:
1) La inactivación de los genes de Mn-SOD en E. coli aumenta la frecuencia de mutaciones cuando las bacterias crecen bajo condiciones aerobias.
2) La eliminación del gen en Saccharomyces cerevisiae aumenta su sensibilidad al oxígeno.
3) La falta de expresión de la enzima en ratones transgénicos da lugar a miocardiopatías y elevada mortalidad neonatal.
4) El factor de necrosis tumoral alfa (TNF-alfa) induce selectivamente el ARNm de Mn-SOD, pero no el de Cu/Zn-SOD, CAT o GPX en tejidos de ratón y en células cultivadas.
5) La transfección de ADNc de Mn-SOD en células cultivadas les confiere resistencia a la citotoxicidad inducida por paraquat (una sustancia que induce la generación intracelular de O2.-), TNF-alfa y adriamicina.
6) La expresión de genes humanos de Mn-SOD en ratones transgénicos los protege de lesiones pulmonares inducidas por oxígeno y toxicidad cardiaca inducida por adriamicina.
Así pues, aunque el contenido de Mn-SOD en tejidos humanos es aproximadamente la mitad del contenido de Cu/Zn-SOD, la expresión de Mn-SOD es esencial para la supervivencia de la vida aerobia y el desarrollo de resistencia celular a la toxicidad inducida por las sustancias reactivas de oxígeno.
- Cu/Zn-SOD (SOD-1)
Posee dos subunidades idénticas de unos 32 kDa, aunque a elevadas concentraciones de proteína en E. coli se encontró una estructura monomérica. Cada subunidad contiene un cluster metálico, el sitio activo, constituido por un átomo de Cu y otro de Zn. Mientras que la Mn-SOD existe en todos los tumores, y la relación de actividades Cu/Zn-SOD/Mn-SOD no difiere de la encontrada en tejidos normales, los tumores poseen menos Cu/Zn-SOD que los tejidos metabólicamente más activos. Por otro lado, la Mn-SOD es esencial para la vida, mientras que la Cu/Zn-SOD no lo es: los ratones con el gen Cu/Zn-SOD truncado aparentan ser normales y sólo muestran anomalías después de un daño traumático, mientras que los que tenían truncado el gen Mn-SOD no sobreviven más de tres semanas. Por otra parte, la supervivencia de ratones expuestos al 100% de oxígeno aumentó cuando se les inyectaron intravenosamente liposomas conteniendo SOD y CAT antes y durante la exposición.
- EC-SOD
Es una glucoproteína tetramérica, que contiene Cu y Zn. Se ha encontrado en los espacios intersticiales de tejidos y también en fluidos extracelulares. La EC-SOD no es inducida por su sustrato u otros oxidantes, y su regulación en tejidos de mamíferos ocurre en primer lugar de un modo coordinado por citocinas, en vez de como respuesta de las células individuales a los oxidantes.
- Catalasa (CAT)
Es una enzima tetramérica, con cuatro subunidades idénticas de 60 kDa dispuestas tetraédricamente y contiene cuatro grupos de ferro-protoporfirina por molécula. Es una de las enzimas conocidas más eficientes, tanto que no puede ser saturada por H2O2 a ninguna concentración, catalizando su conversión en H2O y O2, para proteger a las células del H2O2 que se genera en su interior. Con dadores de H (metanol, etanol, ácido fórmico, fenoles…) presenta actividad peroxidasa.
2H2O2 -> 2H2O + O2
ROOH + AH2 -> H2O + ROH + A
Por lo tanto, el H2O2 es catabolizado enzimáticamente en organismos aerobios por la catalasa y otras peroxidasas. En animales, el peróxido de hidrógeno sé destoxifica mediante las actividades de la catalasa y la glutatión peroxidasa. Aunque la catalasa no es esencial para algunos tipos de células en condiciones normales, tiene un importante papel en la adquisición de tolerancia al estrés oxidativo en la respuesta adaptativa de las células. La catalasa captura el H2O2 antes de que pueda escapar de la célula y lo convierte en oxígeno molecular.
- Glutatión peroxidasa (GPX)
Está formada por cuatro subunidades idénticas, y cada una de ellas contiene un residuo de selenocisteína, que es esencial para su actividad enzimática. La GPX comparte su sustrato con la catalasa, pero además puede reaccionar de manera efectiva con lípidos y otros hidroperóxidos orgánicos, catalizando la reducción de diferentes hidroperóxidos (ROOH y H2O2) usando glutatión reducido (GSH) que es transformado en glutation oxidado (GSSG) y así contribuye a la protección de las células de mamíferos contra el daño oxidativo.
ROOH + 2GSH -> ROH + GSSG + H2O
Se han encontrado al menos cinco isoenzimas de GPX en mamíferos. Aunque su expresión es ubicua, el nivel de cada isoforma varía dependiendo del tipo de tejido. La GPX citosólica ó mitocondrial (GPX1) reduce los hidroperóxidos de ácidos grasos y el H2O2 a expensas del glutatión. La GPX1 y la GPX4 (PHGPX o fosfolípido hidroperóxido GPX) se encuentran en más tejidos. La GPX4 se localiza tanto en la fracción citosólica como en la membrana. PHGPX puede reducir directamente los hidroperóxidos de los fosfolípidos, peróxidos de ácidos grasos y hidroperóxidos de colesterol, que se producen en las membranas peroxidadas y en las lipoproteínas oxidadas.
La GPX1 se encuentra predominantemente en eritrocitos, riñón e hígado, y la GPX4 se expresa mayoritariamente en células del epitelio renal y en los testículos. La GPX2 citosólica (o GPX-G1) y la GPX3 extracelular (o GPX-P) se detectan escasamente en la mayoría de los tejidos, excepto en el tracto intestinal y el riñón, respectivamente. Recientemente se ha encontrado un nuevo miembro, la GPX5, que es independiente de selenio y se expresa específicamente en el epidídimo de ratón.
El ciclo rédox del glutatión es la mayor fuente de protección contra bajos niveles de estrés oxidativo, pero la catalasa es más importante a la hora de proteger contra el estrés oxidativo severo. En células animales, y especialmente en eritrocitos humanos, la principal enzima antioxidante para la destoxificación de H2O2 es la GPX, ya que la CAT presenta mucha menos afinidad por el H2O2.
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REALIZADO POR:
ALEMÁN PALACIOS, LAURA
Tesis en la carrera de Licenciatura de Biología
Universidad de Oriente, Núcleo de Sucre-Cumaná
Venezuela
NINOSKA