Cofactores y coenzimas. Inhibidores reversibles, irreversibles, competitivos y no competitivos. Enzimas alostéricas. Inhibición por retroalimentación.

Introducción

Las células de tu cuerpo pueden hacer muchas enzimas distintas, y en un principio podrías pensar: bien, ¡hagamos funcionar todas esas enzimas y metabolicemos tan rápido como sea posible! Sin embargo, resulta que realmente no queremos producir y activar todas esas enzimas al mismo tiempo ni en la misma célula.
Distintas células tienen diferentes necesidades y circunstancias que además, cambian a lo largo del tiempo. Las células estomacales por ejemplo, necesitan enzimas distintas a las que necesitan las células que almacenan grasas, las células cutáneas, sanguíneas o nerviosas. Una célula digestiva también trabaja mucho más para procesar y descomponer los nutrientes inmediatamente después de comer que muchas horas después de una comida. A medida que estas necesidades y condiciones celulares cambian, también lo hacen la cantidad y funcionalidad de las diferentes enzimas.
Dado que las enzimas guían y regulan el metabolismo de una célula, tienden a estar cuidadosamente monitoreadas. En este artículo, examinaremos los factores que pueden afectar o controlar la actividad de las enzimas. Estos incluyen el pH y la temperatura (que se analizan en el artículo sobre el sitio activo), así como:
  • Moléculas reguladoras. La actividad enzimática pueden "prenderse" o "apagarse" con moléculas activadoras e inhibitorias que se unen específicamente a la enzima.
  • Cofactores. Muchas enzimas solo son funcionales cuando se unen a moléculas auxiliares no proteicas conocidas como cofactores.
  • Compartimentación. Almacenar enzimas en compartimientos específicos puede evitar que causen daño o proporcionan las condiciones adecuadas para su actividad.
  • Inhibición por retroalimentación. Las enzimas metabólicas clave suelen inhibirse por el producto final de la vía que controlan (inhibición por retroalimentación).
En el resto de este artículo, analizaremos estos factores uno por uno, y veremos cómo cada uno puede afectar la actividad enzimática.

Moléculas reguladoras

Las enzimas pueden ser reguladas por otras moléculas que aumentan o bien disminuyen su actividad. Las moléculas que aumentan la actividad de una enzima se conocen como activadores, mientras que aquellas que disminuyen la actividad de una enzima se llaman inhibidores.
Hay muchas clases de moléculas que bloquean o promueven la función enzimática y que la afectan por distintas rutas.

Competitiva v. no competitiva

En muchos casos bien estudiados, la unión de un activador o un inhibidor es reversible, es decir que la molécula no se une permanentemente a la enzima. Algunos tipos importantes de fármacos actúan como inhibidores reversibles. Como ejemplo, el fármaco tipranivir, que se usa para tratar el VIH, es un inhibidor reversible.1^1 Bloquea la actividad de la enzima viral que ayuda al virus a fabricar más copias de sí mismo.
Los inhibidores reversibles se dividen en grupos de acuerdo con su comportamiento de unión. Aquí no analizaremos todos los tipos, pero examineramos dos grupos importantes: los inhibidores competitivos y los no competitivos.
  • Un inhibidor puede unirse a una enzima y bloquear la unión del sustrato, por ejemplo, al pegarse al sitio activo. Esto se conoce como inhibición competitiva porque el inhibidor "compite" con el sustrato por la enzima. Es decir, solo el inhibidor o bien el sustrato puede estar unido a la enzima en un momento dado.
  • En la inhibición no competitiva, el inhibidor no bloquea la unión del sustrato con el sitio activo, sino que se pega a otro sitio y evita que la enzima haga su función. Se dice que esta inhibición es "no competitiva" porque el inhibidor y el sustrato pueden estar unidos a la enzima al mismo tiempo.
Diagrama que ilustra la inhibición competitiva y no competitiva. El inhibidor competitivo se une al sitio activo e impide su unión al sustrato. El inhibidor no competitivo se une a un sitio diferente de la enzima, no bloquea la unión del sustrato pero produce otros cambios en la enzima de forma que ya no puede catalizar la reacción eficientemente.
Se puede diferenciar entre un inhibidor competitivo y uno no competitivo por la forma como afectan la actividad de una enzima a diferentes concentraciones del sustrato.
  • Si un inhibidor es competitivo, disminuirá la velocidad de reacción cuando no hay mucho sustrato, pero si hay mucho sustrato, este "ganará". Es decir, la enzima de cualquier forma puede alcanzar la velocidad máxima de reacción siempre que haya suficiente sustrato. En ese caso, casi todos los sitios activos de casi todas las moléculas de enzima estarán ocupadas por el sustrato en lugar del inhibidor.
    Puedes pensar en la inhibición competitiva desde la perspectiva de un partido de fútbol (soccer).
    Por ejemplo, puedes tener un jugador en la ofensiva (el sustrato) y uno en la defensa (el inhibidor), y ambos compiten por el balón (la enzima). En este escenario, es probable que el jugador de la defensa tenga posesión del balón una fracción significativa del tiempo. Esto es similar al caso en que la concentración de sustrato es baja y el inhibidor reduce significativamente la velocidad de reacción.
    Si, en cambio, mandas seis jugadores a la ofensiva (moléculas de sustrato) para cada jugador defensivo (inhibidor), las probabilidades de que la ofensiva mantenga el balón (la enzima) serían mucho mayores. Después de cierta proporción, casi se vuelve una certeza. Esto es como el caso donde la concentración de sustrato es alta, lo que permite alcanzar la velocidad de reacción máxima a pesar de la presencia del inhibidor.
  • Si un inhibidor es no competitivo, la reacción catalizada por la enzima jamás llegará a su velocidad de reacción máxima normal, incluso en presencia de mucho sustrato. Esto se debe a que las moléculas de enzima que están unidas al inhibidor no competitivo están "envenenadas" y no pueden hacer su función, independientemente de la cantidad disponible de sustrato.
Una gráfica de la velocidad de reación (eje-y) a diferentes concentraciones de sustrato (eje-x), nos permite diferenciar estos dos tipos de inhibidor por la forma de las curvas:
Esta gráfica muestra la velocidad de reacción contra la concentración de sustrato para una enzima en ausencia de inhibidor, y para una enzima en presencia de inhibidores competitivos y no competitivos. Tanto los inhibidores competitivos como los no competitivos disminuyen la velocidad de reacción, pero la acción de los inhibidores competitivos se puede superar con altas concentraciones de sustrato, pero no la de los inhibidores no competitivos.
_Crédito de la imagen: "Enzimas: Figura 3," por OpenStax College, Biology, CC BY 3.0._
¿No estás familiarizado con este tipo de gráfica? ¡No te preocupes! El artículo sobre información básica de las gráficas de cinética enzimática tiene una explicación paso a paso.

Regulación alostérica

En general, la regulación alostérica, es solo cualquier forma de regulación donde la molécula reguladora (un activador o un inhibidor) se une a una enzima en algún lugar diferente al sitio activo. El lugar de unión del regulador se conoce como sitio alostérico.
La parte izquierda de este diagrama muestra la inhibición alostérica. El inhibidor alostérico se une a una enzima en un lugar que no es el sitio activo. La forma del sitio activo se altera de manera que la enzima ya no puede unirse a su sutrato.
La parte derecha de este diagrama muestra la activación alostérica. El activador alostérico se une a una enzima en un lugar que no es el sitio activo. La forma del sitio activo se modifica, lo que permite que el sustrato se una con mayor afinidad.
_Imagen modificada de "Enzimas: Figura 4," por OpenStax College, Biology, CC BY 3.0._
Prácticamente todos los casos de inhibición no competitiva (junto con algunos casos de inhibición competitiva, aquellos en los que el inhibidor se une en otra parte que no es el sitio activo) son formas de regulación alostérica.
Sin embargo, algunas enzimas reguladas alostéricamente tienen un conjunto de propiedades únicas que las distinguen. Esta enzimas, que incluyen algunos de nuestros reguladores metabólicos clave, con frecuencia se conocen como enzimas alostéricas.2^2 Las enzimas alostéricas usualmente tienen varios sitios activos localizados en diferentes subunidades proteicas. Cuando un inhibidor alostérico se une a una enzima, cambian ligeramente todos los sitios activos en las subunidades proteícas, de manera que funcionan menos eficientemente.
También hay activadores alostéricos. Algunos de ellos se unen a una enzima en lugares que no son el sitio activo, y causan un aumento en la función de este. Además, en un proceso conocido como cooperatividad, el sustrato mismo puede servir como un activador alostérico: al unirse a un sitio activo, aumenta la actividad de otro sitio activo.3^{3} Esto se considera regulación alostérica porque el sustrato afecta los sitios activos que están lejos de su sitio de unión.
La hemoglobina, la proteína que transporta oxígeno en la sangre, muestra cooperatividad. De hecho, ¡es un ejemplo clásico!
Sin embargo, la hemoglobina no es un ejemplo de enzima alostérica. La hemoglobina transporta el oxígeno, pero no cataliza una reacción, por lo que no es una enzima. Sin embargo, esta proteína tiene varios sitios activos y cuando el oxígeno se une a uno de ellos, aumenta la afinidad por el oxígeno (la tendencia a unirse al oxígeno) en los demás sitios activos.
Puedes aprender más sobre la cooperatividad de la hemoglobina en este video sobre el transporte de oxígeno.

Cofactores y coenzimas

Muchas enzimas no funcionan de manera óptima, o incluso no funcionan en absoluto, a menos que estén unidas a otras moléculas auxiliares no proteicas conocidas como cofactores. Estos pueden unirse temporalmente a la enzima a través de enlaces iónicos o de hidrógeno, o permanentemente mediante enlaces covalentes más fuertes. Entre los cofactores comunes están los iones inorgánicos como el hierro (Fe2+)\text {(Fe}^{2+}) y el magnesio (Mg2+)(\text {Mg}^{2+}). Por ejemplo, la enzima que hace las moléculas de ADN, la ADN polimerasa, necesita iones magnesio para funcionar.4^4
Las coenzimas son un subconjunto de cofactores que son moléculas orgánicas (basadas en el carbono). La fuente más común de coenzimas son las vitaminas de la dieta. Algunas vitaminas son precursores de coenzimas y otras actúan directamente como coenzimas. Por ejemplo, la vitamina C es una coenzima de varias enzimas que participan en la construcción de la proteína llamada colágena, una parte clave del tejido conectivo.
Estructura química de la vitamina C, la cual actúa como coenzima de varias enzimas.
Imagen modificada de OpenStax, Biología

Compartimentación de las enzimas

A menudo, las enzimas se encuentran en compartimentos (se guardan en una parte específica de la célula donde ejercen su función), por ejemplo, en un organelo en particular. La compartimentación significa que las enzimas que son necesarias para procesos específicos se pueden conservar en los lugares donde actúan, lo que asegura que encuentran listos sus sustratos, no dañan la célula, y tienen el microambiente necesario para funcionar bien.
Como ejemplo, las enzimas digestivas del lisosoma funcionan mejor a un pH alrededor de 5.05.0, que se encuentra en el interior ácido del lisosoma, pero no en el citosol que tiene un pH de unos 7.27.2. Las enzimas del lisosoma tienen baja actividad al pH del citosol, lo que podría servir de "garantía" para la célula: incluso si el lisosoma se rompe y derrama sus enzimas, estas no comenzarán a digerir la célula porque ya no tendrán el pH adecuado para funcionar.5^5

Inhibición de vías metabólicas por retroalimentación

En el proceso de inhibición por retroalimentación, el producto final de una vía metabólica actúa sobre la enzima clave que regula el ingreso a esa vía para evitar sobreproducción del producto final.
Esto puede parecer extraño, ¿por qué una molécula querría apagar su propia vía? En realidad, esta es una forma astuta en que la célula hace la cantidad justa del producto. Cuando hay poca cantidad del producto, la enzima no se inhibirá y la vía correrá a todo vapor para regenerar sus provisiones. Cuando hay demasiado producto acumulado, la enzima se bloqueará para impedir la producción de producto nuevo hasta que se haya utilizado el existente.
Diagrama que ilustra la inhibición por retroalimentación. El producto final de una ruta metabólica de pasos múltiples se une al sitio alostérico de la enzima que cataliza el paso crucial de la ruta, y se reduce la actividad de la enzima. Esta regulación ayuda a retrasar la ruta cuando los niveles del producto final son altos (cuando no se necesita más).
Crédito de la imagen: OpenStax Biología
Usualmente, la inhibición por retroalimentación funciona como el primer paso comprometido de la vía, es decir, el primer paso que de hecho es irreversible. Sin embargo, la inhibición por retroalimentación a veces también puede afectar varios puntos en una vía, sobre todo si la vía tiene muchos puntos de ramificación. Frecuentemente, los pasos de la vía regulada por inhibición por retroalimentación son catalizados por enzimas alostéricas.6^{6}
Por ejemplo, la molécula portadora de energía, ATP, es un inhibidor alostérico de algunas de las enzimas implicadas en la respiración celular, un proceso que fabrica ATP para impusar las reacciones celulares. Cuando hay mucho ATP, esta inhibición por retroalimentación evita la formación de más ATP. Esto es útil porque el ATP es una molécula inestable. Si se fabricara demasiado ATP, se podría desperdiciar mucho, al romperse espontáneamente en sus componentes (ADP y Pi_i).
El ADP, por otro lado, sirve como un regulador alostérico positivo (un activador alostérico) para algunas de las mismas enzimas que inhibe el ATP. Por ejemplo, el ADP puede actuar al unirse a una enzima y cambiar su forma para que sea más activa7^{7}.
Gracias a este patrón de regulación, cuando los niveles de ADP son altos en comparación con los de ATP, las enzimas de la respiración celular son más activas y producirán más ATP mediante la respiración celular.

Créditos:

Este artículo es un derivado modificado de “Enzymes (Enzimas)”, de OpenStax, Biología (CC BY 3.0). Descarga gratis el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:32/Biology.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

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  3. Berg, J. M., Tymoczsko, J. L., y Stryer, L. (2002). Aspartate transcarbamylase is allosterically inhibited by the end product of its pathway (La aspartato transcarbamilasa es inhibida alostéricamente por el producto final de su ruta). En Biochemistry (5a ed., sección 10.1). New York, NY: W. H. Freeman. Consultado en https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22460/#_A1336_.
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  5. Cooper, G. M. (2000). Lysosomes (Lisosomas). En The cell: A molecular approach (2a ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Consultado en http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9953/.
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