El tema d’avui – el dels enzims- tanca la “trilogia” aminoàcids, proteïnes i enzims de la unitat didàctica dos de bioquímica, que vaig encetar fa uns dies ja. Degut a que he prioritzat anar publicant noticies a diari, doncs havia quedat una mica penjat. Però ja és hora de tancar capítols, que m’agradaria portar al blog tots els continguts del trimestre de bioquímica, i se m’acumula la feina!
Donat que no m’agrada massa com han estructurat la part dels enzims als apunts, he fet un “matxambrat” entre els apunts de la UD2, la Viquipèdia i algun que altre article que he anat trobant per la xarxa. Sento no citar tots els articles correctament, etc. Em fa pal. Un d’ells és aquest. Suposo que seré jutjat i enviat a l’infern pels Déus de l’escrutini Científic : )
Una mica d’història…
Wilhelm Kühne encunyà el terme “enzim”Als apunts no en comenten res però, ja posats, imagino que no està de més revisar una mica la història dels enzims, per a ajudar-nos a contextualitzar una mica com hem arribat a saber el que sabem sobre ells. Amb sort ens ajudi a “recuperar idees del cervell” durant l’examen. No sé vosaltres però jo si no tinc un lligam fort amb una idea em costa molt retenir-la. Dec tenir una part del cervell atrofiada, suposo : )
Louis Pasteur va especular, al segle XIX, que la fermentació de sucres en alcohol per mitjà del llevat havia de venir propiciada per alguna mena de força vital continguda dins les cèl·lules del llevat, o sigui per la seva acció, no pas per la mort o putrefacció, com es pensava fins llavors.
Més tard, l’any 1878, el fisiòleg alemany Wilhelm Kühne va ser el primer en utilitzar el mot “enzim” que prové del grec ἔνζυμον que significa “en el llevat”. Els posteriors experiments de Northrop, Stanley i Sumner -que els hi van portar el Premi Nobel de Química l’any 1946- varen demostrar que, menys els ribozims, tots els enzims són proteïnes.
Definició
Després d’aquesta petita introducció, pel que fa a la seva definició, als apunts hi diu:
Els enzims són biocatalitzadors específics que catalitzen (augmenten la velocitat) de les reaccions químiques que tenen lloc en els sers vius. Cada enzim catalitza un sol tipus de reacció i casi sempre actua sobre un únic substrat o un grup reduït d’ells.
Bé, sona convincent… però resulta una mica difícil d’imaginar, oi? Anem a repassar com funciona el mecanisme d’acció i amb una mica de sort ho puguem interioritzar una mica més.
Sobre reaccions i l’energia d’activació
Més definicions dels apunts:
En les reaccions espontànies, els productes tenen menys energia lliure de Gibbs (AG) que els reactius. Per tant, en les reaccions espontànies s’allibera energia lliure de Gibbs (AG <0)
Uhmm… què vol dir això? Tornem a dependre dels coneixements en química bàsica, i a més ara també en termodinàmica. Per pams:
Ying i yangUn dels aspectes químics bàsics és que tot sistema tendeix a trobar un estat d’equilibri. Si en algun moment aquest equilibri es trenca, el sistema té tendència a intentar tornar a un nou estat d’equilibri, reaccionant d’una certa manera. Com lliga això amb els nostres enzims? En tot moment, en l’organisme es poden donar situacions on el sistema no està en equilibri, llavors aquestes reaccions espontànies sorgeixen per a intentar re-trobar l’equilibri. El que ens porta a lo següent:
Malgrat això, per a que la reacció comenci cal un aportament d’energia que es denomina energia d’activació (Ea). Per tant, com menor sigui l’energia d’activació més fàcilment transcorre la reacció. Els catalitzadors disminueixen l’energia d’activació. Els enzims (catalitzadors orgànics) disminueixen més encara l’energia d’activació que els catalitzadors inorgànics.
La qual cosa ens hauria de portar a plantejar-nos, què és exactament una reacció química? Perquè jo tinc una idea vague de batxillerat, però tampoc ho tinc clar del tot ara mateix (Coursera al rescat!). El següent enllaç explica de manera més o menys senzilla per què tenen lloc les reaccions, i ens ajudarà a comprendre una mica més tot això.
En tot cas, tot aquest procés descrit, quan aplica a la bioquímica dels sers vius, forma part del que finalment es coneix com a metabolisme, paraula que ha aparegut moltes vegades al blog ja, però que si vas a mirar, no hem definit fins al moment. He vist que això es tracta a la unitat tres d’aquesta mateixa assignatura així que de moment, millor ho deixo aquí per no barrejar continguts en excés, ja que aviat hi arribarem. Igualment, m’ha semblat que era difícil intentat entendre els enzims desconeixent tot això.
El missatge amb el que ens hem de quedar és que els enzims faciliten que ocorrin aquestes reaccions químiques al organisme.
Especificitat dels enzims – cada ovella amb la seva parella!
Els enzims realitzen la seva acció afavorint l’aproximació de les molècules dels reactius, però no actuen com a tals, o sigui no es consumeixen, tan sols ajuden a que es realitzi l’acció. Anomenem substrat a la substància sobre la que actua l’enzim, i centre actiu a la regió específica de l’enzim que “encaixa” amb el substrat.
Aquí entra en joc un altre concepte important, i és que els enzims són, generalment, molt específics en quant a les reaccions que catalitzen i el tipus de substrats amb els que estan implicats. Per exemple, el substrat natural de l’enzim sacarasa és la sacarosa, mentre que la maltosa i la isomaltosa són substrats anàlegs per a aquest enzim. Què vol dir això? doncs que l’enzim no actua amb la mateixa eficàcia en un substrat anàleg respecte a com ho faria amb el seu substrat natural.
Altres enzims, per això, tenen un grau d’especificitat menor, com per exemple la quimiotripsina, que és un enzim digestiu que trenca els enllaços amida de proteïnes i pèptids de diversos tipus. En aquest cas interessa un abast més global i aquest enzim se’n carrega.
En altres casos més extrems, els enzims poden arribar a tenir una especificitat altament selectiva, per exemple, els que estan implicats en la còpia i expressió del genoma tenen fins i tot “controls de qualitat”, usant la ADN polimerasa, que catalitza una reacció en una primera fase i després verifica que el producte sigui correcta en una de segona. En aquest cas hi ha un alt nivell d’especificitat perquè el procés de replicació del ADN és crític.
De fet, hi ha dos mecanismes a través dels quals s’ha intentat explicar com els enzims es “reconeixen” amb els seus respectius substrats:
Model de “pany i clau”
Emil Fischer suggerí el 1894 que l’especificitat dels enzims ve determinada per la forma geomètrica concreta que tenen, que encaixaria recíprocament amb la del seu substrat. Per això se’n diu model de “pany i clau” ja que es pot establir un símil: si l’enzim no és el correcte no “encaixa” en el substrat i la reacció no es du a terme (“la porta no s’obre”). Sembla ser que això és així en determinats casos però no sempre, i en tot cas no explica l’estabilització de l’estat de transició que assoleixen els enzims (ho veurem més avall).
Model d’acoblament induït
El 1958, Daniel Koshland suggereix una modificació del model anterior, on el lloc actiu de l’enzim canvia de forma constantment a causa de les interaccions amb el substrat, a mesura que van interactuant. Les cadenes laterals R (ja hauriem de saber què són) que conformen el lloc actiu son modelades en les posicions precises que permeten finalment a l’enzim executar la seva funció catalítica.
Regulació de l’activitat enzimàtica
A part de l’especificitat necessària per a que substrat i enzim donin lloc a la reacció, hi ha certs factors que també juguen un paper important en el procés. Són:
pH
Els enzims contenen grups ionitzables que són molt sensibles al canvi del pH. Hi ha un pH adequat per a l’activitat catalítica de cada enzim, és el que s’anomena pH òptim. Com ja varem veure amb les proteïnes, donat que mantenir el pH intracel·lular estable és bastant crític, hi ha sistemes més o menys complexes per a procurar mantenir-lo, anomenats amortiguadors fisiològics.
-
Temperatura
Lligat amb el tema de la termodinàmica i de l’energia de Gibbs que mencionavem abans, la temperatura és important per a que tingui lloc la reacció. Se sap que per cada 10ºC que la temperatura augmenta, la velocitat de la reacció es duplica. Suposo que ja imagineu per què quan escalfem una substància potencialment inflamatòria hi ha més números de que exploti, reacció al poder!
-
Cofactors
De vegades, l’activitat catalítica depen d’un compost químic addicional anomenat cofactor. Els cofactors poden ser ions inorgànics com el ferro, magnesi, manganès, o bé molècules orgàniques. En aquest últim cas s’anomenen coenzims. Molts d’aquests coenzims se sintetitzen a partir de vitamines. La unió entre l’enzim i el coenzim s’anomena grup prostètic . Quan l’enzim es troba reunit amb el coenzim, diem que ens trobem davant d’un holoenzim i és la forma activa, mentre que quan estan separats, parlem de forma inactiva, i s’anomena apoenzim.
-
Presència d’inhibidors
La velocitat de reacció dels enzims pot ser reduïda per diversos tipus d’inhibidors enzimàtics. Es poden dividir en diferents classes, que veurem més endavant.
Realment sembla un miracle que puguin tenir lloc les reaccions amb tanta casuística, oi? Meravelles de la biologia!
Ok, tenint en compte tot això de que hi ha una energia a superar per a que es dugui a terme la reacció, que els enzims faciliten el procés, que cada enzim és molt específic i que hi ha tots uns factors de la regulació de la seva activitat que cal contemplar… ¿com ho fan finalment?
Mecanismes d’acció
Quan un substrat es troba amb l’enzim corresponent, segons aquest principi d’especificitat descrit en el punt anterior, la reacció catalitzada té lloc en tres etapes:
- Formació del complex ES
En primer lloc, el substrat s’uneix a l’apoenzim formant el que s’anomena com a complex enzim-substrat (abreviat com ES). Els radicals dels aminoàcids del centre actiu s’uneixen al substrat i aconsegueixen debilitar els seus enllaços, provocant canvis energètics que permeten assolir l’estat de transició desitjat. Aquesta unió és reversible, doncs una part del complex ES es dissocia. Aquesta capacitat de dissociació és el que fa aquesta fase la més lenta. - Realització de la reacció
Un cop format el complex ES, el cofactor du a terme la reacció i s’obté el producte final. Aquesta etàpa és ràpida i irreversible. En el cas que no existeixin cofactors, l’acció catalítica la realitzen alguns aminoàcids del propi centre actiu. La determinació de velocitat amb la que tenen lloc aquestes reaccions s’anomena cinètica enzimàtica. - Alliberació del producte
El producte de la reacció s’allibera del centre actiu i l’apoenzim queda lliure per a poder unir-se altre vegada a noves molècules que actuin com a substrat, començant així noves reaccions.
Altres coses sobre els enzims: els inhibidors
Com ja hem mencionat per sobre, depenent de com l’inhibidor interacciona amb l’enzim, els podem classificar de diverses maneres. En general, la primera gran classificació es fa en funció de si la inactivació de l’enzim és reversible o no.
Que sigui irreversible significa que l’inhibidor modifica les propietats químiques de l’enzim, més concretament els residus dels aminoàcids (enllaç covalent) que són necessaris per a l’activitat enzimàtica. El cianur és un exemple clàssic d’inhibidor irreversible que al unir-se a la citocrom oxidasa mitocondrial, bloqueja totes les reaccions associades amb el transport d’electrons. Normalment, els inhibidors irreversibles són específics i tòxics, tot i que en la quantitat adequada, es poden usar amb finalitats terapèutiques.
En canvi, els inhibidors reversibles s’uneixen a l’enzim de forma no covalent, és a dir, utilitzen altres mecanismes com ponts d’hidrogen, interaccions hidrofòbiques, etc. que poden ser fàcilment trencades per dilució o diàlisi. Dins d’aquest grup, podem trobar diferents sub-tipus, en funció de com s’uneix l’inhibidor a l’enzim:
- Inhibidors competitius
Com diu la pròpia paraula, competeixen amb el substrat i fan que calgui més d’aquest per a assolir la mateixa velocitat d’activació. - Inhibidors no competitius
S’uneixen a l’enzim a la vegada que el substrat, no al lloc actiu. En aquest cas, la velocitat de la reacció si augmenta degut a que el substrat no pot expulsar l’inhibidor, per tant amb el mateix substrat cal més temps per a la activació. - Inhibidors mixtes
S’uneixen tant a l’enzim com al complex ES, incrementant tant la necessitat de substrat com la velocitat d’activació. - Inhibidors incompetitius
Són aquells casos especials en que l’inhibidor s’uneix només al complex ES, el qual és catalíticament inactiu.
Modulació alostèrica
A més a més dels enzims senzills que interaccionen només amb substrats i inhibidors, trobem també un grup d’enzims que s’uneixen a molècules fisiològicament importants i que en modulen l’activitat. Aquest tipus d’enzims es coneixen com a enzims alostèrics i les molècules a les que s’uneixen com a molècules efectores.
La característica més important dels efectors és que quan s’uneixen a l’enzim alostèric, les propietats catalítiques del centre actiu de l’enzim canvien. Si s’incrementa l’activitat catalítica ens trobem davant d’efectors positius, mentre que si la disminueixin, en diem efectors negatius.
Classificació segons les propietats bioquímiques
El nom d’un enzim deriva sovint del seu substrat o de la reacció química que catalitza, portant el sufix -asa. Per exemple, trobem la lactasa, la alcohol dehidrogenasa, l’ADN polimerasa, etc. En funció de les propietats bioquímiques que confereixen als enzims diferents mecanismes d’acció i d’implicació en les funcions de l’organisme, trobem les següents classificacions:
- Oxidoreductases
Catalitzen reaccions d’oxidació i reducciò - Transferases
Transfereixen un grup funcional (per exemple un grup metil o un fosfat) - Hidrolases
Catalitzen la hidròlisi de diversos enllaços - Liases
Fragmenten diversos enllaços per mitjans diferents a la hidròlisi i la oxidació - Isomerases
Catalitzen canvis d’isomerització dins d’una única molècula - Ligases
Uneixen dues molècules amb enllaços covalents
Bé, crec que ja hem tingut prou per avui de definicions, jo personalment ja començo a notar-me una mica sobresaturat d’informació! Si voleu indagar una mica més en aquests tipus d’enzims, cada tipus té el seu respectiu enllaç a la Viquipèdia.
Com lliga tot això amb la nutrició?
Suposo que a aquestes alçades ja deu haver quedat demostrada la importància dels enzims en l’organisme, tot i que, si vas a mirar, hi ha algun element de l’organisme que no sigui important? En qualsevol cas, i per tancar una mica el tema de manera que tinguem la sensació que hem vist quelcom plausible en el nostre dia a dia, podem revisar alguns dels enzims més típics relacionats amb la nutrició i dels quals probablement ja en sabem alguna cosa.
Per exemple, a l’aparell digestiu dels animals (i per extensió, de les persones) trobem enzims com les amilases i les proteases, que descomponen les molècules grans dels aliments, respectivament els midons i les proteïnes.
En el cas dels midons, les seves molècules són massa grans com per ser absorbides directament per l’intestí, però afortunadament els enzims hidrolitzen els midons en molècules més petites que acaben reduint-se a glucosa, que si pot ser absorbida, ja que, com veurem més endavant, és finalment un dels principals combustibles de l’organisme.
Alguns animals com els ruminants tenen enzims que nosaltres no tenim, com la celul·lasa, que els permet descompondre la cel·lulosa de les fibres vegetals per a obtenir-ne energia.
Un altre exemple típic és la lactasa, un enzim produït a l’intestí prim que se sintetitza principalment durant la infància de tots els mamífers, i que permet convertir la lactosa, el principal disacàrid de la llit, en glucosa i galactosa, que poden ser absorbits per l’intestí.
A mesura que ens fem adults l’expressió de lactasa hauria de disminuir, la qual cosa sembla consistent amb el fet que ja no hem de menester més llet durant la fase adulta, però certes mutacions, que s’especula que poden haver aparegut fa uns 5.000 a 10.000 anys gràcies als efectes de la ramaderia, permeten que bona part dels adults, especialment a Europa, seguim produint aquest enzim durant l’edat adulta. Quan un adult que ja no produeix prou quantitat de l’enzim consumeix més lactosa de la que pot convertir, és quan presenta els símptomes de la intolerància a la lactosa.
Vídeos
Com de costum, deixo uns enllaços externs a vídeos de YouTube per a aclarir conceptes. He deixat un en espanyol ja que tothom l’entendrà, la resta són en anglès ja que el material disponible es bastant millor, o com a mínim és més fàcil de trobar.
Resumint
Arribats aquí, recapitulem i reunim les coses importants que convé recordar (preguntes d’examen?):
- Quasi bé tots els enzims són proteïnes (menys els ribozims)
- La substància sobre la que actua l’enzim s’anomena substrat
- El substrat s’uneix a una regió específica de l’enzim anomenada centre actiu, formant-se el complexe enzim-substrat
- El substrat es converteix en producte
- S’allibera el producte
- L’enzim pot començar de nou una altra acció
- Els enzims acceleren les reaccions multiplicant la seva velocitat
- No s’alteren durant el procés
- No duen a terme reaccions que siguin energèticament desfavorables, és a dir, no modifiquen la constant d’equilibri de la reacció, sinó que acceleren la seva consecució (com si rebobinéssim cap endavant una peli a 4x!)
I fins aquí per avui. Pel que fa a la continuació de la sèrie d’apunts de la uni, el tema 1 que em vaig saltar tractava sobre lípids i glúcids, i crec que un dels dos serà la diana de la següent entrada, doncs encaixa perfectament amb la línia del blog.
Stay tunned! 😉
