La especificidad de las enzimas es una característica dada debido a su estructura y función, por lo que cambios en su estructura representan una mejora en la capacidad funcional convirtiendo a la enzima en una especie de ʺcerradura maestraʺ.
Las enzimas son proteínas encargadas de catalizar las reacciones químicas que hacen posible la vida tal y como la conocemos. La presencia y el mantenimiento de un conjunto completo y equilibrado de enzimas son esenciales para la desintegración de nutrientes, a fin de que proporcionen energía y bloques de construcción químicos que son utilizados en la formación de proteínas, DNA, membranas, tejidos, y la utilización de energía para que la célula realice sus funciones. Debido a su estructura ordenada, la enzima forma un complejo intermedio inestable con el sustrato, la sustancia sobre la que actúa. Cuando el complejo enzima-sustrato se descompone, el producto se libera, la molécula de la enzima original se regenera y queda libre para formar un nuevo complejo. La enzima en sí misma no resulta permanentemente alterada o consumida por la reacción así que se puede reutilizar. Esta es la forma resumida y simple de cómo funciona una enzima. En cuanto a su estructura, cada enzima contiene uno o más sitios activos, que son regiones en las cuales se une el sustrato para formar el complejo. Los sitios activos de algunas enzimas son ranuras o cavidades en la molécula de la enzima formada por cadenas de aminoácidos, donde en la mayoría de las enzimas los sitios activos se localizan aproximadamente en la superficie (1). Ahora bien, los estudios que se han llevado a cabo sobre la estructura y la funcionalidad de las enzimas se remontan al siglo XX donde Emil Fischer propuso que las enzimas y los sustratos interactuaban para formar un complejo de enzima-sustrato (como ya se mencionó anteriormente), pero cuya estabilidad térmica fue mayor que la de la enzima en sí. Fischer razonó que la alta especificidad con la cual las enzimas reconocen sus sustratos al formar un complejo, era análoga a la manera en la cual una cerradura mecánica distingue la llave apropiada. Esta ʺcerraduraʺ enzimática recibe el nombre de sitio activo (2). Fischer propuso que las enzimas eran estructuralmente complementarias a sus sustratos. Esta elegante idea de que una interacción específica (exclusiva) entre dos moléculas biológicas está facilitada por superficies moleculares con formas complementarias, ha influido en el desarrollo de la bioquímica, no obstante la hipótesis de la ʺllave y cerraduraʺ puede ser engañosa cuando se aplica a la catálisis enzimática. Una enzima totalmente complementaria a su sustrato sería una enzima muy deficiente (3). Estudios posteriores, realizados por Linus Pauling indicaron que la forma de la enzima no parece exactamente complementaria a la del sustrato, es decir, el enlace del sustrato a la molécula de la enzima causa un cambio conocido como ajuste inducido, en la forma de la enzima, modificando su conformación para adecuarse con más exactitud al sustrato (4). Todo esto sirve de antecedente para exponer la cualidad más importante de las enzimas, la especificidad, y cómo pequeños cambios estructurales idealizados pueden suponer una mejora en la capacidad funcional de las enzimas en las rutas metabólicas.
La especificidad de las enzimas es debido a que la forma del sitio activo está íntimamente relacionada con a la forma del sustrato, la mayoría de las enzimas están altamente especializadas y solo catalizan a unas pocas reacciones químicas, o en muchos, casos solo a una reacción particular. De esta manera, el nombre dado a las enzimas viene específicamente del sustrato en el que actúa. También existen ciertas enzimas denominadas isozimas que proceden de la duplicación del mismo gen que produce a la enzima proteica, por lo tanto llegan a una conformación diferente pero actúan en el mismo sustrato (4). Esto hace pensar que la especificidad confiere una gran diversidad de enzimas para trabajar en un sustrato específico, ya que se trabaja en relación uno a uno, tanto el sustrato como la proteína, así la producción de enzimas tiene un alto coste energético, dándonos cuenta que la forma estructural puede ser diferente y actuar en el mismo sustrato, en la misma reacción. Para mejorar dicho coste energético y lo innecesario que es producir enzimas para un solo sustrato, lo ideal es la evolución química de las proteínas enzimáticas a un nivel polifuncional, esto significa que ʺuna cerraduraʺ donde sólo entre una llave se convierta en una ʺcerradura maestraʺ, aquella cerradura en la cual cualquier llave (sustrato) pueda actuar, esto se limitaría a la producción de una sola enzima para varios sustratos. Esta idea surge de la evolución de las proteínas homólogas (4) donde en la codificación de las proteínas hay cambios en los residuos de aminoácidos y otros aminoácidos se conservan pero su acción como enzima es la misma. De esta manera una proteína enzimática polifuncional supondría una modificación estructural grande para que trabaje de manera eficiente, como la conservación de residuos de aminoácidos que reconozcan una familia enzimática diferente pero relacionada en cada sitio activo (degradación de glucosa, fructosa y sacarosa); el sitio activo debe ser más flexible, donde se adapte más a la forma del sustrato; la enzima debe ser más grande permitiendo la adición de varios sustratos a la vez, ya sea del mismo tipo o diferente, la idea yace en que una sola enzima pueda catalizar la reacción de varios sustratos al mismo tiempo ya sean diferentes o similares, un ejemplo sería la degradación de sacarosa por una enzima que como productos se obtiene glucosa y fructosa, y esta misma enzima intervenga en la degradación de glucosa sin la necesidad de la Glucosa – 6 fosfato deshidrogenasa, y este sea un proceso continuo, beneficiando más que todo a las rutas metabólicas donde se necesitan muchas enzimas que catalicen paso por paso, mientras se pueda mejorar catalizando por paquetes. La especificidad es necesaria para evitar que otros sustratos importantes se catalicen por error, pero para evitar eso existen inhibidores y reguladores de enzimas que cumplan con dicha función. Es un gran reto idealizar un mejoramiento evolutivo en la funcionalidad de las enzimas por lo que significa un mejoramiento en la célula, ya que las enzimas catalizan prácticamente todas las reacciones que ocurren en un organismo, y con una enzima que se convierta en una cerradura maestra, la célula tendrá la capacidad de ser más eficiente en su metabolismo.
Bibliografía
(1) Solomon, Berg. Biología, 9na edición. 2013. Enzimas. Capítulo 7, pp 162-169
(2) Harper. Bioquímica ilustrada, 28 ed.2010. Enzimas: mecanismos de acción. Capítulo 7, pp 51-82.
(3) Nelson, Lehninger. Principios de Bioquímica. 9ed. 2009. Enzimas. Capítulo 6, pp 183-234
(4) Silverthorn. Fisiología humana: un enfoque integrado.4ta edición. 2008. Interacciones moleculares. Capítulo 2, pp 38-49
