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