Enzims: Funció, Estructura, Classificació i Cinètica Enzimàtica

Els Enzims

Què són els enzims?

Proteïnes que acceleren (catalitzen) reaccions químiques. Sense els enzims, les reaccions al cos serien massa lentes per mantenir la vida.

On es troben?

A totes les cèl·lules, teixits i òrgans, però no en la mateixa quantitat. Depèn de la funció que es realitzi en cada part del cos.

Regulació de la seva activitat

Els enzims es regulen principalment per retroinhibició. Això vol dir que quan ja hi ha prou productes d'una reacció, els enzims "s'aturen" per evitar que es produeixin més del necessari.

Indicadors de salut

Concentració baixa i constant al plasma. Si augmenta molt, podria ser un senyal de malaltia o dany, perquè els enzims surten de les cèl·lules danyades.

Propietats dels Enzims

Especificitat d'acció

Els enzims tenen una elevada especificitat, és a dir, cada enzim realitza una acció concreta sobre un substrat o grup de substrats. Exemple: La fosfatasa elimina grups fosfat i la lactasa actua només sobre la lactosa.

Reversibilitat

Els enzims poden actuar en ambdós sentits d’una reacció. Exemple: L’enzim que descompon la sacarosa en glucosa i fructosa pot també sintetitzar-la si les condicions són les adequades.

Eficàcia

Els enzims són molt eficients, ja que es necessita una quantitat mínima d’enzim per catalitzar una gran quantitat de reaccions (milers de molècules de substrat).

No es consumeixen en les reaccions

Els enzims no es consumeixen ni es modifiquen permanentment en les reaccions. Això significa que poden ser reutilitzats moltes vegades per accelerar les reaccions.

Augmenten la velocitat de les reaccions

Els enzims poden augmentar la velocitat de les reaccions entre 10³ i 10¹⁶ vegades, depenent de l'enzim i les condicions de la reacció.

Estructura dels Enzims

Tipus d'aminoàcids en els enzims

• Estructurals: Formen la major part de l’enzim i no interactuen directament amb el substrat.
• Fixadors: Ajuden a fixar el substrat al centre actiu amb enllaços febles.
• Catalitzadors: Són els responsables de la funció catalítica, és a dir, de trencar o formar enllaços durant la reacció.

Funció del centre actiu

Els radicals dels aminoàcids del centre actiu tenen una alta afinitat pel substrat i poden establir enllaços per facilitar la reacció.

Tipus d’enzims

• Apoenzim: Enzims formats només per proteïnes (menys habituals).
• Holoenzim: Enzims formats per una combinació d’apoenzim i un cofactor no proteic. Són els més comuns.

Cofactors

Els cofactors poden ser ions metàl·lics (com Mg²⁺, Zn²⁺) o molècules orgàniques (com vitamines o nucleòtids com NAD⁺).

Grup prostètic

Cofactor unit fortament a l’enzim.

Coenzim

Cofactor unit de manera feble. Són indispensables perquè la reacció es produeixi, i tenen funcions com unir el substrat, modificar càrregues, transferir electrons o aportar energia (com l’ATP).

Importància dels cofactors

Els cofactors ajuden a modificar la càrrega elèctrica del substrat o faciliten la transferència d'electrons (reaccions redox). Juguen un paper clau per activar l’enzim i permetre que la reacció química tingui lloc.

Funció dels Enzims

Funció principal

Catalitzen reaccions bioquímiques. Els enzims s’uneixen a un substrat (S) i, mitjançant un canvi químic, produeixen un producte (P).

Acceleració de les reaccions

Els enzims augmenten la velocitat de reaccions que serien molt lentes per si soles, actuant com acceleradors naturals.

Disminució de l'energia d’activació

Redueixen l'energia d'activació, que és l'energia mínima necessària per iniciar una reacció, facilitant que la reacció es produeixi més ràpidament.

Nomenclatura dels Enzims

Nom comú dels enzims

El nom comú es basa en la reacció que catalitzen seguida pel sufix -asa. Exemple: Amilasa, proteasa, reductasa.

Nom sistemàtic

Substrat + tipus de reacció + -asa. Exemple: Fosfoglucosa isomerasa, lactat deshidrogenasa, aspartat aminotransferasa.

Indicadors del nom de l'enzim

El nom també pot incloure informació sobre:

• Lloc d'origen: Exemple: ribonucleasa pancreàtica.
• Mecanisme de regulació: Exemple: lipasa sensible a hormona.
• Característica del mecanisme d'acció: Exemple: cisteïna proteasa, implicada en l'apoptosi.

Codi numèric (EC)

La nomenclatura IUB utilitza un codi numèric per classificar els enzims: EC x.x.x.x.

• 1r número: Tipus de reacció (1-7) → Indica el grup.
• 2n número: Substrat → Indica el subgrup.
• 3r número: Tipus d'acceptor.
• 4t número: Característiques del grup o ordre dins del grup.

Classificació dels Enzims

EC1 - Oxidoreductases

• Funció: Catalitzen reaccions d'oxidació o reducció del substrat, transferint electrons entre molècules.
• Exemples: Oxidases, Deshidrogenases.
• Coenzims implicats: NADH₂/NAD⁺, FAD/FADH₂, NADPH₂/NADP⁺.

EC2 - Transferases

• Funció: Transfereixen un grup funcional (com un grup fosfat, metil, etc.) d’un substrat a un altre.
• Exemple: Quinases, que transfereixen grups fosfat.

EC3 - Hidrolases

• Funció: Catalitzen la hidròlisi, és a dir, trenquen enllaços mitjançant la introducció d’aigua.
• Exemples: Lipases, Proteases, Amilases.

EC4 - Liases

• Funció: Trenquen enllaços C-C, C-O, C-N, alliberant grups químics específics.
• Exemples: Descarboxilases, Desaminasses (en aminoàcids).

EC5 - Isomerases

• Funció: Transformen una molècula en el seu isòmer (canviant la posició d’àtoms) sense alterar la fórmula molecular.
• Exemple: Isomerasa de glucosa-6-fosfat.

EC6 - Ligases

• Funció: Uneixen molècules per formar molècules més complexes, requereixen energia en forma d’ATP (reaccions anabòliques).
• Exemples: DNA ligasa.

EC7 - Translocases

• Funció: Transporten molècules d’un medi a un altre, a través de membranes, sense modificar-les.
• Exemple: ATPases (transport d'ions).

Cinètica Enzimàtica

1. Factors que afecten la velocitat de la reacció enzimàtica

• Extrínsecs:
  • Temperatura: Incrementa l'energia cinètica, facilitant la col·lisió entre les partícules. Una temperatura òptima permet la màxima activitat enzimàtica, però temperatures elevades poden provocar desnaturalització de l'enzim.
  • pH: Cada enzim té un pH òptim. Canvis en el pH poden alterar les càrregues dels aminoàcids i desnaturalitzar l'enzim, reduint l'activitat.
• Intrínsecs:
  • [S] (Concentració de substrat): A mesura que augmenta la concentració de substrat, la velocitat de reacció també augmenta fins a assolir Vmax, on la velocitat es manté constant, ja que tots els enzims estan ocupats.
  • [P] (Concentració de producte): A mesura que es produeix més producte, la velocitat de reacció disminueix, ja que l'efecte de la concentració de substrat és predominant.
• Inhibidors:
  • Reversibles: Poden ser competitius (incrementant Km), no competitius (disminuint Vmax) o acompetitius (disminuint tant Vmax com Km).
  • Irreversibles: La unió és forta i permanent, desactivant l'enzim (ex. penicil·lina, gas sarín).

2. Estructura de la velocitat de reacció enzimàtica

• Energies implicades: La reacció es produeix quan l'energia cinètica de les molècules supera l'energia d'activació de la reacció.
• V = [S] / ([S] + Km): La Km mesura l'afinitat de l'enzim pel substrat. Km és la concentració de substrat necessària per assolir la meitat de la Vmax.
• Vmax: La velocitat màxima que es pot aconseguir quan tots els centres actius de l'enzim estan ocupats pel substrat. Exemple: Quan [S] ↑, la velocitat ↑ fins que [S] és tan elevada que s'arriba a Vmax. En aquest punt, Vmax es manté constant, ja que tots els enzims estan ocupats i la velocitat ja no pot augmentar.

3. Determinació de l'activitat enzimàtica

• Unitats convencionals:
  • Unitat enzimàtica (U): Quantitat d'enzim que catalitza 1 µmol de substrat per minut.
• Sistema Internacional (SI):
  • Katal (kat): Quantitat d'enzim que catalitza 1 mol de substrat per segon. En la pràctica, l’activitat es mesura en unitats convencionals (U) perquè els valors en katals són massa petits per interpretar fàcilment.
• Concentració de substrat (S) suficient: És necessari perquè no interfereixi en la velocitat de la reacció i per garantir que la [S] sigui la variable que influència la velocitat.
• Monitorització de la reacció: Es fa per comprovar que s'ha arribat a Vmax i que la velocitat no varia més.

4. Efecte del pH i la Temperatura en l'enzim

• pH:
  • El pH òptim d’un enzim és aquell on la seva activitat és màxima. Alteracions en el pH alteren les càrregues elèctriques dels aminoàcids, afectant la seva activitat.
  • pH > pI: Aminoàcids amb càrrega negativa.
  • pH < pI: Aminoàcids amb càrrega positiva.
  • Desnaturalització: Canvis dràstics en pH poden provocar la pèrdua d'activitat enzimàtica fins a la desnaturalització.
• Temperatura:
  • L'augment de temperatura incrementa la velocitat de la reacció fins a un cert límit (temperatura òptima). Temperatures superiors a l'òptima poden causar desnaturalització de l'enzim.

5. Tipus d'Inhibidors i la seva influència sobre la cinètica enzimàtica

• Reversibles:
  • Inhibició competitiva: L'inhibidor competeix pel centre actiu amb el substrat. Km ↑ (es necessita més substrat per aconseguir la mateixa velocitat), però Vmax es manté =. Exemple: Etanol en intoxicació per metanol, estatines (inhibidors de la síntesi de colesterol).
  • Inhibició no competitiva: L'inhibidor s'uneix a l'enzim en un lloc diferent del centre actiu, canviant l'estructura i la seva activitat. Vmax ↓, però Km no es veu alterada. Exemple: Tipranavir (fàrmac retroviral), carbidopa (tractament de Parkinson).
  • Inhibició acompetitiva: L'inhibidor es fixarà al substrat un cop aquest ja estigui unit a l'enzim, reduint l'activitat. Vmax ↓ i Km ↑. Exemple: Alguns medicaments antivirals contra HCV, immunosupressors.
• Irreversibles:
  • Inhibició irreversible: L'inhibidor es fixa de manera forta al centre actiu, desactivant l'enzim permanentment. Exemple: Penicil·lina (inhibeix la transpeptidasa bacteriana) i gas sarín (inhibeix l’acetilcolinesterasa).

Estudi d’Enzims d’Interès Diagnòstic

1. Enzims Plasmàtics

Els enzims plasmàtics són enzims que es troben al plasma sanguini a concentracions baixes i constants.

Són importants per:

• Funció: Coagulació (factors de coagulació). Metabolisme de lipoproteïnes (ex: lipoproteïnalipasa). Síntesi d’altres proteïnes plasmàtiques (ex: α1-antitripsina).
• Disfunció: L'excés o dèficit d'aquests enzims pot indicar problemes en els òrgans productors (majoritàriament fetge) o pèrdues per l'orina (ex: síndrome nefròtic).

2. Enzims No Plasmàtics

Els enzims no plasmàtics tenen gran importància clínica perquè indiquen disfuncions en teixits o òrgans específics. No estan presents normalment en el plasma, però poden aparèixer per causes patològiques.

Són importants per:

• Llocs d’origen: Enzims intracel·lulars de diferents cèl·lules.
• Patologies: Augmenten en resposta a lisi cel·lular, necrosi o inflamació.
• Diagnòstic i pronòstic: Permeten detectar dany cel·lular, com la necrosi hepàtica, muscular, etc.
• Finestra diagnòstica: És important que l'enzim tingui una bona finestra diagnòstica per ser útil com a biomarcador de l'òrgan.
• Especificitat: Alguns enzims presenten isoformes que ajuden a identificar quin òrgan està afectat.

3. Enzims Associats a Dany Hepàtic

Aquests enzims són útils per detectar dany hepàtic, però cal recordar que molts d'ells no són específics:

• ALT: Citosòlic, associat a hepatitis, cirrosi i necrosi hepàtica.
• AST: Citosòlic i mitocondrial, detecta dany hepàtic més greu.
• Relació ALT/AST:
  • 1: Hepatitis aguda.
  • <1: Hepatitis crònica, carcinoma.
• GGT: Relacionat amb processos de desintoxicació alcohòlica i obstrucció biliar.
• FAL/ALP: Associat a obstrucció biliar i processos ossis com osteosarcoma.
• LDH: hepatopaties

LDH ISOFORMES:

• H4: cor, muscul, eritrocits
• H3M: leucocitos
• H2M2: pulmons
• HM3: ronyons, placenta, i pancreas
• M4: fetge i muscul

4. Enzims Associats a Dany Pancreàtic

Els enzims clau per diagnosticar pancreatitis aguda:

• α-amilasa: Hidrolitza midó i glicogen, té dues isoformes (salival i pancreàtica). Nivells molt elevats indiquen pancreatitis aguda.
• Lipasa: Major especificitat i sensibilitat que l'amilasa, també mesura triglicèrids. És més fiable per diagnosticar pancreatitis aguda.

5. Enzims Associats a Dany Cardíac i Muscular

Anteriorment, es mesuraven enzims com LDH i AST, però actualment es prioritza la determinació de Troponina T per diagnòstics cardíacs:

• CK (Creatinina quinasa): Enzim clau en la contracció muscular. Augmenta en lesions musculars (inclòs el cor).

CK ISOFORMES:

• BB: cervell
• MB: cor
• MM: muscul i cor

Per conèixer l'òrgan afectat (cardíac, cerebral, muscular). Es fa via electroforesi.

• CK-MB: Específic per miocardiòcits, especialment per detectar preinfarts.

6. Tècniques de Mesura

Els enzims es mesuren mitjançant tècniques enzimàtiques, com:

• Tècniques cinètiques: Per determinar l'activitat enzimàtica (ex: ALT, AST, ALP, GGT, etc.).
• Electroforesi capil·lar: Utilitzada per identificar isoformes d'enzims.
• Tècniques colorimètriques: Usades per mesurar productes acolorits generats per l'activitat enzimàtica.