TIM, la enzima perfecta

Los pilares de la vida

Podemos definir la vida como un enorme conjunto de millones de reacciones químicas interconectadas. A primera vista, se observan dos grandes diferencias entre las reacciones químicas de la materia inerte y las que forman parte de los organismos vivos.

Por un lado, las moléculas que intervienen en las reacciones. Algunas coinciden con las que forman parte del sustrato físico de nuestro planeta: agua, minerales, oxígeno, dióxido de carbono… Sin embargo, las moléculas propias de la vida, conocidas como orgánicas, tienen una estructura basada en cadenas de átomos de carbono y pueden llegar a alcanzar una gran complejidad, si las comparamos con las que forman las rocas o la atmósfera: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, son las moléculas que soportan la vida, constituyendo los organismos y permitiéndoles desarrollarse y reproducirse.

Por otro lado, los seres vivos han sido capaces de ejecutar reacciones químicas que, en condiciones normales no se darían, o tardarían mucho en producirse. Y lo han hecho, además, sin necesidad de alterar las condiciones ambientales de temperatura y presión. Casi todas las reacciones químicas de las células vivas están mediadas por las enzimas, unos biocatalizadores eficaces y específicos que transforman unas sustancias en otras, a veces en fracciones de segundo, sin cambiar ellas mismas al hacerlo. En todas las células ocurren cada segundo de forma ordenada miles de reacciones químicas, que permiten el desarrollo de todas las funciones de la vida.

Cada enzima reconoce su(s) sustrato(s) de entre los miles de sustancias que hay en el interior de una célula, y, tras unirlo(s) a una parte de su molécula conocido como centro activo, lo convierte en uno o varios productos determinados.

Casi todas las enzimas son proteínas, aunque también el ácido ribonucleico, ARN, puede actuar como biocatalizador. Se han descrito con detalle más de 3.000 enzimas diferentes, pero se sospecha que puede haber hasta 10.000. La rubisco, ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa oxigenasa, es la enzima encargada de fijar el dióxido de carbono atmosférico en la plantas, permitiendo la síntesis de azúcares como la glucosa. Su abundancia en las hojas de las plantas la convierten en la enzima y la proteína más abundante del planeta.

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La vida no sería posible sin las enzimas, y sin la rubisco las plantas no podrían sintetizar los azúcares que necesitan los seres vivos.

Funcionamiento de las enzimas

Las enzimas pueden acelerar las reacciones químicas en un factor de cientos a un billón de veces (108-1012), lo que significa que una reacción que tarda un segundo en producirse en un organismo vivo, en condiciones normales necesitaría varios miles de años. La vida no puede existir sin las enzimas.

Para que una reacción química se produzca, las sustancias originales deben alcanzar un estado determinado para el que necesitan una cierta cantidad de energía denominada energía de activación. Esto se puede conseguir aumentando la temperatura o la presión, pero dado que esto es imposible en el interior de una célula, lo que hacen las enzimas es disminuir la energía de activación, también conocida como entalpía de activación libre o de Gibbs, Gº’.

 

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Energía de los estados de una reacción química. Los reactantes o sustratos, en este caso dióxido de carbono y agua, necesitan una cantidad de energía para llegar a un estado de transición antes de convertirse en productos. La enzima estabiliza el estado de transición, reduciendo la energía necesaria para formar los productos. (Wikipedia)

Cómo consiguen esto es un proceso complejo. Primero es necesario que la enzima se encuentre con lo(s) sustrato(s), y tras unirse a su centro activo, ciertos grupos de átomos del centro activo reaccionan con lo(s) sustrato(s) transformándolos en sustancias diferentes, los productos. En ese momento, conocido como estado de transición, la enzima puede cambiar su forma para facilitar el contacto de esos grupos de átomos con los de los sustratos. Cuando estas reacciones terminan, la enzima recupera su forma y estado originales. 

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(Imagen Wikimedia)

Como hemos visto, la mayoría de las enzimas son proteínas, y por tanto están compuestas por cadenas de cientos de aminoácidos, siendo la secuencia de estos aminoácidos lo que diferencia a unas proteínas de otras. Pero esta secuencia además determina la configuración tridimensional, la forma que va a tener la proteína, debido a las interacciones entre los átomos de las cadenas laterales de los aminoácidos. Así, dentro de una proteína podemos ver tramos con forma de espiral, hélice α, la más común; hebras con forma de láminas plegadas, hoja β; y uniendo estos dos tipos de conformaciones suele haber cadenas de aminoácidos  dobladas formando giros.

 

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Diferentes formas de representar las estructuras hélice α, hoja β y los giros de la enzima triosa fosfato isomerasa, TIM o TPI. (Wikimedia)

Cinética enzimática

Hay muchos ejemplos de la perfección a la que han llegado las enzimas como catalizadores. Por ejemplo, la reacción espontánea de decarboxilación de la orotidina 5’-monofosfato (ácido orotidílico, componente del metabolismo de los ácidos nucleicos) puede necesitar 78 millones de años. En presencia de la orotidina 5’-fosfato decarboxilasa, el proceso dura 25 milisegundos.

La velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas depende de las condiciones del medio y de la concentración de los sustratos. Un medio adecuado supone disponer de las condiciones de temperatura, pH y concentración salina dentro de un rango determinado, ya que en caso contrario, se puede alterar la composición de los grupos químicos de las cadenas laterales de aminoácidos y pueden perder su configuración tridimensional. Por otra parte, a medida que crece la concentración de los sustratos aumenta la velocidad de la reacción hasta llegar a un punto de saturación. En ese momento, todas las moléculas de enzima se encuentran unidas al sustrato.

En las condiciones normales de las células, la velocidad de las reacciones enzimáticas están dadas por el tipo de unión enzima-sustrato y el número de moléculas de sustrato que se pueden procesar en un centro activo por segundo, y se denomina constante de especificidad. El máximo teórico de esta constante se llama límite de difusión, y es aproximadamente 108- 109 M-1s-1. A las enzimas con esta propiedad se les conoce como catalítica o cinéticamente perfectas.

Triosa Fosfato Isomerasa (TPI o TIM), el secreto está en el barril

La Triosa Fosfato Isomerasa es una enzima ubicua que cataliza uno de los pasos de la glucólisis, la ruta metabólica que descompone los carbohidratos (azúcares) para la obtención de energía. También forma parte de otros procesos metabólicos como la gluconeogénesis y la síntesis de ácidos grasos. La deficiencia de TIM provocada por una enfermedad hereditaria recesiva puede provocar desde anemia hemolítica crónica, incrementando la susceptibilidad a infecciones, hasta disfunción neurológica, incluso la muerte en la infancia. Recientemente también se ha visto que este enzima puede estar alterada en la enfermedad de Alzheimer.

Su perfección catalítica es debido a que la velocidad de la reacción se controla por difusión, es decir, el producto se forma con tanta rapidez como la enzima y el sustrato puedan colisionar en el medio celular. ¿Cómo llega la TIM a esta eficiencia? Pues parece que el secreto está en el barril, o mejor dicho, en la estructura tridimensional con forma de barril de esta enzima.

 TIM, la enzima perfecta

Dibujo esquemático del barril β de la TIM (Proteopedia)

Ya hemos visto que la secuencia de aminoácidos de las proteínas hace que determinados tramos adquieran forma de hélice α o de hoja β. Pues la TIM fue la primera proteína en la que se observó la presencia de una estructura formada por ocho hebras α/β, el llamado dominio α/β, y que adquiría la forma de un barril en el centro de la proteína. Hoy en día, gracias a técnicas como la cristalografía de rayos X, se conoce muy bien tanto la geometría del barril como la formación del complejo enzima-sustrato de la TIM, y se sabe qué grupos de átomos se encuentran implicados en el proceso: el carbono terminal de las ocho hebras β paralelas. La estructura del dominio α/β facilita la reacción de los sustratos disminuyendo la energía de activación necesaria para que tenga lugar la reacción.

 TIM, la enzima perfecta

TIM (Proteopedia)

El origen del barril y su utilidad

La estructura del barril α/β es la más común y se estima que el 10% de las enzimas tienen este dominio. Estas enzimas catalizan reacciones muy diferentes, por lo que son de gran interés para la ingeniería de proteínas. Por otro lado, resulta intrigante que, a pesar de presentar una estructura tridimensional similar hay muy poca similitud en la secuencia de aminoácidos. El conocimiento de la historia evolutiva de las proteínas con el barril α/β es esencial para el entendimiento de las relaciones entre la secuencia de aminoácidos y la estructura tridimensional, así como para ayudar a diseñar moléculas con nuevas funciones. Aproximadamente el 50% de la secuencia de aminoácidos de la TIM es la misma en las bacterias que en los humanos y la similitud aumenta mucho más si nos fijamos en los aminoácidos que forman el centro activo.

No se conoce con seguridad el origen evolutivo de estas enzimas, si vienen de un ancestro común o, por el contrario, enzimas con estructuras diferentes han evolucionado hasta converger en el barril α/β. Aunque algunos datos sugieren un mismo origen, todavía no se ha podido identificar el ancestro común. Algunas enzimas de este tipo presentan una doble simetría, lo que indica que la proteína ancestral evolucionó con una fusión de dos módulos con forma de medio barril. Y todas estas enzimas están implicadas en el metabolismo energético o molecular, las funciones biológicas más antiguas; además, están presentes en todos los reinos de la vida. Es sorprendente la diversidad de secuencias y de funciones de las enzimas barril como la TIM.

El futuro está en el barril

Asimismo, se ha visto que la especificidad del sustrato y la especificidad catalítica de las enzimas barril se puede cambiar mediante mutaciones en los residuos catalíticos activos del extremo de la estructura del barril sin comprometer su estabilidad. Esto supone que, a pesar de que la predicción de las funciones bioquímicas de un dominio barril α/β es muy complicada, en el futuro, mediante experimentos de evolución dirigida, se podrá disponer de enzimas barril con actividades catalíticas completamente nuevas para usos industriales y médicos.

Las enzimas son muy superiores como catalizadores a cualquiera de los procesos químicos industriales por su alta especificidad, selectividad, mínimos requerimientos energéticos y respeto al medio ambiente. Pero para hacer frente a las necesidades humanas a escala industrial, además se necesita eficiencia catalítica, disponibilidad de grandes cantidades, bajo precio, baja inhibición por el producto, y alta actividad y estabilidad en las condiciones de producción. La estrategia más común para conseguir enzimas con las propiedades deseadas son la evolución dirigida y el diseño racional. La unión de estudios cristalográficos con la enzimología va a permitir a corto plazo crear enzimas nuevas con la estructura de barril útiles para multitud de usos, desde la obtención de bioetanol hasta fármacos antivirales.

Referencias

 

Este post participa en la “XXII edición del Carnaval de Biología”, que hospeda @CEAmbiental en su blog ”Consultoría y Educación Ambiental

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4 thoughts on “TIM, la enzima perfecta”

  1. Buffff, menudo repasito sobre enzimas y catálisis. Guay, buen post.

    Gracias por tus aportaciones al XXIII Carnaval de la Química.

  2. Me ha gustado mucho. Uno de los descubrimientos (¡el mejor!) del máster en Química Sostenible fue la biocatálisis para reacciones orgánicas, ¡apasionante! Por si sigues divulgando, son interesantes los conceptos de promiscuidad catalítica y evolución dirigida o cómo los científicos podemos imitar y mejorar las enzimas para la síntesis química

    1. Se abre un mundo de posibilidades con las herramientas disponibles en la actualidad para la mejora enzimática, utilizando los “trucos” de la naturaleza para conseguir aplicaciones médicas, medioambientales, industriales… Es apasionante u habría que divulgar más estos temas para evitar la creciente quimiofobia, fruto, en parte, del desconocimiento de la ciencia.

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