miniatura|Modelo do enzima purina nucleósido fosforilase (PNP) xerado por computador. Os/as enzimas (ou encimas) son un grupo de compostos orgánicos de natureza en xeral proteica (existen tamén enzimas constituídos por ARN, chamados ribozimas)Lilley D (2005). "Structure, folding and mechanisms of ribozymes". Curr Opin Struct Biol 15 (3): 313–23.DOI:10.1016/j.sbi.2005.05.002 PMID 15919196Cech T (2000). "Structural biology. The ribosome is a ribozyme". Science 289 (5481): 878–9. DOI:PMID 9311771, con actividade intra ou extracelular que teñen funcións catalíticas, catalizando reaccións químicas, que, sen a súa presenza, serían imposibles ou non poderían ter lugar á velocidade axeitada. Isto conséguese a través da diminución da enerxía de activación precisa para que se dea unha reacción química, resultando no aumento da velocidade desta e posibilitando así o metabolismo dos seres vivos. A capacidade catalítica dos enzimas fainos adecuados para aplicacións industriais, como na industria farmacéutica ou na alimentaria.
En sistemas vivos, a maioría das reaccións bioquímicas danse en vías metabólicas, secuencias de reaccións nas que o produto dunha reacción utilízase como reactivo na seguinte. Diferentes enzimas catalizan os diferentes pasos das vías metabólicas, actuando de forma concertada de xeito que non se interrompa o fluxo nesas vías. Ademais, a actividade de cada enzima pode ser regulada, aumentándoa, diminuíndoa ou mesmo deténdoa, co obxectivo de modular o fluxo da vía metabólica na que se insire.
O ramo da bioquímica adicado ao estudo e caracterización dos enzimas é a enzimoloxía.
Actividade enzimática
Os enzimas transforman unha substancia, chamada substrato, noutra diferente denominada produto, e son extremadamente específicas para a reacción que catalizan. Isto quere dicir que, en xeral, un mesmo enzima cataliza un e só un tipo de reacción química (aínda que poden existir varios enzimas que catalicen a mesma reacción). Consecuentemente, o tipo de enzimas atopados nunha célula determina o tipo de metabolismo que a célula efectúa.
A velocidade da reacción catalizada por un enzima aumenta debido á diminución da enerxía de activación necesaria para transformar o substrato no produto. A aceleración da reacción pode ser da orde de varios millóns de veces: por exemplo, o enzima orotidina-5'-fosfato descarboxilase diminúe o tempo da reacción que cataliza de 78 millóns de anos a 25 milisegundos.A. Radzicka, R. Wolfenden (1995), "A proficient enzyme.", Science, 6(267), p. 90-931
Ao seren catalizadores, os enzimas non son consumidos na reacción e non alteran o equilibrio químico da mesma.
A actividade enzimática pode depender da presenza ou non de determinadas moléculas, xenericamente chamadas cofactores. A natureza química dos cofactores é moi variable, podendo ser por exemplo un ou máis ións metálicos (coma o ferro), ou unha molécula orgánica (como a vitamina B12). Estes cofactores poden participar directamente na reacción enzimática, ou permitir ao enzima adoptar unha conformación idónea para a catálise.
Outras substancias son capaces de inhibir a actividade dalgúns enzimas, diminuíndoa ou eliminándoa totalmente; son os chamados inhibidores enzimáticos.
Polo feito de seren proteínas con estrutura terciaria ou cuaternaria, os enzimas presentan pregamentos tridimensionais nas súas cadeas polipeptídicas, o que lles confire unha forma característica e exclusiva. Así, diferentes enzimas presentan diferentes formas e polo tanto diferentes papeis biolóxicos. Para que un enzima actúe, é preciso que , por así dicilo, os substratos encaixen no centro activo do enzima. Este "encaixe" porén depende da forma, isto é, do contorno do enzima. Por iso os substratos que se axustan nun enzima determinado non o fan noutros diferentes e a reacción non ocorre; de aí a especificidade dos enzimas en canto aos substratos sobre os que actúan. Unha vez ocorrido o encaixe, fórmase o chamado complexo enzima-substrato, que se asemella ao sistema chave-pechadura. A parte do enzima onde se encaixa o substrato é denominado sitio ou centro activo). No caso de substancias que reaccionan entre si, a acción catalítica dos enzimas facilita dita reacción, tornándose máis rápida ao aproximárense as moléculas que tiñan que reaccionar. Trala reacción, o enzima deslígase do substrato e permanece intacto.
Localización
Podemos atopar enzimas en case todas as estruturas celulares e fluídos corporais. Algúns teñen unha localización específica, de tal xeito que poden servir para indicar que estamos en presenza dun tecido, secreción ou fragmento celular determinado verificando a actividade dun enzima dado.
Historia miniatura|Eduard Buchner Entre o final do śeculo XVII e o inicio do XVIII xa se sabía que as secrecións estomacais eran capaces de dixerir a carneRené Antoine Ferchault de Réaumur (1752), "Observations sur la dixestion des oiseaux", Histoire de l'academie royale des sciences, 1752p. 266, 461; coñecíase tamén a conversión de amidón en azucres pola acción da saliva e extractos vexetais. O mecanismo subxacente a estas transformacións non era, porén, coñecido.
Os enzimas foron descubertos no século XIX, aparentemente por Pasteur, que concluíu que a fermentación do azucre en alcohol polo lévedo era catalizada por fermentos. Postulou, pois, que eses fermentos (os enzimas) eran inseparables da estrutura das células vivas do lévedo. Pasteur declarou que "a fermentación alcohólica é un acto correlacionado coa vida e organización das células do fermento, e non coa súa morte ou putrefacción"J. Dubos (1951), "Louis Pasteur: Free Lance of Science, Gollancz." in K.L. Manchester (1995), "Louis Pasteur (1822–1895)--chance and the prepared mind.", Trends in Biotechnology, 13(12), p.511-515.
En 1878, Willhelm Kühne empregou por vez primeira o termo "enzima" para describir este fermento, facendo uso da palabra grega ενζυμον, que significa "levedar". O termo pasou a ser máis tarde usado para denominar ás proteínas con capacidade catalítica, mentres que o termo "fermento" refírese á actividade exercida por organismos vivos.
En 1897, Eduard Buchner descubriu que os extractos de lévedo podían fermentar o azucre ata alcohol e probou que os enzimas implicados na fermentación alcóholica continuaban a funcionar mesmo cando se eliminaban as células vivas. Este descubrimento valeulle o premio Nobel de Química en 1907Nobel Laureate Biography of Eduard Buchner at http://nobelprize.org Accessed 04 April 2007.
Restaba por determinar cal era a natureza dos enzimas. Algúns afirmaban que as proteínas, asociadas á actividade enzimática, non eran máis có soporte do verdadeiro enzima, e, por si mesmas, eran incapaces de catálise. En 1926, James B. Sumner purificou e cristalizou a urease, amosando que se trataba dunha proteína pura, e fixo o mesmo, en 1937, coa catalase. A proba final foi feita por Northrop e Stanley en 1930, co estudo de tres enzimas dixestivos, a pepsina, a tripsina e a quimotripsina, polo que recibiron o premio Nobel de Química en 19461946 Nobel prize for Chemistry laureates at http://nobelprize.org Accessed 04 April 2007.
J.B.S. Haldane escribiu un tratado titulado "Enzimas", onde facía a suxestión de que as interaccións por enlaces químicos débiles entre o enzima e o substrato poderían permitir a separación da molécula do substrato e catalizar a reacción.
A cristalización de enzimas purificados permitiu que as súas estruturas moleculares puidesen ser examinadas por cristalografía de raios X, o que aconteceu primeiro coa lisozima, un enzima que aparece na saliva, bágoas e na clara de ovo e que destrúe a parede celular de bacterias, en 1965Blake CC, Koenig DF, Mair GA, North AC, Phillips DC, Sarma VR. (1965). "Structure of hen egg-white lysozyme. A three-dimensional Fourier synthesis at 2 Angstrom resolution". Nature 22 (206): 757-761 PMID 5891407. Comezan deste xeito a bioquímica e bioloxía estruturais, que se esforzan por comprender o funcionamento dos enzimas a nivel atómico.
A tentativa de comprender o mecanismo da catálise enzimática a nivel cuántico foi facilitada recentemente polo aumento da capacidade aritmética dos computadores.
Estruturas e mecanismos
miniatura|dereita|250px|Diagrama PDB 1MOO mostrando a anhidrase carbónica II. A esfera de cor cincenta é un ión de cinc que funciona coma cofactor no sitio activo.
Os enzimas son proteínas, e aínda que son xeralmente grandes poden ter un tamaño moi variable, dende os 62 residuos de aminoácidos do monómero do enzima 4-oxalocrotonato tautomeraseChen LH, Kenyon GL, Curtin F, Harayama S, Bembenek ME, Hajipour G, Whitman CP (1992). "4-Oxalocrotonate tautomerase, an enzyme composed of 62 amino acid residues per monomer". J. Biol. Chem. 267 (25): 17716-21. PMID 1339435, ata un tamaño de 2500 residuos, como é o caso da ácido graxo sintase.Smith S (1994). "The animal fatty acid synthase: one gene, one polypeptide, seven enzymes". FASEB J. 8 (15): 1248–59. PMID 8001737 A actividade dos enzimas está determinada pola súa estrutura cuaternaria.Anfinsen C.B. (1973). "Principles that Govern the Folding of Protein Chains". Science: 223–230. PMID 4124164 En calquera caso, a maioría de enzimas son moito maiores có substrato sobre o cal actúan, e só unha pequena porción do enzima (entre 3 e 4 aminoácidos) está envolta na catálise.The Catalytic Site Atlas at The European Bioinformatics Institute Accessed 04 April 2007 A rexión que contén estes residuos catalíticos, que se liga ao substrato e que leva a cabo a reacción, denomínase sitio ou centro activo. Os enzimas tamén poden posuír sitios aos que se ligan cofactores necesarios para o bo desempeño da reacción. Algúns enzimas tamén poden presentar centros de unión para outras moléculas de pequeno tamaño, que poden ser tanto produtos coma substratos, directos ou indirectos, da reacción catalizada. Estas ligazóns serven para aumentar ou diminuír a actividade do enzima, dando orixe a un modo de regulación por retroalimentación.
Coma todas as proteínas, os enzimas están formados por longas cadeas lineais de aminoácidos que sofren un pregamento que ten como resultado unha molécula de estrutura tridimensional. Cada secuencia única de aminoácidos xera tamén unha estrutura tridimensional única que ten propiedades específicas. Cadeas individuais de proteínas poden agruparse ás veces e formar así un complexo proteico. A estrutura da proteína pode chegar a desagregarse ou mesmo perder a súa actividade por mor dunha desnaturalización, isto é, a alteración da conformación tridimensional polo aumento excesivo de temperatura, ou variacións fortes de pH. Segundo o enzima, a desnaturalización pode ter efectos reversibles ou irreversibles.
Especificidade Os enzimas posúen en xeral unha elevada especificidade en relación ás reaccións que catalizan e aos substratos implicados nelas. A conformación tridimensional, a carga e outras características hidrofílicas/hidrofóbicas da proteína son responsables desta especificidade. Os enzimas exhiben tamén niveis altos de estereoespecificidade, rexioselectividade e quimioselectividade,Jaeger KE, Eggert T. (2004). "Enantioselective biocatalysis optimized by directed evolution.". Curr Opin Biotechnol. 15(4): 305–313. PMID 15358000 chegando a poder distinguir ás veces entre a forma α e β dun substrato. A vantaxe desta especificidade é a formación do produto que se precisa sen que se xeren outros secundarios.