Bioquímica i Metabolisme 2n parcial: de l'enzim a l'ATP

Els éssers vius mantenen milers de transformacions químiques simultànies amb una celeritat i una precisió extraordinàries gràcies a la presència dels catalitzadors biològics. Un enzim és un biocatalitzador proteic (a excepció de determinades molècules d'ARN amb capacitat catalítica conegudes com a ribozims) que accelera la velocitat de les reaccions metabòliques sense consumir-se durant el procés ni alterar el balanç termodinàmic final.

1. Fonaments de la catàlisi enzimàtica i perfil energètic

Tota transformació química exigeix superar una barrera energètica inicial perquè els reactius assoleixin un estat inestable d'alta energia, anomenat estat de transició, abans de transformar-se en productes. L'energia necessària per assolir aquesta configuració transitòria s'anomena energia d'activació ($\Delta G^\ddagger$).

És crucial distingir entre els paràmetres cinètics i els termodinàmics de la reacció química. Els enzims modifiquen exclusivament la barrera cinètica, però deixen inalterats els nivells d'energia lliure basal dels reactius (estat inicial) i dels productes (estat final). Per tant:

• La variació d'energia lliure de Gibbs estàndard ($\Delta G^{\circ\prime}$) i global ($\Delta G$) roman invariable (vegeu «Bioenergètica — Termodinàmica metabòlica i acoblament energètic»). L'enzim no pot convertir una reacció endergònica en exergònica.
• La posició de l'equilibri químic no canvia; per consegüent, la constant d'equilibri ($K_{\text{eq}}$) és exactament la mateixa en presència o en absència de l'enzim. L'enzim només redueix el temps necessari per assolir aquest equilibri.

2. Classificació i nomenclatura internacional dels enzims (Comissió d'Enzims, EC)

Històricament, molts enzims van rebre noms arbitraris associats al seu origen o substrat afegint el sufix -asa (com la sacarasa, la tripsina o la catalasa). Per resoldre la manca de coherència, la Comissió d'Enzims (EC, de l'anglès Enzyme Commission) va establir un sistema numèric rigorós que classifica cada enzim en 6 classes funcionals principals segons el tipus específic de reacció química que catalitza, representat pel primer dígit del codi (EC X.x.x.x).

En el nom sistemàtic internacional s'especifiquen tant els substrats com el mecanisme operatiu. Per exemple, l'alcohol deshidrogenasa rep el nom sistemàtic de etanol:NAD⁺ oxidoreductasa, detallant amb exactitud qui cedeix els electrons (etanol) i qui actua com a acceptor (NAD⁺).

3. Components de l'holoenzim: apoenzim, cofactors metàl·lics i coenzims

Encara que la capacitat catalítica depèn de l'estructura tridimensional de la cadena polipeptídica, nombrosos enzims no poden funcionar de manera autònoma emprant únicament les cadenes laterals dels aminoàcids ordinaris. Aquests sistemes requereixen la col·laboració d'elements no proteics.

Els components no proteics o cofactors es divideixen estructuralment i funcionalment en dues grans branques:

• Cofactors inorgànics (ions metàl·lics): Cations com el $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Mn}^{2+}$ o $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}^{3+}$. La seva missió radica a estabilitzar càrregues negatives a l'estat de transició, orientar el substrat a la cavitat catalítica o participar directament en transferències d'electrons.
• Cofactors orgànics (coenzims): Molècules orgàniques complexes, la majoria derivades de vitamines hidrosolubles del complex B, que actuen com a transportadors transitoris d'àtoms d'hidrogen, electrons o fragments químics determinats.

4. Cossubstrats enfront de grups prostètics

Dins del grup dels coenzims orgànics, existeix una divisió fonamental segons la naturalesa física i dinàmica de la seva interacció amb la proteïna:

A. Cossubstrats (associació feble i transitòria)

Són coenzims solubles que s'uneixen temporalment al centre actiu amb enllaços no covalents febles i se'n dissocien fàcilment quan acaba la reacció. Es comporten realment com a segons substrats estequiomètrics:

• Ingressen a la cavitat enzimàtica en una forma química determinada (CO1), pateixen una modificació covalent en rebre o cedir un fragment o electrons, i en surten en una forma alterada (CO1').
• Perquè el cicle continuï a l'organisme, han de ser regenerats a la seva configuració primitiva per la intervenció d'una reacció catalitzada per un enzim independent.
• Són exemples clau el NAD⁺/NADH (transport d'hidrurs i electrons procedent de la niacina o vitamina B₃), el NADP⁺/NADPH, el coenzim A (derivat de l'àcid pantotènic o vitamina B₅, responsable del trànsit d'acil o acetil mitjançant el seu enllaç tioèster ric en energia) i l'ATP (donador de fosfat i energia lliure).

B. Grups prostètics (unió forta o permanent)

Són molècules estretament ancorades a l'estructura terciària de l'apoenzim, sovint mitjançant enllaços covalents estables o interaccions no covalents extremadament afins, de manera que no es dissocien mai de la proteïna durant el funcionament normal:

• Mentre la reacció avança, el grup prostètic pot alterar-se transitòriament, però l'enzim té integrats els passos catalítics necessaris perquè en finalitzar el cicle el grup prostètic recuperi exactament el seu estat químic original abans d'iniciar la transformació de la molècula següent de substrat.
• Són grups prostètics clàssics la biotina (vitamina B₇ unida covalentment a residus de lisina en carboxilases), el FAD (flavin adenin dinucleòtid unit a flavoproteïnes com la succinat deshidrogenasa) i el grup hemo dels citocroms.

5. Models d'acció coordinada: alcohol deshidrogenasa, piruvat carboxilasa i piruvat deshidrogenasa

Per comprendre la integració entre el centre catalític de l'enzim, els cofactors metàl·lics i els coenzims, resulta paradigmàtic analitzar tres sistemes bioquímics troncals:

Alcohol deshidrogenasa (cooperació entre catió metàl·lic i cossubstrat)

L'enzim alcohol deshidrogenasa (ADH) oxida l'etanol a acetaldehid i transfereix l'equivalent reductor a la molècula de NAD⁺:

Al centre actiu d'aquesta oxidoreductasa col·laboren simbiòticament dos components no proteics:

1. Ió de zinc ($\text{Zn}^{2+}$): Funciona com a cofactor inorgànic coordinat als residus d'aminoàcids (cisteïnes i histidina). La seva elevada densitat de càrrega positiva coordina l'oxigen del grup hidroxil de l'etanol, polaritzant l'enllaç O-H i estabilitzant la densitat electrònica perquè l'enzim faciliti la sostracció de càrrega.
2. Cossubstrat NAD⁺: S'allotja al centre actiu de manera transitòria, acceptant formalment un ió hidrur ($\text{H}^-$, equivalent a 2 electrons i 1 protó) a l'anell de nicotinamida per transformar-se en NADH, mentre s'allibera un altre $\text{H}^+$ al medi aquós. En culminar el pas, el NADH es desprèn del centre actiu perquè una altra molècula de NAD⁺ pugui reiniciar la catàlisi.

Piruvat carboxilasa (grup prostètic mòbil unit covalentment)

Aquest enzim pertany a la classe de les lligases (EC 6) i sintetitza oxalacetat a partir de piruvat i hidrogencarbonat ($\text{HCO}_3^-$), consumint una molècula d'ATP. En aquest cas, la biotina es troba lligada covalentment mitjançant un enllaç amida entre la seva cua carboxílica i el grup $\varepsilon$-amino d'una lisina específica del domini proteic. Aquest braç flexible permet que la biotina capti el $\text{CO}_2$ activat per l'ATP en un subcentre catalític, roti físicament a través de l'espai i el transfereixi a la molècula de piruvat situada al subcentre contigu, retornant inalterada a la posició de partida.

Complex piruvat deshidrogenasa (col·laboració multienzimàtica)

El complex de la piruvat deshidrogenasa constitueix un exemple magistral d'acció conjunta de múltiples coenzims per dur a terme la descarboxilació oxidativa del piruvat cap a acetil-CoA, enllaçant la glicòlisi amb el cicle de Krebs:

En aquesta transformació intervenen cinc cofactors distints: la tiamina pirofosfat (TPP, provinent de la vitamina B₁), el lipoat (àcid lipoic) i el FAD actuant com a grups prostètics altament associats, mentre que el Coenzim A (CoA-SH) i el NAD⁺ hi intervenen en règim de cossubstrats solubles que s'uneixen i surten del complex modificant el seu estat químic.