Por Francisco J. Plou (CSIC)*
Las enzimas son catalizadores biológicos, o biocatalizadores, responsables de regular y acelerar de forma sustancial la velocidad de las reacciones químicas en los seres vivos. Trabajos de los químicos estadounidenses Sumner y Northrop (ambos compartieron Premio Nobel de Química en 1946, junto con Stanley) permitieron determinar que las enzimas eran proteínas. Por tanto, al igual que estas últimas, las enzimas están formadas por aminoácidos y juegan un papel crucial en casi todos los procesos biológicos. El potencial químico de un ser vivo queda definido por su información genética, y las enzimas son las entidades biológicas que convierten dicha información en acción. Dicho de otro modo, las enzimas son proteínas que incrementan la velocidad de una reacción química sin consumirse y recuperándose sin cambios esenciales. Así, las enzimas son muy eficaces y específicas, ya que cada una está especializada en procesar una reacción concreta.
En esta imagen de microscopía electrónica de barrido se pueden observar tres enzimas distintas formando complejos cristalinos con fosfato de cobre. Los complejos de proteína y sal crecen creando estructuras semejantes a algunas flores. / David Talens Perales (IATA-CSIC). FOTCIENCIA16
En los últimos años, un nuevo concepto, que se contrapone a esta especificidad de las enzimas, ha adquirido un notable protagonismo: la promiscuidad. Este término nos puede evocar a relaciones poco estables o “de flor en flor” entre personas, pero también se ha hecho un hueco en el ámbito de la bioquímica, si bien suele utilizarse en su lugar el concepto más académico de “amplia especificidad”. En el metabolismo cada enzima se ha especializado, a través de la evolución, en una determinada reacción química, para lo que es necesario que la enzima reconozca un sustrato muy concreto. Este es el caso de la glucosa oxidasa, una enzima que solo reconoce a la glucosa y se muestra indiferente con azúcares muy similares como la galactosa o la fructosa. Por ello tiene múltiples aplicaciones en biotecnología, entre las que destaca el poder cuantificar la glucosa libre en los fluidos biológicos (sangre y orina), base de los biosensores de las personas diabéticas. Sin embargo, cada año se publican nuevos artículos en los que se reseña cómo una enzima es capaz de aceptar sustratos alternativos al original (lo que se denomina “promiscuidad de sustrato”) o, lo que resulta mucho más rompedor, catalizar otro tipo de transformaciones químicas (lo que se conoce como “promiscuidad catalítica”). La mayoría de enzimas, entonces, son promiscuas.
¿De dónde proviene esta propiedad? Se cree que las enzimas actuales han evolucionado a partir de enzimas ancestrales que mostraban una gran promiscuidad, esto es, las primeras enzimas eran generalistas y realizaban por tanto funciones muy diversas. Así, las células no podían gastar energía en producir enzimas especializadas y preferían enzimas multifunción, como esos sacacorchos que, además de permitirnos abrir una botella de vino, incluyen una pequeña navaja y un sinfín de accesorios. Pero con el tiempo fue necesario dotar a las enzimas de mayor actividad catalítica y especificidad, como laboriosa “mano de obra” cada vez más especializada y eficaz. Parece ser una consecuencia evidente de la divergencia evolutiva.
Estos conceptos chocan de frente con los descritos en uno de los libros más vendidos sobre estas cuestiones en los últimos años, La enzima prodigiosa, del médico Hiromi Shinya. El autor señala, con poca base científica, que en nuestro organismo “hay una enzima madre, una enzima prototipo, sin especialización. Hasta que esta enzima madre se convierte en una enzima específica como respuesta a una necesidad particular, tiene el potencial de convertirse en cualquier enzima”.
La Mata Hari de las enzimas
Pero sigamos con nuestras enzimas promiscuas. Desde el punto de vista aplicado, la promiscuidad de sustrato presenta connotaciones de gran interés. Por un lado, para ciertos usos es deseable que las enzimas sean poco específicas. Nos referimos, por ejemplo, a su empleo en detergentes, donde una lipasa debe atacar cuantos más tipos de manchas de grasa, mejor, o a su utilización en descontaminación, en la que una oxidorreductasa es preferible que oxide el mayor número posible de compuestos recalcitrantes.
En cuanto a la promiscuidad catalítica, que implica que una misma enzima es funcional en reacciones que pertenecen a varias de las seis clases descritas en el cuadro de la imagen (tabla 1), es notorio el caso de la lipasa B de la levadura Candida antarctica. Esta enzima, a la que podríamos denominar la Mata Hari de la enzimología, se ha convertido en uno de los biocatalizadores con mayores aplicaciones industriales. Por citar algunas: cataliza reacciones diversas que incluyen la hidrólisis e interesterificación de grasas, la obtención de poliésteres, la síntesis de amidas, resoluciones racémicas, condensaciones aldólicas, epoxidaciones y la reacción de Mannich, que se usa por ejemplo para sintetizar fármacos, entre otras cosas. Como señalan algunos científicos, “es el momento de investigar nuevas reacciones para viejas enzimas”. Con ello aumentarán las posibilidades catalizadoras de las enzimas.
* Francisco J. Plou es investigador en el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC y autor del libro ‘Las enzimas’ (Editorial CSIC – Los Libros de la Catarata).
En 1587 se publicaba el manuscrito Libro sobre cometas, con hermosas ilustraciones. El texto, anónimo, describe la materia de los cometas, su conexión con los planetas y su significado según la forma, color y posición. Así, cuando el cometa Aurora aparece sobre oriente habrá sequía, incendios y guerra. En la ilustración, una ciudad es devastada por las llamas bajo su auspicio sangriento. El resplandor de la conflagración ilumina la escena, mientras el brillo de Aurora se refleja en las nubes. El artista, por tanto, identifica los cometas como fenómenos atmosféricos. Diez años antes de la edición de este libro, el Gran Cometa de 1577 apareció en los cielos de Europa asombrando a sus gentes durante semanas. Tras estudiar sus movimientos, el astrónomo danés Tycho Brahe confirmó que se trataba de un acontecimiento celeste situado mucho más allá de la luna, y no de un fenómeno atmosférico, como creían numerosos eruditos de la época.
La identificación de estas moléculas abre la puerta al diseño de nuevas estrategias y fármacos destinados a potenciar los procesos cognitivos, principalmente en individuos afectados por patologías que afectan a la memoria, como las enfermedades neurodegenerativas. Aunque la tan ansiada “píldora de la memoria” aún está fuera de nuestro alcance, es intrigante pensar qué efectos podrían provocar estos fármacos en individuos sanos. Intuitivamente podríamos imaginar la aparición de una “supermemoria”. Sin embargo, es probable que llegar a obtenerla no sea tan sencillo. Consideremos que el efecto de estos fármacos, aún en vías de desarrollo, podría ser diferente en un cerebro sano y en un cerebro afectado por neurodegeneración, en donde el entorno neuronal se ve profundamente alterado con la aparición de agregados moleculares inexistentes en situaciones normales. En este escenario, es esperable que el uso de fármacos que modulan moléculas cuyo efecto es predominante en el cerebro enfermo no tendría por qué afectar positivamente a las capacidades de memoria de un cerebro saludable que carece de estas dianas.