Enzimas y vitaminas

Las enzimas aceleran enormemente la velocidad de las reacciones. En la naturaleza, una reacción química puede tardar muchas horas en llevarse a cabo, lo que no supone una gran ventaja para los organismos. Sin embargo, en presencia de una enzima, esa misma reacción puede realizarse de mil a un millón de veces más rápido.

Por otro lado, la importancia de las enzimas también radica en tres puntos fundamentales: su estudio, que sirve para entender las reacciones del metabolismo que se producen en las células, como el análisis de las enzimas que intervienen en la glucólisis; su relación con ciertas enfermedades, ya que muchas de las patologías que existen se deben a un fallo en las enzimas, por ejemplo el albinismo –causado por un fallo en la enzima que produce la melanina de la piel–, y su utilización, cada vez más abundante, en la industria, por ejemplo en la fabricación de productos de panadería y bollería y del vino.

Las vitaminas, por su parte, son compuestos esenciales para el normal desarrollo de nuestro organismo. Debido a que el cuerpo humano no es capaz de sintetizar estos compuestos, o lo hace en cantidades insuficientes, las vitaminas han de ser ingeridas a través de los alimentos. Una ingesta deficiente o excesiva de vitaminas puede provocar diversos tipos de enfermedades o trastornos con diferentes consecuencias. La importancia de las vitaminas radica en su carácter enzimático, ya que la mayoría de ellas actúan como coenzimas de enzimas.

Enzimas

Las enzimas son moléculas con actividad catalítica, es decir, que tienen la capacidad de aumentar la velocidad o la rapidez a la que se produce una reacción química. La mayoría de las enzimas son proteínas, por lo que se sintetizan en el interior de las células. Pueden actuar dentro de la célula, a veces en la misma donde se han sintetizado, o fuera de la célula, en el lugar donde se segregan. Estos catalizadores presentan dos importantes propiedades: son muy eficaces, ya que favorecen que una reacción se lleve a cabo en muy poco tiempo sin que ellas mismas se alteren, y son altamente específicas, es decir, que para cada reacción hay una enzima determinada.

La mayor parte de las enzimas se forma mediante la unión de una parte proteica y una no proteica.

En todas las reacciones químicas hay una sustancia inicial, denominada sustrato o reactivo, que se transforma en una sustancia final, denominada producto. La enzima actúa sobre un sustrato, fijándose sobre él y formando un complejo enzima-sustrato.

Este complejo o bien provoca la rotura de los enlaces del sustrato, o bien atrae sustancias que facilitan esta tarea, de manera que el sustrato se transforma, convirtiéndose en producto, que se libera de la enzima. Así, la enzima libre puede volver a unir otro sustrato.

Estructura de las enzimas

Se pueden distinguir dos tipos de enzimas, las que están formadas enteramente por proteína y las que están formadas por una parte proteica y por otra no proteica. La mayoría de las enzimas son del segundo tipo (holoenzimas); su parte proteica se denomina apoenzima, y la no proteica puede ser un elemento químico inorgánico, llamado cofactor, o un complejo orgánico, llamado coenzima.

La parte proteica de una enzima es una cadena polipeptídica formada por multitud de aminoácidos de los cuales sólo algunos tienen una misión dentro del complejo enzimático. Éstos son los aminoácidos llamados de fijación, que, como su nombre indica, son los encargados de fijar de forma débil el sustrato que se va a catalizar, y los aminoácidos denominados catalizadores, que unen el sustrato de manera más fuerte, debilitando su estructura y facilitando su ruptura. Ambos tipos de aminoácidos constituyen el centro o sitio activo de la enzima, una parte relativamente pequeña de una enzima pero la más importante, ya que es el sitio donde se produce la unión del sustrato y se cataliza su transformación en producto.

La enzima tiene una estructura tridimensional, que puede ser totalmente complementaria al sustrato, lo que significa que ambos –enzima y sustrato– tienen la misma forma y encajan (teoría de «la llave y la cerradura»), o ser complementaria inducida por la unión del sustrato, es decir, que, aunque la estructura sea diferente, la unión con el sustrato provoca un cambio conformacional para que puedan encajar (teoría del «ajuste inducido»).

Formación del complejo enzima-sustrato por medio del modelo de «llave-cerradura».

Los cofactores que forman parte de las enzimas son elementos químicos inorgánicos, como, por ejemplo, átomos de hierro (Fe2+, Fe3+), átomos de cobre (Cu2+), átomos de zinc (Zn2+), etc. Las coenzimas, por el contrario, son compuestos de naturaleza orgánica, es decir, compuestos formados por átomos de carbono fundamentalmente.

Factores que afectan a la actividad enzimática

Hay distintos tipos de factores que pueden afectar a la actividad de una enzima, como son la temperatura, la concentración del sustrato, el pH del medio o la presencia de inhibidores.

Temperatura. Las reacciones enzimáticas aumentan su velocidad a medida que aumenta la temperatura, pero sólo hasta cierto punto, ya que si la temperatura se eleva demasiado, la enzima puede desnaturalizarse, es decir, modificar su estructura, perdiendo sus propiedades catalíticas. Todas las enzimas tienen una temperatura óptima, a la que alcanzan su máxima actividad sin que se llegue a producir su desnaturalización.

Concentración de sustrato. Cuando en una reacción enzimática se aumenta la concentración de sustrato, la velocidad también aumenta, ya que se incrementan las posibilidades de que el sustrato sea captado por las enzimas. Sin embargo, esto no ocurre siempre así, ya que si la concentración de sustrato es muy elevada se produce la saturación de las enzimas, es decir, todas estarán formando el complejo enzima-sustrato y la reacción ya no podrá ir más rápido.

pH del medio. Tanto los sustratos como los centros activos de las enzimas tienen grupos funcionales que se ven influidos por el pH del medio en el que se encuentran. Por esta razón, existe un rango de pH para cada enzima en el cual la enzima es funcional, mientras que fuera de él se desnaturaliza y no puede actuar. Dentro de este rango hay un pH óptimo, que es aquel en el que la enzima tiene una máxima eficacia.

Factores que afectan a la actividad enzimática.

Presencia de inhibidores. Los inhibidores son sustancias que actúan sobre las enzimas, disminuyendo o anulando totalmente su actividad catalítica. A pesar de esta acción negativa, los inhibidores tienen una gran importancia como reguladores de las vías metabólicas y como ingredientes de fármacos, insecticidas, etc. La inhibición puede ser de dos tipos: reversible, cuando se impide el funcionamiento del centro activo de la enzima de forma temporal, o irreversible, cuando el inhibidor se une al centro activo y lo inutiliza de forma permanente.

Especificidad de las enzimas

El sitio activo de una enzima dispone sus aminoácidos de fijación con una conformación espacial determinada, de manera que sólo se podrán unir los sustratos que puedan acoplar sus grupos funcionales a este tipo de conformación, estableciéndose una unión enzima-sustrato altamente específica. La especificidad enzima-sustrato puede ser de tres tipos: absoluta, si la enzima sólo reconoce un tipo de sustrato (por ejemplo, la succinato deshidrogenasa, que sólo reconoce la molécula de succinato); de grupo, si la enzima es capaz de reconocer las moléculas que tienen un determinado tipo de enlace químico (por ejemplo, las proteasas, que reconocen las proteínas por la presencia del enlace polipeptídico), y de reacción, si la enzima tiene la capacidad de llevar a cabo una reacción determinada (por ejemplo, las lipasas, que rompen los enlaces ésteres de los lípidos mediante la adición de una molécula de agua para liberar una molécula de ácido graso).

Nomenclatura y clasificación de las enzimas

Las enzimas se clasifican según el tipo de reacción que catalizan, pudiéndose distinguir seis clases que se enumeran, ordenadas según convenio, en oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas. Dentro de cada clase hay subclases, dentro de éstas hay sub-subclases y dentro de ellas, a su vez, se pueden establecer órdenes.

En la tabla 1 aparecen las clases en las que se divide a las enzimas y las reacciones que cataliza cada una.

Tabla 1. Clasificación de las enzimas y reacciones catalizadas.

Vitaminas

Las vitaminas son compuestos orgánicos esenciales para la vida. Tanto es así que la palabra «vitamina» procede de «amina vital», ya que la primera que se descubrió tenía grupos amino (grupos funcionales con átomos de nitrógeno) en su molécula.

Aunque en pequeñas cantidades, nuestro organismo las necesita para su crecimiento y desarrollo y para multitud de procesos metabólicos por su papel como coenzimas. El organismo no es capaz de sintetizarlas, y si lo hace es en cantidades insuficientes, por lo que se deben obtener a partir de los alimentos. Los animales deben ingerir diariamente ciertas cantidades de cada vitamina. Cuando esto no ocurre, se pueden producir gran variedad de trastornos, como ceguera nocturna, anemias, dermatitis, etc., y, en los casos más graves, la muerte. Cuando hay una carencia total de una vitamina, se dice que el individuo sufre de avitaminosis, afección que puede provocar enfermedades muy graves; si la carencia de una vitamina es parcial, se habla de hipovitaminosis, que puede provocar ciertas alteraciones.

Viendo esto, se podría pensar que la solución sería tomar cada vitamina en gran cantidad para no sufrir ningún tipo de trastorno. Esto, sin embargo, constituiría un gran error, pues el exceso de una vitamina, sobre todo de las liposolubles, también puede ser perjudicial para la salud, hablándose entonces de hipervitaminosis. Las necesidades de vitaminas varían según la edad de la persona, la etapa de desarrollo en que se encuentre, su actividad diaria, etc.

Una vitamina se puede nombrar de tres maneras distintas: con una letra mayúscula (por ejemplo, vitamina A), nomenclatura que se les dio según se iban descubriendo; con su nombre químico (siguiendo con el ejemplo anterior, retinol), como si fuera un nombre propio que la identifica, y con un término relacionado con la enfermedad que se produce en su ausencia (por ejemplo, la vitamina B1 también es conocida como vitamina antiberibérica, ya que su ausencia produce el beriberi).

Las vitaminas comprenden multitud de compuestos, los cuales se pueden englobar en vitaminas liposolubles (no solubles en agua pero sí en grasas), y en vitaminas hidrosolubles (sí solubles en agua). La clasificación de las vitaminas se muestra en la tabla 2.

Tabla 2. Clasificación de las vitaminas.

Vitaminas liposolubles

Las vitaminas liposolubles son moléculas lipídicas, por lo que son solubles en disolventes no polares pero insolubles en agua. Dentro de este grupo se encuentran las vitaminas A, D, E y K. Su principal característica es que se pueden acumular en el organismo, por lo que son necesarios muchos meses de deficiencia (no ingesta) para que puedan llegar a producir enfermedad (v. figura 4).

Fórmulas estructurales de algunos compuestos de vitaminas liposolubles.

Vitamina A o retinol. Es una molécula lipídica de cadena larga formada por cuatro unidades de isopreno, un terpeno o isoprenoide que se almacena en el hígado. Su función principal es la de participar en la visión, ya que interviene en el mecanismo por el cual la retina recibe la energía luminosa, pero también desempeña un papel importante en el crecimiento animal (estimulando el desarrollo del sistema nervioso), en el mantenimiento de los tejidos epiteliales (como piel y mucosas), y en la reproducción.

Entre las fuentes alimentarias en las que podemos encontrar la vitamina A están la leche, la mantequilla, la yema de huevo y el hígado de mamíferos, aves y peces grasos. Además de adquirirla mediante la ingesta de alimentos, es posible también sintetizar esta vitamina a partir de -caroteno, compuesto isoprenoide que se encuentra en algunos vegetales, como la zanahoria.

Una deficiencia de vitamina A o hipovitaminosis provoca: trastornos oculares, como ceguera nocturna y sequedad de los ojos; problemas en los tejidos epiteliales, como alteraciones de las glándulas sudoríparas –responsables de expulsar el sudor del organismo– y sequedad de la piel, y esterilidad masculina. Por el contrario, un exceso de esta vitamina o hipervitaminosis puede producir anorexia, que es un trastorno de los hábitos alimentarios, así como náuseas, vómitos, dolor de cabeza, irritabilidad, etc.

Vitamina D. Es un grupo que engloba a las vitaminas D2, D3, D4, D5 y D6, de las cuales las más importantes son la D2 o ergocalciferol y la D3 o colecalciferol. La forma habitual que se suele encontrar en el ser humano es la D3, que no es considerada realmente una vitamina, sino una prohormona, ya que deriva, mediante la exposición a los rayos ultravioleta, de un compuesto intermedio de la vía de síntesis del colesterol, y actúa de forma análoga a una hormona. Tiene como funciones favorecer la absorción del fósforo y del calcio en el intestino y regular la correcta formación de los huesos.

Podemos encontrar esta vitamina en los pescados grasos (como arenques y sardinas), los aceites de hígado de estos pescados, la leche entera y las grasas de la leche (como el queso, la mantequilla y la nata). La exposición moderada al sol contribuye a que la vitamina pueda sintetizarse, por el propio organismo, en la piel.

La carencia de vitamina D3 puede venir por una dieta inadecuada o por una falta de exposición a la luz solar, y provoca raquitismo en la infancia y osteomalacia en adultos, lo que implica problemas de calcificación de los huesos que provocan su deformación. Un exceso de esta vitamina produce trastornos digestivos y calcificación, es decir, la formación y deposición de compuestos de calcio en riñones, corazón, etc.

Vitamina E o tocoferol. Agrupa un conjunto de moléculas muy similares, entre las que destaca el -tocoferol (v. figura 6). Esta vitamina actúa como antioxidante, ya que evita la oxidación de los ácidos grasos de las membranas, lo que reduce los fenómenos de envejecimiento celular. Podemos encontrar vitamina E en alimentos de origen vegetal (como en los aceites de frutos y semillas, por ejemplo aceite de oliva, de girasol, etc.), en el germen de cereales y en la yema de huevo.

La ingesta de vitamina E es altamente beneficiosa, pues tiene efectos antioxidantes y reduce el envejecimiento celular. Esta vitamina se encuentra en alimentos de origen vegetal, como el aceite de oliva.

Fórmula estructural de uno de los compuestos de la vitamina E: el α-tocoferol.

Las deficiencias de vitamina E se han estudiado en roedores, no en humanos, y producen lesiones en el hígado y en el sistema inmunitario, problemas musculares y esterilidad. El exceso de su ingesta no parece tener efecto negativo alguno.

Vitamina K. Engloba un grupo de vitaminas: la K1, la K2, la K3 y la K4. Estos compuestos son esenciales para la formación de una molécula, llamada protrombina, que participa en el proceso de coagulación de la sangre, importante mecanismo que tapona las lesiones de los vasos sanguíneos deteniendo las hemorragias.

Estas vitaminas se encuentran en pequeña cantidad en las verduras de hoja (como las espinacas), en los tomates, en las coles y en algunas frutas.

Un déficit de vitamina K, que se puede producir por una mala absorción en el intestino o por ingestión de ciertos antibióticos, provoca hemorragias por coagulación deficiente. Un consumo excesivo no produce ninguna toxicidad.

Vitaminas hidrosolubles

Las vitaminas hidrosolubles son moléculas solubles en agua. Debido a esta propiedad, pueden disolverse en la sangre, formada por agua en un porcentaje muy alto, y ser transportadas hasta los riñones y eliminadas por la orina. De esta manera, este grupo de vitaminas no se acumula en el organismo, por lo que su exceso no produce ningún tipo de trastorno. Por el contrario, su deficiencia sí provoca enfermedades importantes, y debido precisamente a que no se acumulan, unos pocos días sin tomar estas vitaminas son suficientes para que aparezcan los problemas. Dentro de este grupo se encuentran la vitamina C y las vitaminas del complejo B: B1, B2, B3, B5, B6, B8, B9 y B12 (v. figura 7).

Fórmulas estructurales de diversos compuestos de las vitaminas hidrosolubles B y C.

Vitamina C o ácido ascórbico. Desempeña un importante papel en la síntesis de colágeno, proteína fundamental en los huesos, los dientes, los tendones, la piel, etc., y en la formación de la matriz intercelular, que mantiene la cohesión de los tejidos. Todas las frutas y verduras contienen cierta cantidad de vitamina C, siendo su porcentaje muy elevado en los cítricos (naranjas, limones, etc.) y en los kiwis (con más ácido ascórbico incluso que las naranjas).

Su ingesta debe aumentarse en situaciones especiales, como el embarazo, estados febriles, actividad física muy intensa, etc. La deficiencia de vitamina C produce escorbuto, cuyos síntomas son encías sangrantes, hemorragias, caída de los dientes, hinchazón de las articulaciones y trastornos digestivos. Su curación puede ser tan sencilla como beber un zumo de naranja.

Vitamina B1 o tiamina. Forma parte de las coenzimas (la parte no proteica de las holoenzimas) que participan en el metabolismo de glúcidos y lípidos. Las fuentes alimentarias en las que se puede encontrar vitamina B1 son: cereales completos (como harinas y granos), leguminosas, levaduras y carnes en general.

Una carencia importante y duradera produce una enfermedad llamada beriberi, que afecta al sistema nervioso y que se caracteriza por debilidad muscular, pérdida de reflejos, parálisis, problemas de sensibilidad e insuficiencia cardiaca, entre otras afecciones.

Vitamina B2 o riboflavina. Forma parte de coenzimas que participan en la respiración celular, proceso por el que se obtiene energía; participa también en los procesos de crecimiento.

Se puede encontrar en casi todos los alimentos, como la leche y sus derivados, huevo, hígado de animales, vegetales, levadura de panadería, etc.

La deficiencia de esta vitamina produce lesiones en las mucosas, dermatitis, irritabilidad de mejillas y lengua, trastornos oculares y retraso en el crecimiento.

Vitamina B3 o factor PP o niacina. Participa en la síntesis (anabolismo) y degradación (catabolismo) de los ácidos grasos, los glúcidos y los aminoácidos, ya que forma parte de dos coenzimas que intervienen en estos procesos.

Está contenida en numerosos alimentos, como carnes y vísceras, pescados, leche, leguminosas, cereales completos, etc.

La demanda de esta vitamina es bastante importante durante la adolescencia, la gestación y los periodos de crecimiento en general, por lo que en estas etapas debe aumentarse su ingesta diaria.

Es la única vitamina hidrosoluble que puede provocar algún trastorno si se ingiere en exceso, por ejemplo enrojecimiento y picores en la piel. Por el contrario, su déficit puede producir una enfermedad denominada pelagra, que se conoce como la enfermedad de las cuatro «d» por los trastornos que conlleva: diarreas, dermatitis, demencia y, en casos extremos, defunción.

Vitamina B5 o ácido pantoténico. Forma parte de una coenzima imprescindible para la degradación de ciertos glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos.

Se encuentra presente en todos los tejidos animales, donde se almacena, y en prácticamente todos los alimentos, sobre todo en la levadura de cerveza, en las vísceras, en la yema de huevo y en la jalea real.

La carencia de esta vitamina es muy rara, ya que se encuentra en multitud de productos, pero en el caso de producirse, sus síntomas serían dermatitis, despigmentación de la piel, anemia (disminución de algunos componentes de la sangre) y problemas de circulación sanguínea en las extremidades inferiores.

Vitamina B6 o piridoxina. Es una coenzima que forma parte de las enzimas que participan en el metabolismo de los aminoácidos.

Principalmente se encuentra en los vegetales de hojas verdes, los cereales completos, el hígado, los cacahuetes y otros frutos grasos. En menor cantidad, se puede encontrar en frutas como el plátano.

Las cantidades recomendadas a tomar diariamente de esta vitamina varían mucho a lo largo de la vida, siendo más elevadas durante el embarazo y la lactancia.

Su déficit, aunque raro, puede provocar alteraciones en el sistema nervioso, como irritabilidad, depresiones, trastornos del sueño, etc. También puede provocar dermatitis en la piel.

Vitamina B8 o vitamina H o biotina. Es también coenzima de enzimas, y participa en el metabolismo de grasas, aminoácidos y glúcidos.

Está presente en multitud de alimentos, sobre todo en vegetales, en el hígado de animales y en el huevo. Es producida por las bacterias que se encuentran en la flora de la pared intestinal, por lo que los animales la pueden obtener a través de ella.

Si no se ingiere suficiente vitamina B8 se pueden producir trastornos como dermatitis, alopecia o caída del cabello, anemia, vómitos y anorexia.

Vitamina B9 o ácido fólico. Es coenzima de enzimas implicadas en la síntesis de las bases nitrogenadas que forman los ácidos nucleicos, las purinas y las pirimidinas. También se ha podido estudiar su participación en el crecimiento y en la formación de los glóbulos rojos de la sangre (v. figura 8).

Estructura del ácido fólico, vitamina muy importante durante el desarrollo del feto.

Las deficiencias en vitamina B9 provocan trastornos digestivos agudos, anemia y, en la infancia, detención del crecimiento. El ácido fólico es muy importante para el correcto desarrollo del feto en las embarazadas, por lo que se aconseja tomar preparados de esta sustancia en la etapa previa a la concepción.

Las fuentes alimentarias en las que podemos encontrar esta vitamina son: el hígado de los animales, los riñones, el huevo, la leche, los productos obtenidos por fermentación con levaduras (pan, bollería) y los vegetales de hoja, como espinacas y acelgas.

Vitamina B12 o cobalamina. Esta vitamina es esencial para la síntesis de los ácidos nucleicos y proteínas. Junto con el ácido fólico, interviene en la formación de los glóbulos rojos. Se encuentra en alimentos de origen animal, especialmente en la carne y en las vísceras.

Una carencia de esta vitamina puede producir problemas de absorción de nutrientes en el intestino, anemia (debido a su implicación en la síntesis de glóbulos rojos) y alteraciones neurológicas.

Factores que afectan a la utilización de las vitaminas

Todos los alimentos presentan determinadas cantidades de vitaminas en su composición, ya sean liposolubles, hidrosolubles o de ambos tipos. De hecho, se pueden encontrar multitud de listas en las que se indica el contenido en vitaminas de cada alimento. Sin embargo, cuando se comen esos alimentos, es muy probable que no se esté ingiriendo tanta cantidad como uno piensa.

Existen ciertos factores que influyen en la utilización de las vitaminas. En primer lugar, se encuentra la cocción de los alimentos: no es lo mismo, por ejemplo, comer una zanahoria cruda que cocida. Las vitaminas son termolábiles, es decir, muy sensibles al calor, por lo que en la cocción se pierde la mayor parte de las vitaminas hidrosolubles. Sin embargo, la cocción no afecta por igual, ya que depende de la relación temperatura/tiempo: si la temperatura es muy alta pero se mantiene durante poco tiempo, la pérdida vitamínica es mucho menor que si se mantiene la misma temperatura durante mucho tiempo.

Otro factor que afecta a las vitaminas es la luz: las vitaminas B2 o riboflavina y B6 o piridoxina son especialmente sensibles a la luz, es decir, son fotosensibles. Los alimentos que las contienen deben protegerse de la luz con, por ejemplo, plásticos opacos, cristales de color ámbar, etc., aunque no siempre se hace. Por último, otro gran factor que influye en la cantidad vitamínica de los alimentos es el aire, ya que el oxígeno que contiene provoca la oxidación de ciertas vitaminas, como la A, la C y la B3 o niacina. Por esta razón, siempre se recomienda, por ejemplo, beberse un zumo de naranja recién exprimido lo más pronto posible, para que no pierda sus propiedades.