LAS PROTEÍNAS

TEMA 2.1. PROTEINAS Y CARACTERÍSTICAS GENERALES.

2.1.1. EXPLICAR EL CONCEPTO E IMPORTANCIA DE LAS PROTEÍNAS. DEFINIR QUE ES UN AMINOÁCIDO Y EXPLICAR SU ESTRUCTURA GENERAL. CONOCER LOS FUNDAMENTOS DE LA CLASIFICACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS. EXPLICAR LA FORMACIÓN EL ENLACE PEPTÍDICO.

I. CONCEPTO E IMPORTANCIA DE LAS PROTEÍNAS

Son las moléculas fundamentales en la organización de la célula, no sólo por su abundancia, pues constituyen casi la mitad del peso seco, sino por la enorme variedad de funciones que desempeñan. Están formadas por C, H, O y como bioelemento característico el N. Pero además puede tener otros como P, S, Fe, Mg etc. Los elementos que dan lugar a estas moléculas macroprotéicas de elevado peso molecular, se combinan para formar primero unos monómeros llamados aminoácidos que se unen entre si y dan lugar a las proteínas, con orden y secuencia determinados genéricamente.

Las proteínas pueden formar dispersiones coloidales en agua pura o en disoluciones salinas. Además solo son activos en un estrecho margen de pH y temperatura, y su actividad puede ser alterada por distintas sustancias llamadas efectores.

Los aminoácidos que forman las proteínas se enganchan unas a otras y en realidad tiene carácter de proteína cuando el nº de aminoácidos supera los 60. Si el nº de aminoácidos oscila entre 10 y 60 no tiene carácter de proteína y se denomina polipéptido. Si el nº es de 2 a 10 aminoácidos se denomina oligopéptido. Estos dos últimos desempeñan funciones variadas como hormonas (insulina) venenos, etc.

Las proteínas deben su importancia biológica al número de funciones que desempeñan, entre las que podemos citar:

A. Catalíticas; la práctica totalidad de las regiones biológicas están catalizadas por enzimas específicas, de las que existen unas 2.000 distintas en cada célula. Todas ellas son proteínas.

B. Reguladoras; hormonas peptídicas como la insulina (que regula el metabolismo de la glucosa), la hormona del crecimiento o paratiroidea (que regula el metabolismo del calcio y del fósforo).

C. Estructurales; forman parte de las membranas celulares, los microtúbulos, cilios, etc. Son parte importante de las uñas, piel, etc.

D. Transporte; como la hemoglobina que transporta oxígeno por la sangre.

E. Acumulación de sustancias; como la ovoalbúmina de la clara del huevo y la caseína de la leche, que actúan como proteínas de reserva.

F. Movimiento; la contracción muscular se debe a la interacción de filamentos proteicos de actina y miosina.

G. Defensa inmunitaria; las inmunoglobulinas dan lugar a los anticuerpos, que se forma como respuesta a la presencia de sustancias extrañas o antígenos, a los que aglutinan o precipitan.

II. DEFINICIÓN Y ESTRUCTURA GENERAL DE LOS AMINOÁCIDOS.

Las biomoléculas que forman las proteínas se combinan para dar lugar a unidades monoméricas llamadas aminoácidos, que se unen entre sí siguiendo un orden y número que residen en nuestro ADN.

Químicamente se caracteriza por poseer un grupo ácido, carboxílico (COOH), un grupo amino (NH2), unidos covalentemente a un átomo de carbono central, llamado carbono  (carbono asimétrico), al cual también se une un átomo de hidrógeno y una cadena lateral (-R). Las diferencias entre los aminoácidos proteicos se deben a que cada uno presenta una cadena R distinta.

ESTRUCTURA GENERAL DE UN AMINOÁCIDO.

H

NH2 C COOH

R

En condiciones de Ph neutro, los grupos amino se encuentran en gran parte protonados y los grupos carboxilos desprotonados, por lo que los aminoácidos se comportan en los medios biológicos como sustancias anfóteras (son tanto ácidos como bases) ya que están doblemente ionizados.

ESTRUCTURA MOLECULAR DE UN AMINOÁCIDO IONIZADO.

H

NH3+ C COO-

R

PROPIEDADES:

a) Isomería espacial y óptica: El átomo de C que ocupa la posición  es asimétrico en todos los aminoácidos (salvo en la glicina), ya que poseen 4 radicales distintos. Este hecho los hace ópticamente activos, de modo que en disolución desvían el plano en que vibra un haz de luz polarizada.

A su vez como los enlaces de los átomos de C poseen una configuración tetraédrica, serán posibles 2 configuraciones distintas para cada aminoácido, que serán imágenes especulares o estereoisómeros.

b) Propiedades ácido-base: en disoluciones próximas a 7, los aminoácidos están ionizados. En este caso el grupo amino capta un protón, actuando como base, y el grupo carboxilo cede un protón actuando como ácido. Los aminoácidos a Ph neutro se encuentran en estado de iones híbridos. Formando dipolos. Son por tanto anfóteros ya que pueden actuar tanto como ácido como base.

c) Solubilidad: La bipolaridad de los aminoácidos y la presencia del radical explica su solubilidad.

III. CLASIFICACIÓN.

• Según las características que presentan sus cadenas laterales (R) se dividen en:

A. Ácidos: R aporta grupo carboxilo.

B. Bases: R aporta grupos Amino.

C. Neutros polares: R contiene grupos polares capaces de formar puentes de H con otros compuestos polares.

D. Neutros apolares: R posee grupos hidrófobos que interaccionan con otros grupos hidrófobos mediante fuerzas de Van Der Waals.

• En la naturaleza se conocen alrededor de 200 aminoácidos, o más, pero solo 20 forman parte de las proteínas. Estos últimos son los denominados ácidos protéicos, frente al resto que se denominan aminoácidos no protéicos. De estos 20 aminoácidos protéicos hay 9 que nuestro organismo no puede sintetizar, por eso los tenemos que ingerir en la dieta, son los denominados aminoácidos esenciales, frente a los aminoácidos no esenciales, que son aquellos que nuestro organismo puede sintetizar.

IV. EL ENLACE PEPTÍDICO.

Es un enlace de tipo amida secundaria, que se establece entre el grupo  carboxilo de un aminoácido y el grupo  amino del otro, liberándose una molécula de agua y formándose un dipéptido. 3 aminoácidos pueden unirse mediante dos enlaces peptídicos y formar un tripéptido. Del mismo modo pueden unirse muchos aminoácidos formando polipéptidos y proteínas.

FORMACIÓN DEL ENLACE PEPTÍDICO.

H O H O H2O H H O

NH2 - C - C + NH2 - C - C ! NH2 - C - CO - NH - C - C

R OH R H R H2O R H

El enlace peptídico posee unas características que determinan la estructura de las proteínas que se forman. Los átomos que forman el enlace C-N se sitúan en el mismo plano, debido a la estabilización por resonancia que se produce, lo que confiere un carácter parcial de doble enlace, cuya rigidez no permite movimientos de rotación entre estos átomos. Se dice entonces que presentan un efecto de Mesomería, debido a la deslocalización del doble enlace, ya que el N2 es también al igual que el O2, muy electronegativo y se puede llevar un doble enlace del O2. En este caso, los electrones del enlace se mueven dentro de la molécula, dando lugar a 2 formas mesómeras. Se produce mesomería debido a esta deslocalización del doble enlace. Los enlaces que unen los otros átomos de carbono pertenecen a las cadenas laterales y si que pueden girar.

ESQUEMA DE LA MESOMERÍA DEL ENLACE PEPTÍDICO.

O O

C N ! C = N

H H

2.1.2. DISTINGUIR LOS NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS.

En la estructura tridimensional se pueden describir 4 niveles distintos de complejidad creciente, cada uno de los cuales se puede considerar a partir del anterior y son:

Estructura primaria: es la disposición lineal de los aminoácidos que se unen mediante enlace peptídico. De esta forma se obtienen cadenas lineales de aminoácidos enlazados, que reciben el nombre de péptidos. En su nomenclatura se añade a su denominación el prefijo di-, tri-, tetra-, poli-, etc, según sean 2, 3, 4, o n respectivamente.

ESQUEMA DE LA ESTRUCTURA PRIMARIA DE UNA PROTEÍNA.

H R H R

H2N - C - CO - NH - C - CO - NH - C - CO - NH - C ...

R H R H

2. Estructura secundaria: a medida que se sintetizan en los ribosomas, las cadenas polipeptídicas se pliegan hasta adoptar espontáneamente la configuración espacial más estable. Existen dos tipos de configuraciones espaciales:

A)  Hélice: la sucesión de aminoácidos que definen la estructura primaria se enrolla sobre si misma, originando una hélice apretada que se estabiliza exclusivamente por los numerosos puentes de hidrógeno formados por los grupos CO-NH de 2 enlaces peptídicos. Como en esta disposición no participan las cadenas laterales, secuencias diferentes de aminoácidos, pueden adoptar esta misma disposición espacial. La hélice da una vuelta, consistente en que los planos delimitados por los enlaces peptídicos giran alrededor de los carbones , por cada 3´6 aminoácidos y los puentes de H2 se establecen entre los aminoácidos situados cada cuarta posición.

ESTRUCTURA SECUNDARIA  HÉLICE DE UNA CADENA PEPTÍDICA.

B)  Laminar: La cadena peptídica queda extendida y se pliega sucesivamente sobre si misma hacia delante y hacia atrás de manera que diferentes tramos de la cadena, bien aquellos que discurren en el mismo sentido (paralelos) o bien aquellos que lo hacen en sentido contrario (antiparalelo), quedan enfrentados unos con otros, y se unen mediante puentes de hidrógeno, que también se establecen entre los grupos NH y CO de los enlaces peptídicos. El resultado es que las diferentes regiones de la cadena se asocian para formar láminas plegadas en zigzag, como se observó por primera vez en la proteína que se encuentra en la seda llamada fibroína.

ESTRUCTURA SECUNDARIA  LAMINAR DE UNA CADENA PEPTÍDICA.

Paralela. Antiparalela.

Estructura terciaria: es la configuración espacial definitiva que adoptan las diferentes regiones de la cadena polipeptídica (cada una con su correspondiente estructura secundaria - hélice y - laminar), como consecuencia de las interacciones establecidas entre diferentes puntos de la cadena. El resultado es que la estructura secundaria se pliega sucesivamente, como en un ovillo, hasta formar una proteína globular.

En una proteína globular puede existir una mayor o menor proporción de hélice  o láminas , pero siempre se produce una distribución tal, que el núcleo interno aparece constituido por secuencias de configuración - laminar y la superficie recubierta de segmentos con configuración - hélice. Como las proteínas se encuentran generalmente en el medio acuoso de la célula, de naturaleza polar, la cadena peptídica tiende a plegarse de manera que los aminoácidos que posean cadenas hidrófobas se dispongan en el interior de la estructura, mientras que los que posean restos polares se localizan en la superficie: sin embargo, en las proteínas de las membranas biológicas ocurre lo contrario, pues al encontrarse inmersa en un ambiente lipídico y apolar, dispone los aminoácidos con cadenas hidrófobas en la superficie.

Para comprender mejor el significado de la estructura de las proteínas y su relación con la función que desempeña se ha establecido recientemente otro nivel más de organización que se conoce como dominio de la proteína.

Los dominios están formados por determinadas combinaciones de hélice y láminas que resultan particularmente estables, hasta el punto que aparecen los mismos dominios en proteínas diferentes. Esto puede explicarse desde el punto de vista evolutivo, considerando que cierta secuencia de aminoácidos fue tan útil para las estructuras y funciones que desempeñan, que han tendido a repetirse una y otra vez como clichés estructurales en diferentes proteínas, es decir, cuando determinado dominio ha probado su eficacia, parece que se utiliza repetidamente (probablemente desempeña funciones similares en muchas de ellas).

Un ejemplo lo tenemos en las enzimas que usan como coenzimas determinados nucleótidos, como el NAD+, el NADP+, el FAD+, el ANP+, etc, todos ellos con estructura y función diferentes, presentan en su superficie el mismo dominio que constituye el área de unión de los nucleótidos a los enzimas y se denomina plegamiento de mononucleótido.

ESTRUCTURA TERCIARIA DE UNA PROTEÍNA GLOBULADA (mioglobina).

4. Estructura cuaternaria; se manifiestan en las proteínas (fibrosa o globulosa) formadas por la asociación de varias cadenas peptídicas. Proteínas globulares que presentan estructura cuaternaria están compuestas por la asociación de dos o más cadenas con estructura terciaria.

Estas subunidades proteicas o protómeros, que constituyen la estructura cuaternaria, se pueden autoensamblar en el interior de la célula para formar estructuras mayores, como dímeros (citocromo c), tetrámeros (hemoglobina) etc.

La estructura cuaternaria de las proteínas (o la terciaria en aquellas que solo presentan estructura terciaria), es responsable de su actividad biológica. La estructura cuaternaria depende de la terciaria, esta de la secundaria que a su vez depende de la primaria, es decir de la secuencia de aminoácidos que componen cada una de las cadenas polipeptídicas.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS.

Estruct.2aria. Estruct. 3aria Estruct. 4aria.

2.1.3. RECONOCER ALGUNAS PROPIEDADES ESENCIALES DE LAS PROTEÍNAS.

Solubilidad: las proteínas son macromoléculas solubles en medios acuosos cuando adoptan la conformación globular; dicha solubilidad se basa en la interacción de las cargas eléctricas, positivas y negativas, distribuidas en la superficie de la proteína con las moléculas de agua (dipolos) de su entorno, que da lugar a la llamada capa de solvatación (moléculas de agua rodeando a un ión).

Si añadimos sales, por ejemplo sulfato amónico, a una disolución de proteínas en agua, llega un momento en el que la concentración de iones amonio (NH4+) y SO42- es tan elevada que se produce una competencia con las cargas eléctricas de las proteínas. El resultado es la pérdida por parte de las proteínas de su capa de solvatación, porque las moléculas de agua forman estas capas alrededor de los iones; es como si los iones robasen el agua de conformación que rodea a las proteínas, que ven reducida así su solubilidad y precipita.

Especificidad: las propiedades físicas y químicas de una molécula de proteína dependen casi por completo de los grupos funcionales contenidos en las cadenas laterales de los aminoácidos que quedan expuestos en su superficie, es decir, del plegamiento de la cadena o cadenas peptídicas y de la configuración geométrica que adopten en el medio acuoso.

Estos grupos definen una superficie activa, pues son capaces de interaccionar con otras moléculas mediante enlaces débiles no covalentes, y pertenecen a una pequeña fracción de aminoácidos distribuidos por la superficie de la proteína, el resto de la cadena peptídica sólo es necesaria para mantener la forma y rigidez precisa de la proteína, con el fin de que las superficies activas se encuentren en la posición correcta.

El funcionamiento de la mayoría de las proteínas se basa en la unión selectiva con diferentes moléculas, pues la única molécula que puede unirse fuertemente con una proteína es aquella cuya geometría complementaria le permite adaptarse exactamente a la superficie activa. Esta especificidad se basa en el plegamiento particular de cada proteína que, en último término, depende de la secuencia de aminoácidos.

Por tanto, cualquier cambio en la secuencia de aminoácidos de una proteína puede ocasionar una modificación de las estructuras secundarias, terciarias y cuaternaria (si la tiene) que provoca la alteración de la geometría de la superficie activa y, en consecuencia, la disminución o pérdida de su funcionalidad biológica. Un ejemplo de esto lo constituye la anemia falciforme.

Desnaturalización: la desnaturalización de las proteínas consiste en la pérdida de su configuración espacial característica y como consecuencia de ello, es la anulación de su función biológica, cuando se someten a condiciones ambientales desfavorables; por ejemplo, el calor excesivo, la acción de sustancias que varían el Ph, la presencia de determinados iones o la intervención de agentes físicos (electricidad, presión etc.) pueden provocar la ruptura de puentes de hidrógeno, puentes disulfuro o el resto de interacciones débiles, menos consistente que los enlaces peptídicos, que mantienen las configuraciones secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas.

Cuando se rompen los enlaces débiles y se deshacen las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria, las proteínas se transforman en filamentos lineales y delgados que se entrelazan unos con otros hasta formar compuestos fibrosos e insolubles en agua.

Si las condiciones ambientales que provocan la desnaturalización duran poco tiempo o son poco intensas, esta es temporal y reversible: cuando cesan las condiciones desfavorables, la proteína se pliega de nuevo y adopta su configuración original; lo que demuestra que la forma de una proteína no es más que la conformación más probable y más estable y que solo depende de la secuencia de sus aminoácidos y del medio en el que se encuentran.

Pero si los cambios ambientales son intensos y persistentes, los filamentos protéicos son incapaces de recuperar su forma original y permanecen de modo irreversible en el estado fibroso, insoluble en agua y sin actividad biológica. Un ejemplo de desnaturalización irreversible es la coagulación de la albúmina del huevo por cocción, que pasa de tener estructura globular y soluble en agua a adoptar forma fibrosa e insoluble.

TEMA 2.2. LAS ENZIMAS.

2.2.1. EXPLICAR EL CONCEPTO DE ENZIMA COMO BIOCATALIZADOR. DEFINIR ENERGÍA DE ACTIVACIÓN.

I. CONCEPTO DE ENZIMA.

En los seres vivos se producen continuamente infinidad de reacciones químicas. Para que éstas se realicen con normalidad es necesario que ocurran de forma ordenada y rápida. Enzimas, vitaminas y hormonas, junto con los oligoelementos son los catalizadores de las reacciones químicas que tienen lugar en las células de los seres vivos.

Los catalizadores son sustancias que, sin consumirse en el proceso, intervienen en las reacciones químicas aumentando la velocidad de reacción. Las enzimas son proteínas especializadas, muy específicas y de elevado poder catalítico; esto quiere decir, que permiten que reacciones que tienen lugar a velocidades muy bajas se realicen a mayor velocidad a las temperaturas que le son propias a los seres vivos. Actúan permitiendo a las sustancias que han de reaccionar que se encuentren sobre la superficie o debilitando los enlaces de algún compuesto, uniéndose a él y facilitando así su ruptura.

Las enzimas con proteínas globulares, solubles en agua y que se difunden con facilidad en los líquidos orgánicos, catalizando miles de reacciones químicas.

Atendiendo a los elementos que las forman, podemos distinguir:

• Enzimas formadas exclusivamente por proteínas, ya sean de una o más cadenas polipeptídicas.

• Holoenzimas: enzimas que se componen de una parte proteica denominada apoenzima y una parte no proteica denominada cofactor. El cofactor puede ser un elemento metálico como Fe, Mg... cuando el cofactor es una molécula orgánica que se halla unida por enlaces covalentes a la parte proteica de la enzima se le denomina grupo prostético. Si la molécula orgánica se halla unida a la apoenzima por interacciones no covalentes (débiles) reciben el nombre de coenzimas.

Generalmente las enzimas se denominan con el nombre del sustrato sobre el que actúan, al que a veces se añade el nombre de la función que desempeña seguido del sufijo -asa. Por ejemplo: sacarasa, que hidroliza la sacarosa, o la amilasa que hidroliza el almidón o el lactato de deshidrogenasa, que cataliza la oxidación del ácido láctico.

Las enzimas pueden actuar:

Con especificidad baja; actúan sobre un determinado enlace

Con especificidad media; actúan sobre determinadas moléculas (haxosas).

Con especificidad alta o de sustrato; actúan sobre un sustrato determinado, por ejemplo la ureasa, que actúa sobre la aurea.

Con estereoespecificidad; actúan sobre un estereoisómero - D o - L.

Con proquilaridad; algunas enzimas tienen la capacidad de hacer que un compuesto que no tiene carbono asimétrico pase a tenerlo al añadirle una molécula en un determinado lugar. EJEMPLO:

Con capacidad de corrección y edición; éste es el caso de DNA- polimerasa, que forma la cadena de DNA cogiendo nucleótido tras nucleótido; luego es capaz de corregir la base equivocada y sustituirla por la base correspondiente.

Con capacidad de regulación: las enzimas pueden estar sometidas a múltiples mecanismos de regulación. Ejemplo, la glucógeno fosforilasa, esta encima esta regulada por la concentraión de calcio en el músculo. Si aumenta la concentración de calcio se produce la reacción para obtener glucosa. Si disminuye se obtiene la reacción contraria.

II. CONCEPTO DE ENERGÍA DE ACTIVACIÓN

Las reacciones químicas se pueden describir como superficies energéticas, en la que las moléculas de los sustratos y de los productos se encuentran alojados en el fondo de profundos pozos. Para que una molécula de sustrato se transforme en un producto, sus átomos deben trasladarse a través de las superficies energéticas, desde un pozo a otro: en primer lugar, los átomos de la molécula del sustrato deben abandonar su pozo y alcanzar una cresta, para lo cual necesitan ganar energía, que luego han de ceder cuando vuelven a caer en otro pozo estable, (el del producto).

El punto más elevado de esta trayectoria no es más que un instante efímero del viaje que conduce desde el sustrato hasta el producto, y corresponde al estado de transición o estado activado (Es), un estado indispensable y altamente energético en el que los enlaces de la molécula del sustrato en parte se mantienen y en parte estan rotos.

DIAGRAMA DE ENERGÍA PARA UNA REACCIÓN QUÍMICA.

G - variación de energía libre.

Ea - energía de activación.

S - sustrato.

P - producto.

T - tiempo.

La energía que necesita adquirir la molécula de sustrato para alcanzar el estado de transición constituye la Energía de activación de la reacción y supone una barrera energética que deben superar todas las moléculas de los sustratos para que transcurra la reacción y se transformen en productos. Cuanto más alta sea la energía de activación, mayor será la barrera que han de superar las moléculas de los sustratos, y más difícil será alcanzar el estado de transición; por lo que la velocidad de la reacción sustrato-producto será más lenta.

Existen dos mecanismos para aumentar la cantidad de moléculas que alcanzan el estado activado:

1. Aumento de la temperatura: porque por cada 10ºc que aumente se duplica el nº de moléculas que alcanzan el estado activado.

2. Disminuyendo la E. de activación: las enzimas y en general todos los catalizadores aceleran las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación, es decir, modifican la topografía de la superficie energética con el fin de que la trayectoria que conduce desde el sustrato al producto discurrirá por “colinas” menos empinadas, y por ello menos energéticas y más fáciles de alcanzar.

2.2.2. EXPONER EN QUE CONSISTEN LAS REACCIONES ENZIMÁTICAS. DEFINIR LOS SIGUIENTES TÉRMINOS: ESTRATO, PRODUCTO, COENZIMA Y COFACTOR. EXPLICAR EL CONCEPTO DE VITAMINA Y DESTACAR SU IMPORTANCIA COMO PRECURSORES DE LAS COENZIMAS.

I. MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA.

La acción enzimática es el conjunto de transformaciones que realiza una enzima en una reacción química para poder catalizarla, es decir, acelerar el paso del sustrato a producto al disminuir la energía de activación.

El esquema de acción de una enzima es el siguiente:

E + S ! ES ! EP ! E + P.

En este tipo de reacciones la enzima específica se une a un sustrato (ya que posee una zona activa llamada Centro Catalítico, que se adapta perfectamente al sustrato), forma un compuesto enzima - sustrato, transforma el sustrato en producto, estando todavía unido a él y para finalizar se separa el producto y la enzima, quedando ésta última libre y sin alteraciones para volver a catalizar una nueva reacción.

Las variaciones producidas en la energía de activación de una reacción catalizada enzimáticamente y otra sin catalizar se puede ver en el siguiente diagrama de un modelo simplificado:

Ea1: Energía de activación de una reacción directa (sin catalizar).

Ea2: Energía de activación de una reacción catalizada.

Durante el transcurso de una reacción enzimática se forman distintos complejos en estado activado, que se puede esquematizar en el siguiente diagrama:

(E...S)*, (ES...EP)*, (E...P)*: son compuestos en estado de activación en los que se están formando los enlaces y son inestables.

(ES) y (EP): son compuestos estables en los que ya se han formado los enlaces.

II. DEFINIR LO SIGUIENTES CONCEPTOS

• Sustrato: es el elemento que va a reaccionar y se va a transformar en la reacción.

• Producto: es el elemento que se obtiene tras la transformación del sustrato.

• Coenzima: en una holoenzima es la parte no proteica orgánica que se une a la apoenzima por un enlace débil. Un ejemplo de coenzima son las vitaminas.

• Cofactor: en una holoenzima es la parte no protéica inorgánica que se une al apoenzima por un enlace débil.

Algunos enzimas carecen en su centro activo de los grupos funcionales para la actividad que deben realizar, por lo que a menudo utilizan la ayuda de estas moléculas no protéicas, que fijados en su superficie mediante enlaces covalentes o débiles, aportan los grupos y funciones químicas de los que carece la enzima. Muchos coencimas son vitaminas del complejo B, también los grupos hemo, que contiene hierro, cumplen esta misma función en la hemoglobina, mioglobina, y citocromos. Respecto a los cofactores, es posible que en virtud de sus propiedades físicas, establezcan enlaces entre diferentes regiones de la cadena polipeptídica y ayudan a moldear la forma requerida para que se produzca la adaptación perfecta entre la molécula del sustrato y el centro activo de la enzima.

III. CONCEPTO DE VITAMINA Y SU IMPORTANCIA COMO PRECURSORES DE LAS COENZIMAS.

Las vitaminas son sustancias orgánicas de naturaleza y composición diferentes y se caracterizan por ser indispensables para el normal funcionamiento del metabolismo, pero que resultan imposibles de sintetizar por los organismos, que deben, por tanto ser ingeridos en la dieta.

Se clasifican atendiendo a su solubilidad en:

• Vitaminas liposolubles; son insolubles en agua. Nunca actúan de coenzimas. Destacan la vitamina A, D, E y K.

• Vitaminas hidrosolubles; son solubles en agua. En general desempeñan funciones de coenzima. Destacan la vitamina C o ácido ascórbico y las vitaminas del complejo B: B1 (Tiamina), B2 (Riboflamina), B3 (ác. Pantoténico), B5 (niacina), B6 (piridoxina), Biotina, ác. Fólico y Covalamina.

Por ejemplo:

• B1 o tiamina: en su forma activada es la TPP (pirofosfato de tiamina) que es una coenzima de enzimas descarboxilasas y de enzimas que transfieren grupos aldehídos.

• B2 o riboflamina: es un componente de las coenzimas FAD y FMN que participan en las reacciones de óxidoreducción en la respiración celular.

• B5 o niacina: precursor de las coenzimas NAD y NADP que intervienen en las óxidoreducciones, encaminadas a producir energía a partir de carburantes metabólicos y en la fotosíntesis.

2.2.3. COMPRENDER DE FORMA GENERAL EL MECANISMO DE ACCIÓN ENCIMÁTICA. DEFINIR CENTRO ACTIVO Y COMPLEJO ENCIMA-SUSTRATO. EXPLICAR LOS FENÓMENOS DE AFINIDAD Y SATURACIÓN.

I. MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA.

La acción enzimática es el conjunto de transformaciones que realiza una enzima en una reacción química para poder catalizarla, es decir, acelerar el paso del sustrato a producto al disminuir la energía de activación.

El esquema de acción de una enzima es el siguiente:

E + S ! ES ! EP ! E + P.

En este tipo de reacciones la enzima específica se une a un sustrato (ya que posee una zona activa llamada Centro Catalítico, que se adapta perfectamente al sustrato), forma un compuesto enzima - sustrato, transforma el sustrato en producto, estando todavía unido a él y para finalizar se separa el producto y la enzima, quedando ésta última libre y sin alteraciones para volver a catalizar una nueva reacción.

Las variaciones producidas en la energía de activación de una reacción catalizada enzimáticamente y otra sin catalizar se puede ver en el siguiente diagrama de un modelo simplificado:

Ea1: Energía de activación de una reacción directa (sin catalizar).

Ea2: Energía de activación de una reacción catalizada.

Durante el transcurso de una reacción enzimática se forman distintos complejos en estado activado, que se puede esquematizar en el siguiente diagrama:

a)(E...S)*, (ES...EP)*, (E...P)*: son compuestos en estado de activación en los que se están formando los enlaces y son inestables.

b) (ES) y (EP): son compuestos estables en los que ya se han formado los enlaces.

II.DEFINICIONES.

A. Centro activo: el centro activo de un encima suele estar formado por un residuo de aminoácido, extraordinariamente activo. En algunos casos, la unión del encima a su sustrato es la que activa algún aminoácido, paso necesario para que se produzca la acción encimática. Muchas veces, este aminoácido activado forma un enlace covalente transitorio con el sustrato, lo que facilita la mencionada acción.

El centro activo se une al sustrato contribuyendo con sus cadenas laterales o grupos catalíticos a la formación o ruptura de enlaces. Generalmente el centro activo constituye una pequeña parte de la molécula de la encima. Posee una estructura tridimensional en forma de hueco, donde actúan las cadenas laterales de los aminoácidos con poder catalítico. Estas además pueden pertenecer a aminoácidos que estan muy separados en la secuencia que forma la estructura primaria. Por ejemplo en una encima formada por 100 restos de aminoácidos, los que poseen poder catalítico pueden ocupar las posiciones 5, 23, 56, 57 y 98, situándose en el centro activo gracias al plegamiento de la cadena polipeptídica.

B. Complejo encima-sustrato: es la unión que se produce entre determinados biocatalizadores, que es la encima, y al sustrato que pertenece a la reacción que cataliza. La formación del complejo enzima-sustrato se produce gracias a que en la configuración espacial de la enzima intervienen distintos grupos de aminoácidos que desempeñan funciones diversas:

• Ciertos aminoácidos que podemos denominar catalíticos, constituyen el lugar de unión o centro activo de la encima. Es donde se produce la actividad de la misma.

• Los aminoácidos de unión facilitan la formación del comlpejo encima-sustrato. Otros aminoácidos suministran lugares de unión adicionales para otros ligandos.

• Otros aminoácidos son necesarios para mantener la estructura tridimensional de la enzima.

La superficie de la molécula encimática posee una alta reactividad química, debido a las características de las cadenas laterales de aminoácidos y a la orientación que éstas poseen.

REPRESENTACIÓN DE LA ESTRUCT. MOLECULAR DE UNA ENZIMA CUANDO ACTÚA SOBRE UN SUSTRATO ESPECÍFICO.

Si la reactividad de estas cadenas laterales es insuficiente para cumplir su función, las enzimas pueden fijar a su superficie otras moléculas no polipeptídicas, que le sirven de ayuda. Estos ligandos, que pueden ser tan sencillos como un simple catión metálico (cofactor), o tan complejos como el grupo hemo de la hemoglobina, y han sido seleccionados en función de la reactividad que confiere a la enzima sobre la que se une.

La fijación con el sustrato constituye la 1ª fase del proceso catalítico de la enzima. Después de la fijación se consiguen elevadas velocidades en las reacciones químicas, lo que se puede explicar:

Por la correcta posición en la que la enzima coloca al sustrato para las reacciones químicas.

Por el aumento en la concentración de las moléculas de sustrato en el centro activo.

Por la inducción de cambios energéticos que favorecen la ación catalítica: las moléculas del sustrato pasan por una serie de estados de transición donde la distribución electrónica está alterada. Las enzimas ayudan a los sustratos a alcanzar un estado de transición concreto, que acelera determinada reacción.

III. AFINIDAD Y SATURACIÓN.

Afinidad: la afinidad que tiene una enzima por un sustrato viene determinado por su especificidad hacia ese sustrato. Así, cuanto más específica es una enzima para un sustrato, mayor es su afinidad por él.

Cuando se mantiene cte la concentración de una enzima, se observa que el incremento en la velocidad de reacción es proporcional al incremento en la concentración del sustrato. Este proceso se mantiene hasta que en cierto momento los incrementos en las concentraciones de sustrato no provocan un incremento significativo de la velocidad.

Este fenómeno llevó a Michaelis - Menten a formular una teoría general de acción enzimática.

Vm . [ S ]

V =

Km + [ S ]

En dicha ecuación V es la velocidad de reacción enzimática; Vm es la velocidad máxima de reacción, es decir, la velocidad a la cual la enzima está trabajando a su máximo rendimiento; [ S ] es la concentración de sustrato y Km es la cte de Michaelis - Menten, que representa la concentración del sustrato a la que una enzima alcanza la mitad de la velocidad máxima.

Km proporciona una idea de la afinidad de la enzima por el sustrato; a menor Km, mayor afinidad.

REPRESENTACIÓN DEL EFECTO DE LA [ S ] SOBRE LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN.

El valor de Km permite:

Determinar la enzima idónea de una reacción.

Km A < Km B

Ez A > afinidad.

Determinar el sustrato idóneo de una enzima, porque la Km es específica para cada reacción.

Conocer cual es la concentración habitual de sustrato en el medio, porque normalmente la concentración de sustrato coincide con Km

Cuanto menor sea Km, mayor será la afinidad de la enzima por el sustrato, porque se llega antes a la velocidad máxima.

Saturación: la saturación es el punto en el cual la enzima está trabajando a su máximo rendimiento, y aunque aumenta la concentración de sustrato en el medio, no provoca un incremento en la velocidad de la enzima.

El concepto de saturación está directamente relacionado con la velocidad máxima, ya que este parámetro es la velocidad a la cual trabaja la enzima cuando está saturada.

2.2.4. RECONOCER LA EXISTENCIA DE MECANISMOS DE REGULACIÓN ENZIMÁTICA. COMENTAR LOS EFECTOS DEL PH Y TEMPERATURA SOBRE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA. DEFINIR PH Y TEMPERATURA ÓPTIMA. EXPONER BREVEMENTE LOS CONCEPTOS DE ACTIVACIÓN E INHIBICIÓN COMO MECANISMOS DE MODULACIÓN ENCIMÁTICA.

MECANISMOS DE REGULACIÓN ENCIMÁTICA.

La regulación encimática es el conjunto de mecanismos que regulan y coordinan la acción catalítica de las enzimas. Estos mecanismos son muy necesarios porque aunque los enzimas son necesarios para el desarrollo de los mecanismos, también pueden ser perjudiciales e incluso letales si su acción no se produce en un momento y en un lugar adecuado. Como mecanismos de regulación hay diferentes tipos, pero estos se pueden agrupar en dos grupos atendiendo a la cinética de la enzima:

a) Cinética Micaeliana: Las enzimas que siguen esta cinética están reguladas por la unión de moléculas que favorecen o perjudican la catálisis enzimática (activadores e inhibidores). En el proceso de regulación la enzima no varía su estructura.

b) Cinética sigmoidal: a ella corresponden las enzimas alostéricas. Este tipo de enzima presenta curvas sigmoideas en lugar de las clásicas hipérbolas, al representar concentraciones de sustrato frente a V. El alosterismo consiste en la existencia de uno o más centros reguladores, distintos del lugar de unión del sustrato. Las enzimas alostéricas son oligoméricas y presentan distintos lugares de regulación. La unión de un ligando a la proteína provoca un cambio conformacional de la enzima que va a alterar su actividad biológica.

INFLUENCIA DEL PH Y TEMPERATURA SOBRE LA ACTIVIDAD ENCIMÁTICA. PH Y TEMPERATURA ÓPTIMA.

Influencia del pH: el pH del medio es el responsable de que los grupos funcionales de las enzimas puedan estar cargadas positiva o negativamente o posean carga neutra. Estas variaciones de pH pueden ocasionar un cambio en la estructura tridimensional de las enzimas, que puede afectar a su actividad.

Existe un pH óptimo en el que la [H+] es idónea para que se produzca la actividad catalítica. Tb. existe una banda, que oscila entre un valor de pH mínimo y otro máximo, donde la enzima puede actuar. Para valores situados fuera de esta zona no existe actividad enzimática, dado que las cadenas polipeptídicas se pueden desnaturalizar.

Por tanto podemos decir que el pH óptimo es el pH en el cual la enzima presenta su actividad máxima y es diferente para cada tipo de enzima. ACTIVIDAD DE UNA ENZIMA FRENTE AL pH.

ACTIVIDAD DE DIVERSAS ENZIMAS EN FUNCIÓN DEL pH.

Influencia de la temperatura: las reacciones catalizadas siguen, por regla general, la Ley de Vant´ Hoff, que establece que cada 10ºC de aumento de temperatura se produce un aumento en la velocidad de reacción de 2 a 4 veces. Por tanto la temperatura ejerce un efecto:

• Sobre la actividad enzimática; si aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de reacción, pero este aumento no se produce en animales homeotermos.

• Sobre la estabilidad: las enzimas, debido a su naturaleza proteica son termolábiles, siendo afectadas por las variaciones de temperatura e inactivandose al desnaturalizarse.

Cada enzima posee una temperatura óptima, que es la temperatura a la cual la enzima se encuentra en su máximo de estabilidad u actividad.

La temperatura óptima en las enzimas humanas suele estar alrededor de los 37ºC.

ACTIVIDAD DE UNA ENZIMA EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA.

ACTIVACIÓN E INHIBICIÓN COMO MECANISMOS DE MODULACIÓN ENZIMÁTICA.

A. ACTIVACIÓN: la activación de una enzima se produce para que ésta aumente su velocidad de reacción. Esto se consigue en muchas ocasiones mediante la unión de ligandos activadores al dominio efector, pero hay otras estrategias a nivel celular como:

1. Efecto cascada: algunas reacciones, como la coagulación de la sangre, que permite contrarestar las hemorragias, deben transcurrir rápidamente a partir del momento en que se desencadena el estímulo inicial, que en este caso, son determinados componentes liberados por los tejidos lesionados en pequeña concentración. Este proceso incrementa su velocidad extraordinariamente mediante el efecto cascada, consiste en una secuencia de reacciones en la que cada encima cataliza la transformación de una proenzima inactiva (sustrato) en su correspondiente zona activada (producto) que a su vez cataliza la transformación de otro proenzima inactivo en su encima activa, y así sucesivamente hasta que el último encima transforma un sustrato (fibroína).

El efecto cascada de encimas es, por consiguiente, un sistema que permite amplificar la respuesta final, pues un pequeño número de moléculas estimulantes consigue activar un gran número de moléculas al final de la serie.

EFECTO CASCADA: cada encima activo activa a su vez 10 moléculas de otra encima en el siguiente paso, 100 moléculas activadas.

Cada enzima activo, activa a su vez 10 moléculas de otra enzima, en el siguiente paso habrá 100 moléculas.

2. Compartimentación celular: numerosas reacciones transcurren en el interior de orgánulos y vesículas delimitadas por membranas, donde se produce una mayor concentración de molécula de sustrato y encimas.

3. Complejos multienzimáticos: en algunos casos las encimas responsables de una secuencia de reacciones de un proceso metabólico se agrupan y forman un complejo multienzimático, que evita de este modo las pérdidas de velocidad por dilución, ya que los productos resultantes de una reacción catalizada por un encima son los sustratos del encima siguiente, que se encuentra así en su proximidad. Un ejemplo lo constituye el complejo ácido graso sintetasa, constituido por el conjunto de encimas implicadas en la síntesis de ácidos grasos.

4. Zimógenos: son encimas que se sintetizan de forma inactiva, y que posteriormente se transforman en forma activa, por acción de otros encimas o iones. El proceso es irreversible.

5. Encimas interconvertibles: son encimas que pueden encontrarse en activas o inactivas pero reversiblemente. Normalmente sufren proceso de compartimentación celular y de efecto cascada. Esquema:

B. INHIBICIÓN: La inhibición de la actividad enzimática por acción de iones o moléculas es importante, ya que constituye el mecanismo de control en reacciones metabólicas que tienen en lugar los seres vivos. Este proceso puede ser reversible o irreversible:

Inhibición irreversible: En este tipo de inhibición la encima se une covalentemente al inhibidor, de forma temporal o permanente, presentando una disociación muy lenta. Este tipo de inhibición se conoce como envenenamiento de la encima. Algunos compuestos organofosforados, que se utilizan como insecticidas, inactivan la enzima.

En este caso, la unión se realiza con un residuo de un aminoácido esencial en su centro activo, formando un compuesto covalente estable. El bloqueo de esas enzimas provoca graves alteraciones del sistema nervioso. El ion CN- bloquea una importantísima enzima respiratoria, la citocromo oxidasa.

2. Inhibición reversible: en este tipo de inhibición se produce un rápido equilibrio entre la enzima y la sustancia inhibidora. La inhibición reversible puede ser de 3 tipos:

Competitiva; el inhibidor se asemeja al sustrato y se une al centro activo de la enzima. Por tanto el inhibidor compite con el sustrato. Esquema de la actuación de un inhibidor competitivo frente al sustrato y al enzima.

Los inhibidores competitivos varían la Km de la enzima, cuanto más inhibidor haya, se necesita más [S] para alcanzar la velocidad máxima (Vm), que no es alterada.

No competitiva; en este tipo de inhibición el inhibidor puede unirse a la enzima en un lugar distinto al centro activo, provocando esta unión, un descenso en la velocidad de recambio del complejo enzima-sustrato. Esquema de actuación del inhibidor no competitivo.

Los inhibidores no competitivos no alteran la Km, pero sí la Vm. La afinidad es la misma, pero la Vm se va haciendo más pequeña a medida que aumenta [ I ].

Acompetitiva; el inhibidor no se puede unir a la enzima, sólo al complejo enzima-sustrato. Una vez unido los 3, no se produce la reacción. Esquema.

Como el inhibidor sólo se une al complejo enzima-sustrato, el que éste se forme beneficia la unión del inhibidor. Esto se traduce en que en presencia de una mayor [ I ], la Km se va haciendo cada vez menor. A su vez el inhibidor produce un descenso de la Vm.

Algunas enzimas pueden actuar en cadenas secuenciales, denominadas complejos multienzimáticos, donde la 1ª enzima que cataliza la 1ª reacción suele ser una enzima alostérica. Esta reacción en cadena está regulada por feed back. Por ejemplo, la treonina se convierte en isoleucina en 5 etapas, la primera de ellas catalizada por la treonina desaminasa. Cuando la concentración de isoleucina es muy elevada, se une a un centro regulador de la enzima distinto de su centro activo, lo que provoca su inactivación. Cuando la concentración de isoleucina disminuye, la enzima recupera su actividad.