BIOMOLECULAS PROTEÍNAS, ENZIMAS Y ÁCIDOS NUCLEICOS
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BIOMOLECULAS PROTEÍNAS, ENZIMAS Y ÁCIDOS NUCLEICOS PROTEÍNAS Las proteínas son esenciales en la química de la vida. Estas macromoléculas se emplean como componentes estructurales de las células y tejidos, así que el crecimiento, la restauración y el mantenimiento del organismo dependen del abastecimiento adecuado de esas sustancias. Algunas son enzimas, moléculas especiales que regulan miles de reacciones químicas distintas que ocurren en los seres vivos. Los elementos proteínicos constitutivos de cada célula son la clave de su estilo de vida. Cada tipo celular posee una distribución, cantidad y especie de proteínas que determina el funcionamiento y la apariencia de la célula. Una célula muscular difiere de otras en virtud de su gran contenido de proteínas contráctiles, como la miosina y la actina, a las que se debe, en gran parte su apariencia y su capacidad de contracción. La proteína llamada hemoglobina, que se encuentra en los glóbulos rojos o eritrocitos, se ocupa de la especializada función de transportar oxígeno. La mayor parte de las proteínas son específicas de cada especie; es decir, las proteínas varían un poco de una especie a otra, de manera que el complemento de cada una de ellas (determinado por las instrucciones de los genes) es el principal factor de las diferencias que median entre una especie y otra. Así, las proteínas en las células de un perro varían un poco con respecto a las de un zorro o a las de un coyote. Se cree que el grado de diferencia depende de las relaciones evolutivas. Los organismos vagamente relacionados tienen proteínas que difieren en forma más marcada, que las de aquellos entre los cuales se establece una relación evolutiva más estrecha. Algunas proteínas apenas son diferentes aún entre individuos de una misma especie, por lo que se considera que cada organismo es único, desde el punto de vista bioquímico. Sólo individuos genéticamente idénticos (gemelos idénticos o cepas de organismos cultivados en relación muy estrecha) presentan proteínas idénticas. Funciones biológicas de las proteínas Gracias a su gran hetereogeneidad estructural, las proteínas asumen funciones muy variadas. Describir las funciones de las proteínas equivale a describir en términos moleculares todos los fenómenos biológicos. Podemos destacar las siguientes: · Función enzimática. La gran mayoría de las reacciones metabólicas tienen lugar gracias a la presencia de un catalizador de naturaleza proteica específico para cada reacción. Estos biocatalizadores reciben el nombre de enzimas. La gran mayoría de las proteínas son enzimas. · Función hormonal. Las hormonas son sustancias producidas por una célula y que una vez secretadas ejercen su acción sobre otras células dotadas de un receptor adecuado. Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la hipófisis como la hormona del crecimiento, o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio). · Reconocimiento de señales químicas. La superficie celular alberga un gran número de proteínas encargadas del reconocimiento de señales químicas de muy diverso tipo (figura de la izquierda). Existen receptores hormonales, de neurotransmisores, de anticuerpos, de virus, de bacterias, etc. En muchos casos, los ligandos que reconoce el receptor ( hormonas y neurotransmisores) son, a su vez, de naturaleza proteica. · Función de transporte. En los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte, bien para llevar una molécula hidrofóbica a través de un medio acuoso (transporte de oxígeno o lípidos a través de la sangre) o bien para transportar moléculas polares a través de barreras hidrofóbicas (transporte a través de la membrana plasmática). Los transportadores biológicos son siempre proteínas. · Función estructural. Las células poseen un citoesqueleto de naturaleza proteica que constituye un armazón alrededor del cual se organizan todos sus componentes, y que dirige fenómenos tan importantes como el transporte intracelular o la división celular. En los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colágeno forman parte importante de la matriz extracelular y son las encargadas de conferir resistencia mecánica tanto a la tracción como a la compresión · Función de defensa. La propiedad fundamental de los mecanismos de defensa es la de discriminar lo propio de lo extraño. En bacterias, una serie de proteínas llamadas endonucleasas de restricción se encargan de identificar y destruir aquellas moléculas de DNA que no identifica como propias (en color blanco en la figura de la derecha). En los vertebrados superiores, las inmunoglobulinas se encargan de reconocer moléculas u organismos extraños y se unen a ellos para facilitar su destrucción por las células del sistema inmunitario · Función de movimiento. Todas las funciones de motilidad de los seres vivos están relacionadas con las proteínas. Así , la contracción del músculo resulta de la interacción entre dos proteínas, la actina y la miosina. El movimiento de la célula mediante cilios y flagelos está relacionado con las proteínas que forman los microtúbulos · Funciones de reserva. La ovoalbúmina de la clara de huevo, la lactoalbúmina de la leche, la gliadina del grano de trigo y la hordeína de la cebada, constituyen una reserva de aminoácidos para el futuro desarrollo del embrión. · Funciones reguladoras. Muchas proteínas se unen al DNA y de esta forma controlan la transcripción génica. De esta forma el organismo se asegura de que la célula, en todo momento, tenga todas las proteínas necesarias para desempeñar normalmente sus funciones. Las distintas fases del ciclo celular son el resultado de un complejo mecanismo de regulación desempeñado por proteínas como la ciclina · Otras funciones. Los fenómenos de transducción (cambio en la naturaleza físico-química de señales) están mediados por proteínas. Así, durante el proceso de la visión, la rodopsina de la retina convierte (o mejor dicho, transduce) un fotón luminoso (una señal física) en un impulso nervioso (una señal eléctrica) y un receptor hormonal convierte una señal química (una hormona) en una serie de modificaciones en el estado funcional de la célula. Aminoácidos Es esencial tener un conocimiento básico acerca de la química de las proteínas, para entender la nutrición y otros conceptos del metabolismo. Las proteínas se componen de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y a veces, azufre. Los átomos de estos elementos suelen formar subunidades moleculares denominadas aminoácidos. Los veinte tipos distintos de aminoácidos que se encuentran en condiciones normales en las proteínas contienen un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) unidos al mismo átomo de carbono, llamado carbono alfa. Los aminoácidos difieren en su grupo R o cadena lateral unida al carbono alfa. La glicina, el aminoácido más simple presenta un hidrógeno como grupo R o cadena lateral; la alanina un grupo metilo (-CH3). Los aminoácidos puestos en una solución de pH neutro se comportan como iones dipolares. Esta es la forma en que se comportan en el pH celular. El grupo amino (-NH2) acepta un protón hasta convertirse en -NH3+ y el grupo carboxilo dona un protón convirtiéndose en -COO- disociado. Según se mencionó, la solución de un ácido y su base conjugada sirve de amortiguador y resiste cambios en el pH cuando se agrega un ácido o una base. Gracias a los grupos amino y carboxilo de una proteína, al encontrarse ésta en una solución, resiste cambios en la acidez o alcalinidad y, por lo tanto, desempeña las funciones de un importante amortiguador biológico. El carbono alfa de un aminoácido es un carbono asimétrico. Por tanto, cada aminoácido puede presentarse en dos enantiómeros distintos, o imágenes en espejo. Ambas imágenes se Ilaman L-isómero y D-isómero. Cuando se sintetiza un aminoácido en el laboratorio se produce una mezcla de isómeros L y D. Sin embargo los de los seres vivos son casi exclusivamente L-isómeros. Una excepción serían los pocos aminoácidos D presentes en los antibióticos producidos por los hongos. Los aminoácidos se agrupan en la figura según las propiedades de sus cadenas laterales. Los aminoácidos con cadenas laterales no polares son hidrófobos, en tanto que aquéllos con cadenas laterales polares son hidrófilos. Los aminoácidos ácidos tienen cadenas laterales con un grupo carboxilo. En el pH celular, el grupo carboxilo se disocia de manera que el grupo R tiene una carga negativa. Los aminoácidos básicos tienen carga positiva debido a la disociación del grupo amino en su cadena lateral. Las cadenas laterales ácidas o básicas son iónicas y por tanto, son hidrófilas. Además de los veinte aminoácidos conocidos, algunas proteínas contienen otros aminoácidos menos comunes. Estos se producen por la modificación de aquéllos, al formar parte de una proteína. Por ejemplo, la lisina y la prolina pueden convertirse en hidroxilisina e hidroxiprolina respectivamente después de incorporarse al colágeno. Estos aminoácidos dan origen a enlaces cruzados entre las cadenas peptídicas del colágeno. Dichos enlaces aportan la firmeza y la fuerza de las moléculas del colágeno, que es uno de los principales componentes del cartílago, del hueso y de otros tejidos conectivos. Con excepciones, las plantas sintetizan todos sus aminoácidos a partir de sustancias más simples. Las células humanas y animales fabrican algunos de importancia biológica, aunque no todos, si cuentan con la materia prima necesaria. Aquellos que los animales no pueden sintetizar, deben obtenerlos en la dieta: éstos son los llamados aminoácidos esenciales. Los animales tienen distintas capacidades de biosíntesis; lo que para un animal es un aminoácido esencial, para otro puede no serlo. Las cadenas de polipéptidos se forman a partir de aminoácidos Los aminoácidos se combinan por medios químicos unos con otros enlazando el carbono del grupo carboxilo de una molécula con el nitrógeno del grupo amino de otra. El enlace covalente que une dos aminoácidos se denomina enlace peptídico. Cuando dos aminoácidos se combinan, se forma un dipéptido; una cadena más larga recibe el nombre polipéptido. El elaborado proceso por medio del cual se sintetizan polipéptidos se tratará más adelante. Un polipéptido contendrá cientos de aminoácidos unidos en un orden lineal específico. Una proteína se forma por una o varias cadenas de polipéptidos. Puede formarse una variedad casi infinita de moléculas proteínicas. Debe aclararse que una proteína difiere de otra en cuanto al número, tipo y secuencia de los aminoácidos que la conforman. Los veinte tipos que se encuentran en las proteínas biológicas podrían considerarse como letras de un alfabeto de proteínas, de manera que cada proteína sería una palabra formada por distintas letras. Estructura de las proteínas: niveles de organización Las cadenas de polipéptidos que forman una proteína se encuentran enrolladas o plegadas de modo que forman una macromolécula con una conformación específica, tridimensional. Esta conformación determina la función de la proteína. Por ejemplo, la conformación única de una enzima le permite "identificar" y actuar sobre su sustrato, sustancia que dicha enzima regula. La forma de una proteína hormonal le permite combinarse con su receptor en el sitio de la célula blanco. (La célula sobre la cual la hormona está diseñada para actuar.) Las proteínas se clasifican en fibrosas o globulares. En las proteínas fibrosas, las cadenas de polipéptidos están dispuestas en láminas largas; en las proteínas globulares las cadenas de polipéptidos se encuentran plegadas en forma estrecha a fin de producir una molécula compacta, de forma esférica. La mayor parte de las enzimas son proteínas globulares. Hay varios niveles de organización en una molécula proteínica: primario, secundario, terciario y cuaternario. Estructura primaria La secuencia de aminoácidos en una cadena de polipéptidos determina su estructura primaria. Esta secuencia, se especifica por la información genética. Utilizando métodos analíticos ideados al inicio del decenio de 1950, algunos investigadores determinaron la secuencia exacta de los aminoácidos que constituyen una molécula de proteína. La insulina, hormona secretada por el páncreas, que se utiliza en el tratamiento de la diabetes, fue la primera proteína cuya secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica pudo determinarse. La insulina contiene 51 unidades de aminoácidos unidos en dos cadenas enlazadas. Estructura secundaria La estructura secundaria de las proteínas implica que las cadenas se pliegan y forman un hélice u otra estructura regular. Esta uniformidad se debe a las interacciones entre los átomos del esqueleto regular de la cadena peptídica. Los grupos funcionales no intervienen en la formación de enlaces de la estructura secundaria. Las cadenas peptidicas no suelen encontrarse aplanadas ni se pliegan al azar sino que se pliegan y dan lugar a una estructura tridimensional específica. Una estructura secundaria que se observa con frecuencia en las moléculas de proteína es la llamada hélice alfa. Esto abarca la formación de espirales de una cadena peptídica. La hélice alfa es una estructura geométrica muy uniforme y en cada giro se encuentran 3,6 aminoácidos. La estructura helicoidal se determina y mantiene mediante puentes de hidrógeno entre los aminoácidos en los giros sucesivos de la espiral. En la estructura alfahelicoidal, los puentes de hidrógeno ocurren entre átomos de una misma cadena peptídica.La hélice alfa es la unidad estructural básica de las proteínas fibrosas como la lana, cabello, piel y uñas. Las fibras son elásticas porque los enlaces de hidrógeno pueden reformarse. Este es el motivo por el cual el cabello humano puede estirarse hasta cierto largo y luego recupera su longitud. Otro tipo de estructura secundaria es el denominado lámina plegada beta. En éstas los puentes de hidrógeno pueden ocurrir entre diferentes cadenas polipeptídicas (lámina intercatenaria); cada cadena en forma de zigzag está completamente extendida y los enlaces de hidrógeno ocasionan la formación de la estructura en forma de lámina. Pero también se pueden formar láminas plegadas entre regiones diferentes de una misma cadena peptídica (lámina intracatenaria). Esta estructura es más flexible que elástica. La fibroína, la proteína de la seda, está caracterizada por una estructura de lámina plegada beta; el núcleo de muchas proteínas globulares tambien está formado por láminas beta. Las estructuras laminares intracatenarias ocurren sobre todo en proteínas globulares, en tanto que las intercatenarias entre las fibrosas. En ambos casos son posibles dos formas laminares, según el alineamiento de las diferentes cadenas o segmentos: si éstos se alinean en la misma dirección (de extremo N- a C-terminal, por ej.) la disposición es una lámina beta paralela, en tanto que si están alineados en sentido opuesto, la lámina es beta antiparalela. Si bien ambos casos ocurren en la naturaleza, la estructura antiparalela es más estable porque los dipolos C=O y N-H están mejor orientados para una interacción óptima. En las proteínas fibrosas la estructura es exclusivamente helicoidal (colágeno) o exclusivamente laminar, pero en las proteínas globulares la estructura secundaria siempre tiene una porción que no es ni helicoidal ni laminar, denominada aleatoria (zonas de conexión); estas proteínas pueden ser parcialmente helicoidales y aleatorias, parcialmente laminares y aleatorias, totalmente aleatorias o una mezcla variable de partes de ordenamiento helicoidal, laminar y aleatorio. Un concepto muy utilizado en la estructura tridimensional de una proteína es el dominio, que corresponde a una zona de la molécula que tiene características estructurales definidas. En una molécula de proteína puede haber más de un dominio y este hecho está relacionado con la función de la misma. Los dominios suelen ser muy conservados a lo largo de la evolución: las proteasas “tipo papaína” de virus, bacterias, plantas y animales tienen una estructura compuesta de dos dominios entre los cuales se ubica el sitio activo de la enzima. Estructura terciaria La estructura terciana de una molécula de proteína está determinada por la forma que adopta cada cadena polipeptídica. Esta estructura tridimensional está determinada por cuatro factores que se deben a interacciones entre los grupos R: 1. Puentes de hidrógeno entre los grupos R de las subunidades de aminoácidos en asas adyacentes de la misma cadena de polipéptidos. 2. Atracción iónica entre los grupos R con cargas positivas y aquéllos con cargas negativas. 3. Interacciones hidrófobas derivadas de la tendencia de los grupos R no polares para asociarse hacia el centro de la estructura globular, lejos del Iíquido que los rodea. 4. Los enlaces disulfuro, que son covalentes (-S-S-), unen los átomos de azufre de dos subunidades de cisteína. Estos enlaces pueden unir dos porciones de una misma cadena o dos cadenas distintas. Estructura cuaternaria Las proteínas compuestas de dos o más cadenas de polipéptidos adquieren una estructura cuaternaria: cada cadena muestra estructuras primaria, secundaria y terciaria y forma una molécula proteínica biológicamente activa. La hemoglobina, proteína de los glóbulos rojos encargada del transporte de oxígeno, es un ejemplo de proteína globular con estructura cuaternaria. La hemoglobina está compuesta por 574 aminoácidos dispuestos en cuatro cadenas polipeptídicas: dos cadenas alfa idénticas y dos cadenas beta idénticas entre sí. Su fórmula química es C3032H48160872S8Fe4 La estructura de las proteínas determina su función La estructura de las proteínas determina la actividad biológica de éstas. De entre las innumerables conformaciones teóricamente posibles de una proteína, generalmente hay una que predomina. Esta conformación es generalmente la más estable y en ese caso se dice que la proteína se encuentra en estado nativo (proteína nativa). La actividad biológica de una proteína puede ser afectada por cambios en la secuencia de aminoácidos o en la conformación de la proteína. Cuando ocurre una mutación (cambio químico en un gen) que ocasiona un cambio en la secuencia de aminoácidos de la hemoglobina, puede producirse un trastorno: anemia de céIulas falciformes. Las moléculas de hemoglobina en una persona con anemia de células falciformes tienen el aminoácido valina, en vez de ácido glutámico en la posición 6, es decir, el sexto aminoácido del extremo terminal de la cadena beta. La sustitución de la valina con una cadena lateral sin carga por glutamato con una cadena lateral con carga hace que la hemoglobina sea menos soluble y más propensa a formar estructuras en forma de cristal, lo que provoca un cambio en la forma de los glóbulos rojos. Los cambios en la estructura tridimensional de una proteína también alteran su actividad biológica. Cuando una proteína se calienta o se trata con algunas sustancias químicas, su estructura terciaria se distorsiona y la cadena peptídica en espiral se desdobla para dar lugar a una conformación más al azar. Este desdoblamiento se acompaña de una pérdida de su actividad biológica; por ejemplo de su capacidad de actuar como enzima. Este cambio en la forma de la proteína y la pérdida de su actividad biológica se Ilama desnaturalización. En general, la desnaturalización no puede revertirse; sin embargo, en determinadas condiciones, algunas proteínas que han sido desnaturalizadas recuperan su forma original y su actividad biológica cuando se restauran las condiciones normales del medio. Las proteínas no son eternas y en las células es frecuente que las moléculas de proteína se sinteticen y se degraden de acuerdo a las necesidades celulares. La degradación de una proteína es llevada a cabo por proteasas o peptidasas que hidrolizan algunas o todas las uniones peptídicas, con lo que la proteína puede quedar reducida a sus unidades constitutivas, los aminoácidos, que pueden luego ser utilizados para construir moléculas de la misma o de otra proteína. El proceso de hidróliisis destruye la estructura primaria y en el laboratorio puede ser llevado a cabo por la acción de enzimas o por ácido s o álcalis concentrados y a elevadas temperaturas. LAS ENZIMAS, UN TIPO ESPECIAL DE PROTEÍNAS Llegamos ahora a las proteínas más notables y altamente especializadas, las enzimas. Son los catalizadores de las reacciones de los sistemas biológicos. Tienen un gran poder catalítico, a menudo muy superior al de los catalizadores sintéticos. Poseen un elevado grado de especificidad respecto a sus sustratos, aceleran reacciones químicas específicas y funcionan en soluciones acuosas en condiciones muy suaves de temperatura y pH. Hay pocos catalizadores no biológicos que tengan todas estas propiedades. Las enzimas constituyen una de las claves para conocer de qué modo sobreviven y proliferan las células. Actuando en secuencias organizadas catalizan cientos de reacciones consecutivas en las rutas metabólicas mediante las que se degradan nutrientes, se conserva y transforma la energía química y se fabrican las macromoléculas biológicas a partir de precursores sencillos. Algunas de las enzimas que participan en el metabolismo son enzimas reguladores que pueden responder a diversas señales metabólicas cambiando adecuadamente su actividad catalítica. A través de la acción de las enzimas reguladoras los sistemas enzimáticos están altamente coordinados, proporcionando una armoniosa influencia recíproca entre la multitud de actividades metabólicas diferentes que son necesarias para la vida. El estudio de las enzimas también tiene una importancia práctica inmensa. En algunas enfermedades, especialmente en las que son genéticamente heredables, puede haber una deficiencia, o incluso una ausencia total, de una o más enzimas en los tejidos. También se pueden producir situaciones anormales por la actividad excesiva de un enzima específico. La medición de la actividad enzimática en el plasma sanguíneo, eritrocitos o muestras de tejido es importante en el diagnóstico de enfermedades. Las enzimas se han convertido en herramientas prácticas importantes, no sólo en medicina sino también en la industria química, en el tratamiento de los alimentos y en la agricultura; juegan un papel incluso en las actividades domésticas diarias tales como la preparación de alimentos (enzimas tiernizantes de la carne como la papaína) o en la limpieza (proteasas y lipasas que degradan proteínas y grasas, respectivamente, que son incorporadas a los detergentes). La mayoría de las enzimas son proteínas Con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de ARN catalítico (“ribozimas”), todos las enzimas son proteínas. Su actividad catalítica depende de la integridad de su conformación proteica nativa. Si se desnaturaliza o disocia un enzima en sus subunidades, se pierde normalmente la actividad catalítica. Si se descompone un enzima en sus aminoácidos constituyentes, siempre se destruye su actividad catalítica. Así, las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas enzimáticas son esenciales para su actividad catalítica. Las enzimas, al igual que otras proteínas, tienen masas moleculares relativas que van desde unos doce mil hasta más de un millón de daltons (12 a 1000 kDa). Algunos enzimas no requieren para su actividad más grupos químicos que residuos aminoacídicos. Otros requieren un componente químico adicional Ilamado cofactor. El cofactor puede ser uno o varios iones inorgánicos tales como Fe2+, Mg2+, Mn2+ o Zn2+ o un complejo orgánico o metaloorgánico denominado coenzima. Algunos enzimas requieren tanto una coenzima como uno o más iones metálicos para su actividad. Una coenzima o ion metálico unido covalentemente a la proteína enzimática se denomina grupo prostético. Una enzima completa catalíticamente activa junto con su coenzima y/o iones metálicos se denomina holoenzima. La parte proteica de tal enzima se denomina apoenzima o apoproteína. Las coenzimas actúan como transportadores transitorios de grupos funcionales específicos. Muchas vitaminas, que son nutrientes orgánicos requeridos en pequeñas cantidades en la dieta, son precursoras de coenzimas. Finalmente, algunos enzimas son modificados por fosforilación, glucosilación y otros procesos. Gran parte de estas alteraciones intervienen en la regulación de la actividad enzimática. Las enzimas se clasifican según la reacción catalizada Muchas enzimas se han bautizado añadiendo el sufijo “asa” al nombre del sustrato sobre el que actúan (como la ureasa, que cataliza la hidrólisis de la urea) o utilizando una palabra o frase que describe su actividad (como la ADN polimerasa, que cataliza la síntesis de ADN en el proceso de duplicación o replicación del ADN). Otros enzimas, tales como la pepsina y la tripsina (enzimas digestivas), tienen nombres que no se refieren a sus sustratos. A veces la misma enzima tiene dos o más nombres, o dos enzimas diferentes tienen el mismo nombre. Debido a tales ambigüedades y al número siempre creciente de enzimas descubiertas, se ha adoptado por acuerdo internacional un sistema de nomenclatura y clasificación de las enzimas. Este sistema distribuye las enzimas en seis clases principales, cada una de ellas con diferentes subclases, según el tipo de reacción catalizada. Número Clase Tipo de reacción catalizada 1Oxidorreductasas Transferencia de electrones (iones hidruro o átomos de hidrógeno) 2Transferasas Reacciones de transferencia de grupos 3Hidrolasas Reacciones de hidrólisis (transferencia de grupos funcionales al agua) 4Liasas Adición de grupos a dobles enlaces, o formación de dobles enlaces por eliminación de grupos 5Isomerasas Transferencia de grupos dentro de moléculas, dando formas isoméricas 6Ligasas Formación de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N mediante reacciones de condensación acopladas a la ruptura de la molécula de ATP A cada enzima se le asigna un número clasificatorio de cuatro dígitos y un nombre sistemático, el cual identifica la reacción catalizada. Por ejemplo, el nombre sistemático formal de la enzima que cataliza la reacción ATP + D-Glucosa ADP + D-Glucosa-6-fosfato es ATP:glucosa fosfotransferasa, que indica que cataliza la transferencia de un grupo fosfato desde el ATP a la glucosa. El número de clasificación de esta enzima (número EC) [1] es 2.7.1.1, donde el primer dígito (2) denota el nombre de la clase de enzima de la que se trata (es una transferasa); el segundo dígito (7) hace referencia a la subclase (se trata de una fosfotransferasa); el tercer dígito (1) indica que es una fosfotransferasa con un grupo hidroxilo como aceptor y el cuarto dígito (1) precisa que el otro sustrato es la D-glucosa, que actuará como aceptora del grupo fosfato. Cuando el nombre sistemático es largo, o demasiado complicado, puede utilizarse un nombre trivial (en este caso hexoquinasa). ¿Cómo funcionan las enzimas? La catálisis enzimática de las reacciones químicas es esencial para los sistemas vivos. En las condiciones que predominan en los sistemas biológicos, las reacciones sin catalizar tienden a ser lentas. La mayoría de moléculas biológicas son muy estables al pH neutro, la temperatura suave y el ambiente acuoso que existe en el interior de las células. Muchas reacciones comunes del metabolismo de los seres vivos resultarían poco probables en el ambiente celular, tales como la formación transitoria de intermedios cargados inestables o la colisión de dos o más moléculas con la orientación precisa requerida para la reacción. Para tomar un ejemplo contundente, digamos que las reacciones necesarias para digerir los alimentos, enviar señales nerviosas o contraer el músculo no se dan a una velocidad útil sin catálisis. Una enzima soluciona estos problemas al proporcionar un ambiente dentro del cual una reacción determinada es energéticamente más favorable. El rasgo distintivo de una reacción catalizada enzimáticamente es que tiene lugar dentro de un hueco de la molécula de la enzima denominada sitio activo o centro activo. La molécula sobre la que actúa la enzima y que queda fijada en el sitio activo se denomina sustrato. El complejo enzima-sustrato es de importancia central en la acción de las enzimas Las enzimas alteran las velocidades de reacción pero no los equilibrios Un análisis de una reacción catalizada por un enzima nos servirá para introducir algunos conceptos y definiciones importantes. Se puede escribir una reacción enzimática sencilla como E+S ES EP E+P (1) donde E, S y P representan enzima, sustrato y producto, respectivamente. ES y EP son complejos del enzima con el sustrato y con el producto, respectivamente. Para entender la catálisis, hemos de apreciar en primer lugar la importante distinción entre equilibrios de reacción y velocidades de reacción. La función de un catalizador (y, en consecuencia, de una enzima) es aumentar la velocidad de una reacción. Los catalizadores no modifican los equilibrios de reacción. Cualquier reacción, por ejemplo S P, donde S es el sustrato y P es el producto, puede describirse mediante un diagrama de la coordenada de reacción, que es una descripción gráfica del camino energético de la reacción. En su forma normal estable, o estado basal, cualquier molécula (tal como S o P) contiene una cantidad característica de energía. El equilibrio entre S y P refleja la diferencia de la energía ( G) de sus estados basales. En el ejemplo que se muestra en la figura, la energía del estado basal de P es inferior al de S, con lo que el equilibrio favorece la degradación de S y la formación de P. Este equilibrio no es afectado por ningún catalizador. No obstante, un equilibrio favorable no indica que la conversión S P sea rápida. La velocidad de reacción es dependiente de un parámetro totalmente diferente. Existe una barrera energética entre S y P que representa la energía requerida para el alineamiento de los grupos reactivos, formación de cargas inestables transitorias, reordenamientos de enlaces y otras transformaciones que se requieren para que la reacción tenga lugar en cualquiera de las dos direcciones. Esto viene representado por la “colina” energética de la figura. Para que haya reacción las moléculas han de superar esta barrera por lo que se deben llevar a un nivel energético superior. En la cumbre de la colina energética existe un punto en el que la caída hacia el estado S o P es igualmente probable (en cualquier caso es de bajada). Es lo que se denomina el estado de transición. El estado de transición no es una especie química con estabilidad significativa por lo que no se ha de confundir con un intermedio de reacción. Es, simplemente, un momento molecular fugaz en el que acontecimientos tales como rotura de enlace, formación de enlace y desarrollo de carga han llegado al preciso instante en el que la vuelta al estado inicial del sustrato o la generación de un producto son igualmente probables. La diferencia entre los niveles de energía del estado basal y del estado de transición se denomina energía de activación. La velocidad de una reacción refleja esta energía de activación, ya que si la energía de activación es más elevada la reacción es más lenta. Las velocidades de reacción pueden aumentarse incrementando la temperatura, mediante la que se aumenta el número de moléculas con energía suficiente para superar la barrera energética. De modo alternativo, puede disminuirse la energía de activación añadiendo un catalizador. Los catalizadores (como las enzimas) aumentan las velocidades de reacción disminuyendo las energías de activación. Las enzimas no constituyen una excepción a la regla de que los catalizadores no modifican el equilibrio de reacción. Las flechas bidireccionales de la Ecuación (1) ilustran este punto: cualquier enzima que catalice la reacción S P también cataliza la reacción P S. Su única misión es acelerar la interconversión de S y P. No se gasta enzima en el proceso y no queda afectado el punto de equilibrio. No obstante, la reacción alcanza el equilibrio de una manera mucho más rápida cuando está presente el enzima adecuado, ya que incrementa la velocidad de la reacción. Se puede ilustrar este principio general considerando la reacción de la glucosa con el oxígeno para formar CO2 y H2O, que representa los estados inicial y final del proceso de respiración que veremos más adelante. Esta reacción tiene una variación de energía libre muy grande (el contenido de energía libre de la glucosa es notoriamente mayor que el de los productos), por lo que en el equilibrio la cantidad de glucosa presente es insignificante. No obstante, la glucosa es un compuesto estable y puede combinarse con O2 en un recipiente de manera casi indefinida sin que reaccionen. A pesar de que la variación de energía libre es favorable para que la reacción tenga lugar, su estabilidad es reflejo de una elevada energía de activación para la reacción. Sin embargo, en las células la glucosa es degradada en presencia de O2 a CO2 y H2O en una ruta de reacciones catalizada por enzimas. Estas enzimas no sólo aceleran las reacciones sino que las organizan y controlan de tal manera que gran parte de la energía liberada en este proceso se recupera en otras formas que pueden ser utilizadas por la célula para realizar todas sus funciones. Esta es la ruta primaria de formación de energía para las células y las enzimas que actúan en ella permiten que el proceso tenga lugar en una escala de tiempo útil para las células. Las energías de activación son barreras energéticas para las reacciones químicas; estas barreras son cruciales para la propia vida. La estabilidad de una molécula aumenta con la altura de su barrera de activación. Sin tales barreras energéticas, las moléculas complejas (como por ejemplo las proteínas o los ácidos nucleicos) revertirían espontáneamente a formas moleculares mucho más sencillas. No podrían existir ni las estructuras complejas y altamente ordenadas ni los procesos metabólicos que tienen lugar en cada célula. Las enzimas han evolucionado para disminuir selectivamente las energías de activación de las reacciones necesarias para la supervivencia celular. Unos pocos principios explican el poder catalítico y la especificidad de las enzimas Las enzimas son catalizadores extraordinarios. Los aumentos de velocidad conseguidos por las enzimas son de 7 a 14 órdenes de magnitud. Las enzimas son también muy específicas, discriminando fácilmente entre sustratos con estructuras muy similares. ¿Cómo se pueden explicar estos incrementos enormes y altamente selectivos? ¿De dónde viene la energía que proporciona un descenso espectacular de las energías de activación de reacciones específicas? Parte de la explicación de la acción enzimática proviene de acciones químicas bien estudiadas que tienen lugar entre un sustrato y grupos funcionales de las enzimas (cadenas laterales de aminoácidos específicos, iones metálicos y coenzimas). Los grupos funcionales catalíticos de las enzimas pueden interaccionar de manera transitoria con un sustrato, activándolo para la reacción. En muchos casos, estos grupos disminuyen la energía de activación (acelerando de este modo la reacción) al proporcionar una ruta de reacción de menor energía. La energía requerida para disminuir la energía de activación proviene generalmente de interacciones débiles no covalentes entre el sustrato y la enzima (puentes de hidrógeno e interacciones iónicas, hidrofóbicas y de van der Waals) que se denomina energía de fijación. Las interacciones débiles entre enzima y sustrato (energía de fijación) son óptimas en el estado de transición ¿Cómo utiliza un enzima la energía de fijación para disminuir la energía de activación de la reacción? La formación del complejo enzima-sustrato (ES) no es por sí misma la explicación, si bien algunas de las primeras consideraciones sobre los mecanismos de reacción empezaron con esta idea (se pensaba que las enzimas eran estructuralmente complementarios de sus sustratos, de modo que se acoplaban del mismo modo que una llave y una cerradura). La noción moderna de la catálisis enzimática considera que para que una enzima catalice una reacción ha de ser complementaria al estado de transición de la reacción. Esto significa que las interacciones óptimas (mediante enlaces débiles) entre sustrato y enzima se producen en el estado de transición. Al generarse el complejo ES se forman algunas interacciones débiles, pero el complemento total de las interacciones débiles posibles entre sustrato y enzima sólo se forma cuando el sustrato alcanza el estado de transición. La energía libre (energía de fijación) liberada por la formación de esas interacciones equilibra parcialmente la energía requerida para llegar a la cima de la colina energética (la energía de activación). Sin embargo, la reacción catalizada por el enzima es mucho más rápida que en el proceso sin catalizar, porque por lo dicho la colina es mucho más baja. El principio importante es que las interacciones de fijación débiles entre el enzima y el sustrato proporcionan la fuerza motriz principal de la catálisis enzimática. Los grupos del sustrato que intervienen en estas interacciones débiles pueden estar situados a cierta distancia de los enlaces que se rompen o modifican. Las interacciones débiles formadas en el estado de transición son las que más contribuyen a la catálisis. La necesidad de múltiples interacciones débiles para impulsar la catálisis es una de las razones de que las enzimas (y algunas coenzimas) sean tan grandes. El enzima ha de aportar grupos funcionales para interacciones iónicas, puentes de hidrógeno y otras interacciones y ha de posicionar estos grupos de forma precisa para que la energía de fijación en el estado de transición pueda ser óptima. La misma energía de fijación que aporta energía para la catálisis también hace que el enzima sea específico. Por ejemplo, si el sustrato tiene un grupo hidroxilo que forma un puente de hidrógeno específico con un residuo Glu del enzima, cualquier molécula que carezca de este grupo hidroxilo concreto será, en general, un peor sustrato para el enzima. Además, cualquier molécula con un grupo funcional extra para el que el enzima no contiene una bolsa o sitio de fijación será muy probablemente excluido del enzima. En general, la especificidad proviene asimismo de la formación de múltiples interacciones débiles entre el enzima y muchas partes, o todas, de su molécula de sustrato específica. La energía de fijación mantiene los sustratos en la orientación correcta para reaccionar, lo que es una contribución muy importante a la catálisis ya que las colisiones productivas entre moléculas en solución pueden ser extremadamente raras. Los sustratos se pueden alinear sobre el enzima de forma precisa. Una multitud de interacciones débiles entre cada sustrato y grupos localizados de manera estratégica en el enzima mantienen juntas las moléculas de sustrato en las posiciones adecuadas. Las enzimas están sujetas a inhibición reversible e irreversible Las enzimas catalizan virtualmente todos los procesos celulares, por lo que no es sorprendente que los inhibidores enzimáticos se encuentren entre los principales medicamentos. La aspirina inhibe el primer paso de la síntesis de las prostaglandinas al bloquear irreversiblemente la acción de la prostaglandina peróxido sintasa (un tipo de prostaglandinas que eleva la temperatura corporal produciendo inflamación y dolor). Existen dos tipos de inhibidores enzimáticos: reversibles e irreversibles. Los inhibidores reversibles pueden ser de distintos tipos, pero los más comunes son los inhibidores competitivos, que son generalmente sustancias que se parecen al sustrato y que compiten con el sustrato por el sitio activo de la enzima. Cuando se ha fijado el inhibidor la reacción catalizada por la enzima no tiene lugar, pero como la reacción es reversible, se puede desplazar el equilibrio agregando más sustrato. La inhibición competitiva se utiliza en el tratamiento de envenenamiento con metanol, que se convierte en formaldehido por la enzima alcohol deshidrogenasa; el formaldehido lesiona muchos tejidos, en especial los ojos. El etanol compite con el metanol por la enzima, de modo que la terapia para el envenenamiento con metanol es la aplicación endovenosa de etanol, lo cual hace que la formación de formaldehido sea lo suficientemente lenta como para que el metanol se pueda eliminar inocuamente en la orina. Los inhibidores irreversibles son los que se combinan con (o destruyen) un sitio esencial para la actividad de la enzima. Los inhibidores irreversibles son muy útiles para estudiar el mecanismo de acción enzimático: los aminoácidos con funciones catalíticas clave pueden ser identificados determinando cuál es el aminoácido al que se ha unido covalentemente el inhibidor después de la inactivación de la enzima. La farmacoterapia moderna hace uso de variados inhibidores competitivos para el tratamiento de algunas enfermedades, incluido el SIDA. La actividad enzimática es afectada por diversos factores Las enzimas tienen un pH óptimo o un intervalo de pH en el que la actividad es máxima. Esto es debido a que las cadenas laterales que intervienen en la actividad catalítica presentan diferentes grados de ionización a diferentes valores de pH. La fuerza iónica del medio también afecta significativamente la actividad enzimática, debido a la posible interacción de grupos cargados con los sitios activos de la enzima. Por el hecho de ser proteínas, las enzimas son sensibles a la acción de la temperatura. El incremento de la temperatura produce un incremento de la actividad enzimática, pero al llegar a determinados valores de temperatura la enzima comienza a desnaturalizarse y se produce el efecto inverso. De todos modos debe tenerse en cuenta que en la mayoría de los organismos la temperatura celular es relativamente constante. Enzimas reguladoras En el metabolismo celular es muy frecuente que haya grupos de enzimas que funcionan conjuntamente en rutas secuenciales que parten de un reactivo inicial y llegan a un producto final luego de varios pasos. En tales sistemas enzimáticos, el producto de la reacción catalizada por la primer enzima se convierte en el reactivo (sustrato) de la siguiente, y así sucesivamente. En cada sistema hay al menos una enzima que fija la velocidad global, porque cataliza la reacción más lenta, que es la que limita la velocidad de la reacción total. Estas enzimas reguladoras muestran una actividad catalítica mayor o menor en respuesta a la acción de ciertas sustancias (moduladores) que se unen a la enzima en forma reversible, con lo que la velocidad de cada secuencia metabólica se ajusta constantemente a la necesidad de la célula. Un mecanismo diferente de regulación enzimática lo constituyen los precursores inactivos de algunas enzimas (zimógenos). Muchas proteasas del estómago (pepsina) y del páncreas (tripsina y quimotripsina) se sintetizan en forma de proenzimas inactivas (pepsinógeno, tripsinógeno, quimotripsinógeno) que requieren la acción de una proteasa específica que libera un residuo polipeptídico, con lo que se obtiene la enzima activa. El sistema de formación de precursores inactivos se da no sólo en las enzimas: la hormona insulina se sintetiza como proinsulina y la proteína fibrosa colágeno se sintetiza como procolágeno; en ambos casos proteasas específicas liberan restos polipeptídicos innecesarios y producen la proteína activa. ACIDOS NUCLEICOS En las células se encuentran dos variedades de ácidos nucleicos: el ácido ribonucleico (ARN) y el ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN forma genes, el material hereditario de las células, y contiene instrucciones para la producción de todas las proteínas que el organismo necesita. El ARN está asociado a la transmisión de la información genética desde el núcleo hacia el citoplasma, donde tiene lugar la síntesis de proteínas, proceso al cual está estrechamente relacionado. Hay tres tipos de ARN: ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosómico (ARNr), que actúan en el proceso de síntesis de proteínas. Al igual que las proteínas, los ácidos nucleicos son moléculas grandes y complejas. Fueron aisladas por primera vez por Miescher en 1870, a partir del núcleo de las células del pus; su nombre se origina del hecho de que la primera vez que se identificaron se observó que eran ácidos, además de que fueron identificados por primera vez en el núcleo celular. Nucleótidos: subunidades de los ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son biopolímeros, pero a diferencia de los polisacáridos como el almidón o el glucógeno, en los que el monómero es una molécula simple (la - o la ß-glucosa, respectivamente), los monómeros de los ácidos nucleicos son los nucleótidos, unidades moleculares que constan de: 1) un azúcar de cinco carbonos, ya sea ribosa en el caso del ADN o desoxirribosa en el caso del ARN; 2) un grupo fosfato y, 3) una base nitrogenada, ya sea una purina de doble anillo o una pirimidina de anillo simple. El ADN contiene las bases púricas Adenina (A) y Guanina (G) y las bases pirimídicas Citosina (C) y Timina (T), junto con el azúcar desoxirribosa y el fosfato. El ARN contiene las mismas bases púricas (A y G), pero en cuanto a las bases pirimídicas el Uracilo (U) reemplaza a la timina. Las moléculas de los ácidos nucleicos están formadas por cadenas de nucleótidos, cada uno de ellos unido al siguiente por enlaces covalentes entre la molécula de azúcar de una cadena (el carbono 3´de la ribosa o de la desoxirribosa) y la molécula de fosfato de la otra cadena, que a su vez está unido al carbono 5´de la pentosa. Estos enlaces son Ilamados uniones o puentes fosfodiéster, porque el fosfato está unido por una unión éster fosfato al azúcar del nucleótido y por otra unión equivalente al azúcar del nucleótido que lo precede. Las moléculas de ADN son considerablemente más grandes que las de ARN, pero además poseen una estructura doble, ya que están constituidas por dos cadenas que son complementarias entre sí. Las dos cadenas se enfrentan por las bases, que se mantienen unidas por la existencia de puentes de hidrógeno, pero la complementariedad proviene de que siempre una base púrica (de mayor dimensión) se enfrenta con una base pirimídica y que el acoplamiento siempre enfrenta a A con T y a G con C. Este hecho es fundamental para permitir la duplicación (“replicación”) del ADN, ya que cada una de las cadenas sirve de molde para que se produzca la cadena complementaria respectiva. Como consecuencia de su elevado contenido en ácido fosfórico y a raíz del pH cercano a la neutralidad del medio celular, las moléculas de ADN en el núcleo poseen carga negativa. Este hecho favorece su asociación con proteínas básicas (las histonas), que aparentemente juegan un rol protector y que en conjunto con el ADN constituyen la cromatina nuclear. El ADN (y las histonas asociadas) se dispone en forma helicoidal y parcialmente enrollada mientras la célula está en actividad normal, pero sufre una gran condensación (superenrrollamiento) en el momento de la división celular, dando lugar a los cromosomas. En realidad no existen diferencias estructurales entre la cromatina nuclear y los cromosomas, sino que se trata de distintos grados de condensación de la molécula de ADN. Si bien el término cromatina se sigue utilizando (proviene de la época de las primeras observaciones microscópicas de núcleos coloreados: cromatos = color), la tendencia moderna es llamar cromosoma al ADN nuclear, independientemente del grado de condensación que exhiba. La diferencia esencial entre ADN y ARN, además del reemplazo de la desoxirribosa por la ribosa y de T por U, es que el ARN está constituido por una cadena única y que sus dimensiones son considerablemente más reducidas que las del ADN. Los tres tipos principales de ARN (mensajero, de transferencia y ribosómico) están asociados con el proceso de síntesis de proteínas, que tiene lugar en los ribosomas, estructuras que contienen ARN y proteínas y que constituyen el lugar físico en el que se desarrolla la síntesis de las moléculas proteicas. El ARNm contiene generalmente la información de la secuencia de aminoácidos de una única proteína y obtiene dicha información por el proceso de transcripción, a través del cual una enzima específica (ARN polimerasa) copia la información contenida en un sector (un gen) de una de las dos cadenas del ADN. Este proceso ocurre naturalmente en el núcleo, pero el ARNm pasa al citoplasma a través de los poros nucleares y se encuentra con los ribosomas. La secuencia de bases del ARNm (que como se dijo es complementaria de la secuencia de bases de un sector de ADN) contiene la información sobre la posición que deben ocupar los aminoácidos en la proteína. Esta codificación recibe el nombre de código genético. Por su parte distintos ADNt son los encargados de reconocer a cada uno de los aminoácidos y ubicarlos en el lugar señalado por el código genético en un proceso conocido como traducción. Otros nucleótidos importantes Aparte de su importancia como subunidades de los ácidos nucleicos, los nucleótidos intervienen en otras importantes funciones de las células. El trifosfato de adenosina (ATP), compuesto de adenina, ribosa y tres fosfatos tiene una importancia destacada como fuente de energía para las células. Los dos fosfatos terminales se unen al nucleótido mediante enlaces "ricos en energía", que se señalan por el símbolo ~P. Estos enlaces reciben tal nombre porque liberan una gran cantidad de energía cuando se someten a hidrólisis. La energía que se libera es biológicamente utilizable y puede transferirse a otras moléculas. La mayor parte de la energía química de las células se almacenan en enlaces de fosfato (ATP) ricos en energía, lista para liberarse cuando el grupo fosfato se transfiere a otra molécula. Un nucleótido puede convertirse en una forma cíclica por medio de enzimas Ilamadas ciclasas. De esta manera la adenilatociclasa convierte al ATP en adenosín monofosfato cíclico (AMP cíclico). Los nucleótidos cíclicos juegan un papel importante en la mediación de los efectos hormonales y en la regulación de varios aspectos de la función celular. Las células contienen varios dinucleótidos de importancia especial en los procesos metabólicos. Por ejemplo, como se discutirá en el capítulo 7, el dinucleótido de adenina y nicotinamida (NAD) es muy importante como receptor y donador de hidrógeno y electrones en funciones biológicas de oxidación y reducción en las células.
