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Proteínas

Introducción

Son polímeros formados por la unión (enlaces peptídicos) de unidades de menor masa molecular (aminoácidos). Son moléculas muy complejas. Su masa molecular es muy elevada (6000 – 106 Da), es decir, son macromoléculas.

Algunas proteínas están formadas por la unión de varios polímeros proteicos que en ocasiones pueden también contener otras moléculas orgánicas (lípidos, glúcidos, etc.), estas proteínas se llaman prótidos.

Son las moléculas orgánicas más abundantes en las células, más del 50% del peso seco de la célula son proteínas. Están constituidas, fundamentalmente, por C, H, O y N y casi todas tienen también S. Algunas tienen, además, otros elementos químicos: P, Fe, Zn o Cu.

El elemento más característico de las proteínas es el N. Son los compuestos nitrogenados por excelencia de los seres vivos.

Las proteínas son moléculas específicas que marcan la individualidad de cada ser vivo. Son de una gran importancia porque a través de ellas se va a expresar la información genética, así, el dogma central de la genética molecular dice: DNARNAProteína.

Funciones Generales

De reserva.- en general las proteínas no tienen esta función, pero pueden utilizarse con este fin en algunos casos especiales como por ejemplo en el desarrollo embrionario: ovoalbúmina del huevo, caseína de la leche y gliadina del trigo.

Estructural.- membranas celulares, cartílago, hueso, etc.

Enzimática.- todas las reacciones que se producen en los organismos son catalizadas por moléculas orgánicas llamadas enzimas, todas son proteicas.

Homeostática.- algunas proteínas mantienen el equilibrio osmótico del medio celular y extracelular.

Transporte.- llevan a cabo el transporte de gases (hemoglobina) y lípidos (seroalbúmina) en la sangre. También los intercambios entre la célula y el exterior (permeasas).

Movimiento.- la actina y la miosina, proteínas de las células musculares, son las responsables de la contracción muscular.

Hormonal.- las hormonas son sustancias químicas que regulan procesos vitales, algunas son proteínas: insulina, glucagón, etc.

Inmunológica.- los anticuerpos son proteínas que intervienen en los procesos de defensa frente a los agentes patógenos.

Aminoácidos

Son las unidades estructurales (monómeros) que constituyen las proteínas. Todos los aminoácidos que se encuentran en las proteínas, salvo la prolina, responden a la fórmula general:

H O H – N – C2 – C1 – O – H H R

Carbono Alfa Grupo Amino Grupo Carboxilo Cadena Lateral

Por tanto, tienen dos grupos funcionales característicos: el grupo carboxilo o grupo ácido (-COOH), y el grupo amino (-NH2)

Las proteínas de los seres vivos sólo tienen unos 20 aminoácidos diferentes. En ciertos casos muy raros (venenos de algunas serpientes) podemos encontrar otros aminoácidos diferentes de estos 20, e incluso aminoácidos que no siguen la fórmula general.

La mayoría de los aminoácidos pueden sintetizarse unos a partir de otros, pero existen otros, aminoácidos esenciales, que no pueden ser sintetizados y deben obtenerse en la dieta. Los aminoácidos esenciales son diferentes para cada especie, en la especie humana son diez: Treonina, Arginina, Valina, Leucina, Isoleucina, Fenilalanina, Lisina, Histidina, Metionina y Triptófano.

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Clasificación

En función de sus características químicas, los aminoácidos se clasifican en:

Aminoácidos Apolares.- Su cadena R no es polar, es decir, no posee cargas eléctricas en R al tener en él largas cadenas

hidrocarbonadas. Estos aminoácidos, si están en gran abundancia en una proteína, la hacen insoluble en agua.

Aminoácidos Polares No Ionizables.- Poseen R con cortas cadenas hidrocarbonadas en las que hay funciones polares

(alcohol, tiol o amida). Contrariamente al grupo anterior si una proteína los tiene en abundancia será soluble en agua.

Aminoácidos polares ácidos.- Tienen más de un grupo carboxilo. En las proteínas, si el pH es básico o neutro, estos

grupos se encuentran cargados negativamente.

Aminoácidos polares básicos.- Tienen uno o más grupos amino. En las proteínas, estos grupos amino, si el pH es ácido

o neutro, están cargados positivamente.

Apolares

Alanina (Ala) Leucina (Leu) Isoleucina (Ile) Valina (Val) COOH

NH2 –C–H

CH3

COOH

NH2 –C–H

CH2

CH–CH3

CH3

COOH

NH2 –C–H

H – C –CH3

CH2

CH3

COOH

NH2 –C–H

CH–CH3

CH3

Fenilalanina (Phe) Metionina (Met) Prolina (Pro) Triptófano (Trp) COOH

NH2–C–H

CH2

COOH

NH2–C–H

CH2

S

CH3

COOH

C–H / \

H2C NH \ /

CH–CH2

OH

COOH

NH2–C–H

CH2

C = CH

\

NH /

Polares No Ionizables

Glicina (Gly) Serina (Ser) Treonina (Thr) Cisteína (Cys) COOH

NH2 –C–H

H

COOH

NH2 –C–H

CH2OH

COOH

NH2 –C–H

H–C–OH

CH3

COOH

NH2 –C–H

H–C–CH3

CH2

SH

Tirosina (Tyr) Asparragina (Asn) Glutamina (Gln) COOH

NH2–C–H

CH2

OH

COOH

NH2–C–H

CH2

C–H

/ \\

NH2 O

COOH

NH2–C–H

CH2

CH2

C–H

/ \\

NH2 O

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Proteínas

Polares Ácidos

Aspártico (Asp) Glutámico (Glu) COOH

NH2 – C – H

CH2

COO-

COOH

NH2 – C – H

CH2

CH2

COO-

Polares Básicos

Histidina (His) Arginina (Arg) Lisina (Lys) COOH

NH2 – C – H

CH2

C – NH

\

CH /

CH – NH+

COOH

NH2 – C – H

CH2

CH2

CH2

NH

C = NH2

+

NH2

COOH

NH2 – C – H

CH2

CH2

CH2

CH2

NH3

+

Asimetría

Excepto en la glicina, en el resto de los aminoácidos el carbono es asimétrico. La molécula es ópticamente activa, existiendo dos configuraciones: D y L. Normalmente en los seres vivos sólo encontramos uno de los isómeros ópticos. Por convenio se considera que los aminoácidos presentes en los seres vivos pertenecen todos ellos a la serie L. No obstante, en los microorganismos (paredes bacterianas, antibióticos bacterianos) existen aminoácidos no proteicos pertenecientes a la serie D.

Enlace Peptídico

Es la unión entre el grupo -carboxilo de un aminoácido y el grupo -amino del siguiente aminoácido, es una reacción de condensación en la que se forma una amida (dipéptido) y una molécula de H2O.

H

NH2 – C –COOH

CH3

+

H

NH2 – C –COOH

CH2OH

=

CH3 H H

NH2 – C –C – N – C –COOH

H O CH2OH

+ H2O

L - Alanina L- Serina Alanil-Serina

Características

1º. Es un enlace covalente que se establece entre un átomo de C y un átomo de N.

2º. Es un enlace muy resistente, lo que hace posible el gran tamaño y estabilidad de las moléculas proteicas.

3º. Los estudios con rayos X de las proteínas muestran que el enlace C-N se comporta como un doble enlace, lo que provoca que no exista una libertad de giro alrededor de él.

4º. Todos los átomos que están unidos al C y al N del enlace peptídico mantienen unas distancias y ángulos característicos y están todos ellos en un mismo plano.

COOH

NH2 – C – H

CH3

COOH

H – C – NH2

CH3

L - Alanina D - Alanina

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Péptidos, Polipéptidos y Proteínas

Según el número de aminoácidos que se unan mediante enlace peptídico, se distinguen:

Dipéptido: 2 aa Tripéptido: 3 aa Oligopéptido: 4 - 10 aa

Polipéptido: 10 – 100 aa Proteína: > 100 aa

Toda cadena polipeptídica tiene en uno de sus extremos un aa con el grupo amino libre (extremo amino terminal), en el otro extremo tienen un aa con el grupo carboxilo libre (extremo carboxilo terminal).

Muchas sustancias naturales de gran importancia son péptidos:

Insulina, regula las concentraciones de glucosa en la sangre, está formada por dos cadenas de 21 y 30 aa unidas por puentes disulfuro.

Encefalina, es un pentapéptido (5 aa), se produce en las neuronas cerebrales y elimina la sensación de dolor.

Vasopresina y oxitocina, nonapétidos (9aa), son hormonas del lóbulo posterior de la hipófisis, producen las contracciones del útero durante el parto.

Gramicidina, es un antibiótico.

Estructura o Conformación de las Proteínas

La conformación de una proteína es la disposición espacial que adopta la molécula proteica. Las cadenas peptídicas, en condiciones normales de pH y temperatura, poseen solamente una conformación y ésta es la responsable de las importantes funciones que realizan.

Estructura Primaria

Viene dada por la secuencia de aa. Es la secuencia que determina el resto de los niveles y como consecuencia la función de la proteína. La alteración de la estructura primaria (eliminación, adición o intercambio de aa) puede cambiar la configuración general de una proteína y dar lugar a una proteína diferente. Además, como la función de la proteína depende de su estructura, un cambio en la estructura primaria podrá determinar que la proteína no pueda realizar su función.

Estructura Secundaria

Es el plegamiento que la cadena polipeptídica adopta gracias a la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos que forman el enlace peptídico. Los puentes de hidrógeno se establecen entre los grupos carboxilo y amino del enlace peptídico (el primero como aceptor de H, y el segundo como donador de H). De esta forma, la cadena polipeptídica es capaz de adoptar conformaciones de menor energía libre, y por tanto, más estables.

Las características de los enlaces peptídicos imponen determinadas restricciones que obligan a las proteínas a adoptar una determinada estructura secundaria. Ésta puede ser: hélice , hélice de colágeno o conformación . Las tres son configuraciones en hélice diferenciándose en el número de aa por vuelta (n) y en el diámetro de la hélice:

Hélice Hélice de colágeno Conformación

n = 4 n = 3 n = 2

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Proteínas

Hélice Es la forma más simple y común La molécula adopta una disposición helicoidal

Las cadenas R de los aa se sitúan hacia el exterior de la hélice, no participan en la estructura secundaria

Cada 3,6 aa da una vuelta completa Es muy estable:

Permite la formación de puentes de hidrógeno Entre el grupo C=O de un aa y el grupo N-H del cuarto aa situado

por debajo de él en la hélice: n y (n + 4) Intracatenarios Paralelos al eje central

Cada enlace peptídico puede formar dos puentes de hidrógeno No se forman puentes de hidrógeno:

Los primeros 4 residuos del extremo amino terminal Los últimos 4 residuos del extremo carboxilo terminal

Existen dos tipos: Levógira Dextrógira: es la que se encuentra en las proteínas

Se estabiliza: Interacciones iónicas

Aa con R (+) y aa con R (-) Interacciones hidrofóbicas

Aa con R aromáticos próximos Aa pequeños o sin carga

Se desestabiliza: Repulsión electrostática

Entre aa con igual carga Volumen de R adyacentes

No pueden ir seguido varios aa con R voluminosas: impedimento estérico

Val, Ile Puentes de hidrógeno entre C

Ser, Asp, Asn Presencia de Prolina

El N de su enlace peptídico no tiene unido un hidrógeno para formar un puente de hidrógeno con el aa (n + 4)

Conformación

Disposición en zig-zag Estabilidad:

Disposición en paralelo de varias cadenas con esta conformación

Cadenas de proteínas diferentes Partes de una misma molécula

Se establecen puentes de hidrógeno entre grupos C=O y N-H

Perpendiculares al eje de la cadena Las cadenas R van quedando alternativamente

hacia arriba y hacia abajo No se estorban estéricamente

Desestabilización: Cadenas R voluminosas próximas Cadenas R con las mismas cargas eléctricas próximas

Cuando dos o más hélices se sitúan una al lado de la otra y establecen puentes de hidrógeno, entre ellas, aparece una hoja o lámina

En función de si los puentes de hidrógeno se establecen entre regiones con el mismo sentido o contrario, se distingue:

Lámina paralela: con el mismo sentido Lámina antiparalela: sentido contrario

Es la más estable, por la disposición de los puentes de hidrógeno

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Paralela Antiparalela

Una molécula no tiene que estar constituida exclusivamente por un tipo de conformación. Lo normal es que las moléculas proteicas presenten porciones con hélices , otras partes con conformaciones y partes que no tienen una conformación definida (zonas irregulares)

Estructura Terciaria

Es la estructura espacial tridimensional adoptada por la estructura secundaria. Se debe a interacciones débiles entre las cadenas R de aa. Los pliegues que se originan en la estructura terciaria se deben a ciertos aa (Pro, Ser, Ile) que distorsionan la hélice generando una curvatura.

No ocurre al azar, estando favorecida energéticamente. Es única, y siempre la misma bajo las mismas condiciones.

Es la responsable directa de la función de las proteínas, ya que la disposición espacial de los distintos grupos funcionales de las proteínas es la que determina su interacción con los diversos ligandos. Por tanto, la pérdida de la estructura terciaria suele ocasionar la pérdida de la función biológica (desnaturalización)

La estructura terciaria se va a estabilizar por la formación de las siguientes interacciones:

1) Puentes disulfuro (enlaces covalentes): entre grupos –SH pertenecientes a dos Cys que reaccionan entre sí para dar cistina

-Cys-SH + HS-Cys- -Cys-S-S-Cys 2) Atracciones electrostáticas 3) Puentes de hidrógeno 4) Interacciones hidrofóbicas

En la estructura terciaria los restos se van a disponer en función de su afinidad con el medio. En medio acuoso, los restos hidrófobos se sitúan hacia el interior de la molécula mientras que los restos hidrófilos lo hacen hacia el exterior.

Existen dos tipos de estructura terciaria:

Fibrosa Función

Estructural De protección

Insolubles en agua y en soluciones salinas Ejemplos:

Queratina Colágeno Elastina

Globular Función:

Enzimática Transporte

Solubles en agua y/o en disoluciones salinas

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Proteínas

Hélice Centro de la molécula

Conformaciones En la periferia

En solución acuosa, sus restos hidrófilos quedan hacia el exterior y los hidrófobos en el interior En un ambiente lipídico, los restos hidrófilos quedan en el interior y los hidrófobos en el exterior

Estructura Cuaternaria

En este nivel de organización las unidades de proteínas en su estado ya plegado (estructura terciaria) se agregan para formar proteínas oligoméricas.

Cada polipéptido que interviene en su formación es un protómero y según el número de protómeros tendremos: dímeros, tetrámeros, pentámeros, etc.

Las fuerzas que estabilizan este nivel son las mismas interacciones débiles que en la estructura terciaria: puentes disulfuro, atracciones electrostáticas, puentes de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas.

Un ejemplo de estructura cuaternaria es la hemoglobina, formada por las globinas o parte proteica (dos cadenas y dos cadenas , con un total de 146 aa) más la parte no proteica o grupos hemo. O los anticuerpos, formados también por cuatro cadenas, dos cadenas cortas y dos largas.

Propiedades de las Proteínas

Están directamente relacionadas con las cadenas R de los aa que quedan en la superficie de las proteínas, ya que son los que pueden interaccionar con otras moléculas.

Solubilidad. Las proteínas solubles en agua, al ser macromoléculas, no forman verdaderas disoluciones sino

dispersiones coloidales. Cada macromolécula proteica queda rodeada de moléculas de agua y no contacta con otras

macromoléculas gemelas con lo que no puede producirse la precipitación.

Especificidad de función. Cada proteína tiene una función concreta, diferente, normalmente, de la del resto de

las moléculas proteicas Tenemos unas 100 000 proteínas diferentes Se han producido diferencias evolutivas en determinadas regiones de las proteínas llamadas sectores

variables, de las que no depende directamente la función Aquellas secciones que determinan la función proteica permanecen invariables Los diferentes papeles biológicos de las proteínas van a depender de la forma que adopten en su

conformación espacial.

Desnaturalización

Las alteraciones de la concentración, del grado de acidez, de la temperatura (calor), pueden provocar la desnaturalización de las proteínas. Es una pérdida total o parcial de los niveles de estructura superiores al primario y se debe a la desaparición de las interacciones débiles, no afectando a los enlaces peptídicos y por tanto a la estructura primaria. Sin embargo al alterarse su conformación espacial, la proteína perderá su funcionalidad biológica.

En las proteínas globulares, solubles en agua, la desnaturalización está acompañada de una pérdida de la solubilidad y la consiguiente precipitación de la disolución.

Puede existir una renaturalización casi siempre, excepto cuando el agente causante de la desnaturalización es el calor.

Clasificación de las Proteínas

Se clasifican según estén o no constituidas exclusivamente por aa en:

1.- Holoproteínas.- se pueden clasificar en dos grandes grupos atendiendo a su estructura:

I) Filamentosas: forman fibras paralelas y son insolubles en agua. Pertenecen a este grupo: a. Colágenos: en los tejidos conjuntivo, cartilaginoso y óseo. Presenta gran resistencia al estiramiento. b. Queratinas: forman el cabello, las uñas, las pezuñas, la lana o la seda. c. Elastinas: son flexibles por lo que se encuentran en tendones, vasos sanguíneos u órganos que estén

pH

pH

SH

SH

SH

SH

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sometidos a deformaciones reversibles. d. Miosinas: participan en la contracción muscular.

II) Globulares: estructura globular y solubles en agua. Destacan: a. Histonas: asociadas al ADN, participan en los procesos de regulación génica (expresión de genes) b. Albúminas: funciones de reserva de aminoácidos. Seroalbúmina de la sangre o la ovoalbúmina de huevo. c. Globulinas: proteínas muy grandes (masa molecular de 1000000). Por ejemplo la ovoglobulina de huevo.

2.- Heteroproteínas.- están formadas por una parte peptídica (aa) más una parte no proteica (grupo prostético).

Según la naturaleza de éste tenemos:

I) Cromoproteínas: su grupo prostético es una sustancia con color por lo que también se denominan pigmentos.

Por ejemplo la hemoglobina (con Fe).

II) Glucoproteínas: el grupo prostético es un glúcido y realizan multitud de funciones, como por ejemplo la

protrombina sanguínea.

III) Lipoproteínas: tienen ácidos grasos como grupo prostético. Se encuentran en las membranas plasmáticas o

transportan lípidos como el colesterol y los triglicéridos.

IV) Fosfoproteínas: presentan ácido fosfórico como grupo prostético. Por ejemplo la caseína de la leche.

V) Nucleoproteínas: tienen ácidos nucleicos como grupo prostético. Por ejemplo las histonas.

Las Enzimas

Son proteínas que catalizan reacciones químicas en los seres vivos. Son catalizadores, es decir, sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan notablemente su velocidad. No hacen factibles las reacciones imposibles, sino que solamente aceleran las que espontáneamente podrían producirse. Ello hace posible que en condiciones fisiológicas tengan lugar reacciones que sin catalizador requerirían condiciones extremas de presión, temperatura o pH.

Prácticamente todas las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos están catalizadas por enzimas. Son catalizadores específicos: cada enzima cataliza un solo tipo de reacción, y casi siempre actúa sobre un único sustrato o sobre un grupo muy reducido de ellos. En una reacción catalizada por una enzima:

Sustrato.- es la sustancia sobre la que actúa la enzima Centro activo.- es la región de la enzima donde se une el sustrato

Sitio de unión, formado por los aa que están en contacto directo con el sustrato Sitio catalítico, formado por los aa directamente implicados en el mecanismo de la reacción

Una vez formados los productos la enzima puede comenzar un nuevo ciclo de reacción (las enzimas no se consumen).

Estructura

Excepto las ribozimas, todas las enzimas son proteínas globulares, pudiendo estar formadas únicamente por cadenas polipeptídicas o contener, además, otro grupo no proteico, según esto se distinguen:

Holoproteínas, enzimas formadas solamente por polipéptidos. Holoenzimas, enzimas formadas por la asociación de una parte polipeptídica o apoenzima y de una parte no

polipeptídica o cofactor. La apoenzima, parte proteica que se encarga de proporcionar la estructura espacial específica que permite la unión a los sustratos, moléculas sobre las que actúan las enzimas en las reacciones químicas. El cofactor es la parte no proteica. Los cofactores pueden ser:

Inorgánicos, como los iones metálicos (Fe2+, Cu2+, Mn2+, Zn2+,…), que se encuentran en pequeñas cantidades (oligoelementos).

Orgánicos: Coenzimas: moléculas que actúan asociadas débilmente a enzimas, como, por ejemplo, el

FAD+, el NAD+, las vitaminas, etc. Grupos prostéticos: moléculas fuertemente unidas por enlaces covalentes a la cadena

polipeptídica, como, por ejemplo, el grupo hemo en los citocromos, el grupo hemino en las peroxidasas, etc.

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Proteínas

Regulación de la Actividad

Al ser proteínas, poseen una conformación natural más estable que las demás conformaciones posibles. Así, cambios en la conformación suelen ir asociados en cambios en la actividad catalítica. Los factores que influyen de manera más directa sobre la actividad enzimática son:

1.- pH.- las enzimas poseen grupos químicos ionizables (-COOH, -NH2, -SH, imidazol, etc.) en las cadenas R de sus aa. Según

el pH del medio, estos grupos pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o neutra. Como la conformación de las proteínas depende, en parte, de sus cargas eléctricas, habrá un pH en el cual la conformación será la más adecuada para la actividad catalítica (pH óptimo)

La mayoría de las enzimas son muy sensibles a los cambios de pH: desviaciones de pocas décimas por encima o por debajo del pH óptimo pueden afectar drásticamente su actividad. Como ligeros cambios del pH pueden provocar la desnaturalización proteica, los seres vivos han desarrollado sistemas más o menos complejos para mantener estable el pH intracelular: tampones fisiológicos

2.- Temperatura.- en general, los de temperatura aceleran las reacciones químicas: por cada 10ºC de , la velocidad

de reacción se duplica. Las reacciones catalizadas por enzimas siguen esta ley general. Sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta temperatura, se empiezan a desnaturalizar por el calor. La temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima se llama temperatura óptima

Por encima de esta temperatura, el de velocidad de la reacción debido a la temperatura es contrarrestado por la pérdida de actividad catalítica debida a la desnaturalización térmica, y la actividad enzimática decrece rápidamente hasta anularse.

3.- Cofactores.- son sustancias no proteicas que colaboran en la catálisis. Pueden ser iones inorgánicos (Fe2+, Mg2+,

Mn2+, Zn2+). Casi un tercio de las enzimas conocidas requieren cofactores. Cuando el cofactor es una molécula orgánica se llama coenzima. Muchos de estas coenzimas se sintetizan a partir de vitaminas.

4.- Concentración de Sustrato.- la velocidad de una reacción enzimática depende de la concentración de sustrato.

Además, la presencia de los productos finales puede hacer que la reacción sea más lenta, o incluso invertir su sentido

5.- Presencia de Inhibidores.- son moléculas que pueden inhibir la acción catalítica de una enzima. Hay dos tipos:

Inhibidores Competitivos Inhibidores No Competitivos

Ocupan temporalmente el centro activo de la enzima por semejanza estructural con el sustrato original

Alteran la conformación espacial de la enzima, impidiendo su unión al sustrato

Ve

locid

ad

pH

pH

óptimo

Ve

locid

ad

Tª

Tª

óptimo

Ve

locid

ad

Tiempo

[S]

[S]

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6.- Modulación Alostérica.- existen enzimas que pueden adoptar 2 conformaciones interconvertibles llamadas R

(relajada) y T (tensa). R es la forma más activa porque se une al sustrato con más afinidad. Las formas R y T se encuentran en equilibrio R T.

Las sustancias que estabilizan la forma R son los moduladores positivos, el propio sustrato es a menudo un modulador positivo. Las moléculas que favorecen la forma R pero que actúan sobre una región de la enzima distinta del centro activo son los activadores alostéricos.

Las sustancias que favorecen la forma T y disminuyen la actividad enzimática son los moduladores negativos. Si estos moduladores actúan en lugares distintos del centro activo de la enzima se llaman inhibidores alostéricos.

7.- Modificación Covalente.- hay enzimas pasan de una forma menos activa a otra más activa uniéndose

covalentemente a un grupo químico de pequeño tamaño como el Pi o el AMP. También puede ocurrir que una enzima muy activa se desactive al liberar algún grupo químico. En las enzimas de las vías catabólicas del metabolismo, la forma fosforilada es más activa que la no fosforilada, mientras que en las vías anabólicas ocurre lo contrario.

8.- Activación por proteólisis.- hay enzimas que no se sintetizan como tales, sino como proteínas precursoras sin

actividad enzimática (proenzimas o zimógenos). Para activarse, sufren un ataque hidrolítico que origina la liberación de uno o varios péptidos. El resto de la molécula proteica adopta la conformación y las propiedades de la enzima activa. Muchas enzimas digestivas se secretan en forma de zimógenos y en el tubo digestivo se convierten en la forma activa (-quimotripsina se sintetiza en forma de quimotripsinógeno). Si estas enzimas se sintetizasen directamente en forma activa destruirían la propia célula que las produce. Así, la tripsina pancreática (una proteasa) se sintetiza como tripsinógeno (inactivo), si por alguna razón se activa en el propio páncreas, la glándula sufre un proceso de autodestrucción (pancreatitis aguda), a menudo mortal.

9.- Isoenzimas.- son enzimas con distinta estructura molecular pero función biológica similar. Las diferencias de

estructura se traducen en ligeros cambios en sus propiedades, de forma que cada isoenzima se adapta perfectamente a la función que debe realizar. Así, podemos observar la existencia de isoenzimas en función de:

El tipo de tejido: la lactato deshidrogenasa presenta isoenzimas distintas en músculo y corazón. El compartimento celular donde actúa: la malato deshidrogenasa del citoplasma es distinta de la de la mitocondria. El momento concreto del desarrollo del individuo: algunas enzimas de la glucolisis del feto son diferentes de las

mismas enzimas en el adulto.

Mecanismo de Acción

En las reacciones espontáneas, los productos finales tienen menos energía libre de Gibbs que los reactivos. Por tanto, en las reacciones espontáneas se libera energía de Gibbs (G<0). Sin embargo, el comienzo de la reacción requiere un aporte inicial de energía, esta energía inicial que hay que suministrar a los reactivos para que la reacción transcurra se llama energía de activación (Ea).

Cuanto menor es la Ea más fácilmente transcurre la reacción. La acción de las enzimas consiste en la Ea. Las enzimas son catalizadores especialmente eficaces, ya que disminuyen la Ea aún más que los catalizadores inorgánicos.

Para que una reacción química tenga lugar, las moléculas de los reactivos deben chocar con una energía y una orientación adecuadas. La actuación de la enzima permite que los sustratos se unan a su centro activo con una orientación óptima para que la reacción se produzca y modifica las propiedades químicas del sustrato unido a su centro activo, debilitando los enlaces existentes y facilitando la formación de otros nuevos

Reacción sin catalizar Reacción Catalizada

Hay dos modelos sobre la forma en que el sustrato se une al centro activo del enzima:

R R

R R

T T

TT

En

erg

ía

Recorrido

H

Ea

S

P

S

En

erg

ía

Recorrido

H

ES

E + P

E + S Ea’

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Proteínas

Modelo llave-cerradura Modelo del ajuste inducido

Supone que la estructura del sustrato y la del centro activo son complementarias, de la misma forma que una llave encaja en una cerradura. Este modelo es válido en muchos casos, pero no es siempre correcto.

En algunos casos, el centro activo adopta la conformación idónea sólo en presencia del sustrato. La unión del sustrato al centro activo de la enzima desencadena un cambio conformacional que da lugar a la formación del producto.

Cinética Enzimática

Estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Proporciona información directa acerca del mecanismo de la reacción catalítica y de la especificidad de la enzima.

La velocidad de una reacción catalizada por una enzima puede medirse con relativa facilidad, ya que en muchos casos no es necesario purificar o aislar al enzima. La medida se realiza siempre en las condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia de cofactores, etc., y se utilizan concentraciones saturantes de sustrato. En estas condiciones, la velocidad de reacción observada es la velocidad máxima (Vmax). La velocidad puede determinarse bien midiendo la aparición de los productos o la desaparición de los reactivos.

Al seguir la velocidad de aparición de producto (o de desaparición del sustrato) en función del tiempo se obtiene la cinética de la reacción.

A medida que la reacción transcurre, la velocidad de acumulación del producto va porque se va consumiendo el sustrato de la reacción. Para evitar esta complicación se procede a medir la velocidad inicial de la reacción (v0), que es igual a la pendiente de la

curva de avance a tiempo cero. Así, la medida de v0 se realiza antes de que se consuma el 10% del total del sustrato, se considera la [S] como constante a lo largo del experimento.

En estas condiciones no es necesario considerar la reacción inversa, ya que la cantidad de producto formada es tan pequeña que la reacción inversa apenas ocurre.

Así se simplifican enormemente las ecuaciones de velocidad.

Para estudiar la cinética enzimática se mide el efecto de la concentración inicial de sustrato sobre la velocidad inicial de la reacción, manteniendo la cantidad de enzima constante.

Cuando [S] es pequeña, la v es directamente proporcional a la [S], y por tanto, la reacción es de primer orden. A altas [S], el enzima se encuentra saturada por el sustrato, y la velocidad ya no depende de [S]. En este punto, la reacción es de orden cero y la velocidad es máxima (Vmax)

Modelo de Michaelis – Menten

Para explicar la relación observada entre la v0 y la [S]0, Michaelis y Menten propusieron que las reacciones catalizadas enzimáticamente ocurren en dos etapas: en la primera etapa se forma el complejo enzima-sustrato y en la segunda, el complejo enzima-sustrato da lugar a la formación del producto, liberando el enzima libre:

E + S

K1→

K2

← ES

K3→ E + P

k1, k2 y k3 son las constantes cinéticas individuales de cada proceso (constantes microscópicas de velocidad). Según esto, podemos afirmar que:

v1 = k 1 [E] [S] v2 = k 2 [ES] v3 = k3 [ES]

Se puede distinguir entre enzima libre (E) y enzima unido al sustrato (ES), de forma que la concentración total de enzima, [ET], constante a lo largo de la reacción, es: [ET] = [E] + [ES]

[E] = [ET] - [ES]

v1= k1 [S] [ET] - k1 [S] [ES]

Ve

locid

ad

[S]

[P]

Tiempo

[co

nce

nta

ció

n]

Tiempo

[S]

[ES]

[E]

[P]

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Biología _ 2º Bachillerato

Este modelo cinético adopta la hipótesis del estado estacionario: la concentración del complejo E-S es pequeña y constante a lo largo de la reacción. Por tanto, la velocidad de formación del complejo enzima-sustrato es igual a la de su disociación:

v1 = v2 + v3

Además, como [ES] es constante, la velocidad de formación de los productos es constante: v = v3 = K3 [ES] = constante

Como v1 = v2 + v3, podemos decir que:

K1 [S] [ET] - K1 [S] [ES] = K2 [ES] + K3 [ES] [ES] =

[ET] · [S]

Km + [S] → Km=

K2 + K3

K1

En el estado estacionario, la velocidad de formación del producto es:

v = v3 = K

3 [ES] = K

3·[ET] · [S]

Km + [S]

Para cualquier reacción enzimática, [ET], K3 y Km son constantes:

A concentraciones de sustrato pequeñas: [S] << Km

v = K3·[ET]

Km· [S]

Como [ET], K3 y Km son constantes, pueden englobarse en una nueva constante, k’, de forma que la expresión queda reducida a:

v = K' · [S]

La reacción es un proceso cinético de primer orden A concentraciones de sustrato elevadas: [S] >> Km

v = k3 [ET] La velocidad de reacción es independiente de la [S], y por tanto, la reacción es un proceso cinético de orden cero. Además, tanto k3 como [ET] son constantes, podemos definir un nuevo parámetro, la velocidad máxima de la reacción (Vmax):

Vmax = k3 [ET] Es la velocidad que se alcanzaría cuando todo el enzima disponible se encuentra unido al sustrato.

Si introducimos el parámetro Vmax en la ecuación general de la velocidad,obtenemos la expresión más conocida de la ecuación de Michaelis-Menten:

V = V

MÁX · [S]

Km+ [S]

Hay enzimas que no obedecen la ecuación de Michaelis-Menten. Se dice que su cinética no es Michaeliana. Esto ocurre con las enzimas alostéricas, cuya gráfica v frente a [S] no es una hipérbola, sino una sigmoide. En la cinética sigmoidea, pequeñas variaciones en la [S] en una zona crítica (cercana a la Km) se traduce en grandes variaciones en la velocidad de reacción.

La Km es la constante de Michaelis-Menten, es un parámetro cinético importante:

Es la concentración de sustrato para la cual la velocidad de reacción es la mitad de la velocidad máxima

Km = [S] v = VMáx

2

El valor de Km da idea de la afinidad de la enzima por el sustrato: Km, afinidad, y viceversa Si Km es grande, el complejo ES es inestable pues predomina la tendencia a destruirlo (poca afinidad hacia el sustrato), y si Km es pequeña, el complejo ES es estable, ya que predomina la tendencia a formarlo (gran afinidad hacia el sustrato)

Ve

locid

ad

[S]

Bárbara Cánovas Conesa

637 720 113 www.clasesalacarta.com 13

Proteínas

La Km del sustrato natural es menor que la de los sustratos análogos. Si dos sustratos de la misma enzima tienen distinta Km, el que presente Km tiene afinidad por la enzima, y la reacción transcurre siempre a velocidad que con el sustrato de menor Km, salvo a concentraciones saturantes de sustrato, donde la v = VMÁX

Los valores de Km de muchas enzimas son próximos a los de la concentración fisiológica de sus sustratos, de

forma que pequeñas variaciones en la [S] pueden suponer grandes cambios en la velocidad de toda una ruta metabólica

La representación gráfica de la ecuación de Michaelis-Menten (v0 frente a [S] 0) es una hipérbola. La VMÁX corresponde al valor máximo al que tiende la curva experimental, y la KM corresponde a la [S] a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la VMÁX

Para determinar gráficamente los valores de KM y VMÁX es más sencillo utilizar la representación doble recíproca (1/v0 frente a 1/[S]0), ya que es una línea recta. Esta representación doble recíproca recibe el nombre de representación de Lineweaver-Burk. Es una recta en la cual:

Pte: KM

VMáx Abscisa en el origen: -

1

KM Ordenada en el origen :

1

VMáx

De esta forma, a partir de los datos experimentales se puede calcular gráficamente, los valores de KM y VMÁX de una enzima para diversos sustratos

Inhibidor Competitivo Inhibidor No Competitivo

V

[S]

VMÁX

KM

1 / V

1/[S]

1 / VMÁX

-1 / KM

1 / V

1/[S]

1 / VMÁX

[I] 1 / V

1/[S]-1 / KM

[I]