protein as, enzimas y acidos nucleicos

BIOMOLÉCULAS: PROTEÍNAS, ENZIMAS Y ÁCIDOS NUCLEICOS

PROTEÍNAS

Las proteínas son macromoléculas esenciales en la química de la vida. Son componentes estructurales de las células y tejidos, de modo que el crecimiento, la restauración y el mantenimiento del organismo dependen del abastecimiento adecuado de estas sustancias. Por su parte, algunas proteínas actúan como catalizadores o enzimas, moléculas especiales que regulan miles de diferentes reacciones químicas que ocurren en los seres vivos. En este módulo veremos además otras importantes funciones que cumplen estas moléculas fundamentales para la vida.

Los proteínas constitutivas 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. Por ejemplo, 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 muy poco de una especie a otra. Así, las proteínas presentes en las células de un perro no son demasiado diferentes en relación a las de un zorro o de un coyote. Se considera que el grado de diferencia entre las proteínas de distintas especies depende de las relaciones evolutivas. Los organismos escasamente relacionados tienen proteínas que difieren en forma más marcada que las de aquellos entre los cuales se establece una relación evolutiva más estrecha. De todos modos algunas proteínas 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 (hermanos gemelos o cepas de organismos cultivados en relación muy estrecha) presentan proteínas idénticas.

Funciones biológicas de las proteínasDescribir las funciones de las proteínas equivale a describir en términos moleculares

todos los fenómenos biológicos. Gracias a su gran hetereogeneidad estructural, las proteínas pueden asumir funciones muy variadas, de las cuales podemos destacar:

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), pero existen hormonas que no son proteínas (las hormonas sexuales y las hormonas producidas por la tiroides, entre otras).

Reconocimiento de señales químicas. La superficie celular alberga un gran número de proteínas encargadas del reconocimiento de compuestos químicos de muy diverso tipo: receptores de hormonas, de neurotransmisores, de anticuerpos, etc. En muchos casos, los ligandos que reconoce el receptor (hormonas y neurotransmisores) son también de naturaleza proteica y en otros casos son organismos (bacterias, virus).

Prof. Wilmer Paredes Fernández Página 1

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. Por otra parte en los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colágeno (una proteína fibrosa) 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 ADN que no identifica como propias. En los vertebrados superiores, las inmunoglobulinas (anticuerpos) 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 ADN y de esta forma controlan la transcripción génica. De esta forma el organismo se asegura 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 Los aminoácidos conforman las unidades estructurales de las proteínas. Su

composición elemental es carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y, a veces, azufre. Cada aminoácido contiene un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) unidos al mismo átomo de carbono, llamado carbono alfa y difieren entre sí en su grupo R o cadena lateral unida a este carbono alfa. La glicina, el aminoácido más simple, presenta un hidrógeno como grupo R o cadena lateral, la alanina un grupo metilo (CH3), la valina un grupo isopropilo, etc. De todos los aminoácidos posibles, sólo veinte se encuentran normalmente en las proteínas (aminoácidos naturales).

Los aminoácidos son sólidos cristalinos que al disolverse en una solución de pH neutro se comportan como iones dipolares, siendo esta la forma en que se comportan en el pH celular. El grupo amino (-NH2) acepta un protón hasta convertirse en -NH3

+ (ion amonio) y el grupo carboxilo dona un protón convirtiéndose en -COO- (carboxilato) disociado.

El carbono alfa de un aminoácido es un carbono asimétrico. Por tanto, cada aminoácido puede presentarse en dos isómeros ópticos distintos, las formas L y D. Sin embargo, los isómeros de aminoácidos presentes en 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 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 lo tanto son hidrófilas.

Además de los veinte aminoácidos naturales conocidos, algunas proteínas contienen otros aminoácidos menos comunes. 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 pocas 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


Hélice alfa

capacidades de biosíntesis, es decir que 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 químicamente 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 de polipéptido. El elaborado proceso por medio del cual se sintetizan polipéptidos se discutirá más adelante.

Un polipéptido contiene varias decenas, cientos o hasta miles de aminoácidos unidos en un orden lineal específico. A su vez, una proteína puede estar compuesta por una o varias cadenas de polipéptidos, de modo que puede formarse una variedad casi infinita de moléculas proteínicas, las cuales difieren entre sí en cuanto al número, tipo y secuencia (ordenamiento) de los aminoácidos que las conforman. Los veinte tipos de aminoácidos que se encuentran en las proteínas podrían considerarse como letras de un alfabeto, de manera que cada proteína sería una palabra formada por distintas letras.

Estructura de las proteínas: tipos Las cadenas de polipéptidos que forman una proteína se encuentran enrolladas o

plegadas en una conformación específica, tridimensional. Esta conformación determina la función de la proteína. Por ejemplo, la conformación 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 tipos de estructuras en una molécula proteica: primaria, secundaria, terciaria y hasta cuaternaria.

Estructura primariaLa secuencia, es decir el orden en que se disponen los aminoácidos en una cadena

polipeptídica, determina su estructura primaria. Esta secuencia se encuentra especificada en la información genética del organismo. La insulina, hormona secretada por el páncreas que se utiliza en el tratamiento de la diabetes, fue la primera proteína cuya secuencia de aminoácidos pudo determinarse. La insulina contiene 51 unidades de aminoácidos unidos en dos cadenas (una de 30 y otra de 21 aminoácidos) conectadas por puentes disulfuro (SS).

Estructura secundaria Las cadenas peptídicas no suelen encontrarse

aplanadas ni se pliegan al azar, sino que forman una estructura tridimensional específica, en general en forma de hélice o de otra estructura regular, disposición espacial que se conoce con el nombre de estructura secundaria.

Esta disposición 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. Una estructura secundaria que se observa con frecuencia en las moléculas de proteína es la llamada hélice alfa, que implica 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 mantiene estable


Láminaplegada

beta

mediante enlaces por puente de hidrógeno entre los aminoácidos en los giros sucesivos de la espiral. En la estructura alfa-helicoidal, los puentes de hidrógeno ocurren entre átomos de una misma cadena peptídica.

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. 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 resulta ser 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 NH están mejor orientados para una interacción óptima.

En la mayoría de las proteínas la estructura secundaria siempre tiene una porción que no es ni helicoidal ni laminar, denominada aleatoria (zonas de conexión). De este modo las 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 (mantenidos en el tiempo) 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 zonas adyacentes de la misma cadena de polipéptidos.

2. Atracción iónica entre los grupos R con cargas positivas y aquéllos con cargas negativas.

3. Interacciones hidrofóbicas 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 (-SS-), unen los átomos de azufre de dos cisteínas. 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 (proteínas multiméricas) presentan estructura cuaternaria: cada cadena tiene estructuras primaria, secundaria y terciaria y forma una molécula proteínica biológicamente activa al relacionarse las diferentes cadenas mediante la estructura cuaternaria adecuada.

La hemoglobina, proteína de los glóbulos rojos encargada del transporte de oxígeno, es un ejemplo de proteína globular con estructura cuaternaria. La hemoglobina es una proteína tetramérica 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, denominado anemia falciforme. Las moléculas de hemoglobina en una persona con anemia falciforme tienen el aminoácido valina en la posición 6, en vez de ácido glutámico, 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 (de ahí el nombre de falciforme, en forma de hoz).

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 hidrólisis destruye todas las estructuras, incluso la primaria y puede ser llevado a cabo en el laboratorio por la acción de enzimas, o por ácidos o álcalis concentrados a elevadas temperaturas.

LAS ENZIMAS, UN TIPO ESPECIAL DE PROTEÍNASLas enzimas son proteínas altamente especializadas que funcionan como 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 reguladoras que pueden responder a diversas señales metabólicas cambiando adecuadamente su actividad catalítica. La función de las enzimas reguladoras es la de coordinar 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 una enzima específica. 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).

Con la excepción de un pequeño grupo de moléculas de ARN catalítico (“ribozimas”), todas 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 (cuando la poseen) 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). Muchas enzimas no requieren ninguna otra sustancia para desarrollar su actividad. Otras 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. Cuando la coenzima o el ion metálico están unidos covalentemente a la proteína enzimática el conjunto se denomina grupo prostético.

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, algunas enzimas son modificadas por fosforilación, glucosilación y otros procesos. Gran parte de estas alteraciones intervienen en la regulación de la actividad enzimática.

El nombre de muchas enzimas se forma añadiendo el sufijo “asa” al 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


P

S

Estado de Transición

Energía de activación

Variación de energía (G) entre los estados basales de S y P

proceso de duplicación o replicación del ADN). Otras enzimas, tales como la pepsina y la tripsina (enzimas digestivas), tienen nombres que no hacen referencia a sus sustratos.

¿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 las 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 sin la presencia de enzimas.

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 La velocidad de una reacción catalizada enzimáticamente depende de:

a) La concentración de enzima.b) La concentración de sustrato.c) Las condiciones de reacción (pH, concentración de iones, temperatura, etc).

Se puede escribir una reacción enzimática sencilla (1) como:

E + S ES EP E + P (1)

Donde E, S y P representan enzima, sustrato y producto, respectivamente. ES y EP son complejos de la 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 una enzima es aumentar la velocidad de una reacción. Las enzimas 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 la actividad de la enzima.


No obstante, un equilibrio favorable no indica que la conversión S P sea rápida. Para que haya reacción las moléculas han de superar una barrera representada por la “colina” energética de la figura, que es el resultado de una serie de reacomodamientos que tienen que producirse en las moléculas participantes (alineamiento de los grupos reactivos, formación de cargas inestables transitorias, reordenamientos de enlaces, etc.)

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 es un momento molecular fugaz en el que acontecimientos tales como ruptura o la formación de un enlace y el 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, porque 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 la energía de activación.

Se puede ilustrar este principio general considerando la reacción de la glucosa con el O2

para formar CO2 y H2O, que representa los estados inicial y final del proceso de respiración que veremos más adelante.

Glucosa + Oxígeno Dióxido de carbono + agua

Esta reacción tiene una variación de energía libre muy grande, ya que el contenido de energía libre de la glucosa es notoriamente mayor que el de los productos, por lo que la reacción debería ser espontánea, es decir que la glucosa debería descomponerse rápidamente formando dióxido de carbono y agua. Sin embargo, se puede colocar glucosa en un recipiente con oxígeno de manera casi indefinida sin que reaccionen. En las células, en cambio, la glucosa es degradada rápidamente a CO2 y H2O en una ruta metabólica 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.

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 con respecto a las reacciones no enzimáticas. 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). 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.

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 debe posicionar estos grupos de forma precisa para que la energía de fijación en el estado de transición pueda ser óptima.


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 efectivas que pueden ocurrir al azar entre moléculas en solución son extremadamente raras. Como consecuencia de la presencia de la enzima, los sustratos se pueden alinear de forma precisa. Una multitud de interacciones débiles entre cada sustrato y grupos localizados de manera estratégica en la enzima mantienen juntas las moléculas de sustrato en las posiciones adecuadas.

Las enzimas están sujetas a inhibición reversible e irreversibleLas 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 ejerce su acción analgésica y antitérmica porque inhibe el primer paso de la síntesis de las prostaglandinas, que elevan 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. La farmacoterapia moderna hace uso de variados inhibidores competitivos para el tratamiento de algunas enfermedades, entre otras el SIDA y el mal de Alzheimer (demencia senil).

La actividad enzimática es afectada por diversos factoresLas 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 reguladorasEn el metabolismo celular es muy frecuente que haya grupos de enzimas que funcionan

conjuntamente en rutas formadas por varios pasos. En tales sistemas enzimáticos, el producto de la reacción catalizada por la primera enzima se convierte en el reactivo (sustrato) de la

siguiente, y así sucesivamente (A B C D E). En cada sistema de reacciones 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 no sólo se da 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 (en los ejemplos dados, insulina y colágeno, respectivamente).

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 que actúan en el proceso de síntesis de proteínas: ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosómico (ARNr).

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 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 -glucosa, respectivamente), los monómeros de los ácidos nucleicos son los nucleótidos, unidades moleculares que constan de: 1) un azúcar de cinco carbonos, ya sea desoxirribosa en el caso del ADN o ribosa 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


transcripciónn

traducción

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 ARNt 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 Además de su importancia como subunidades de los ácidos nucleicos, los nucleótidos

intervienen en otras importantes funciones celulares. 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 química 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 Módulo 9, el dinucleótido de adenina y nicotinamida (NAD) y el dinulcleótido de adenina y flavina (FAD) son muy importantes como receptores y donores de hidrógeno y electrones en funciones biológicas de oxidación y reducción en las células.

BIBLIOGRAFÍA

Cooper, G.M. (2002). La Célula. 2ª edición. Marbán Libros, S.L., España. (traducido de la 2ª edición inglesa, 2000).

Nelson D.L. y M.M. Cox (2001) "Lehninger Principios de Bioquímica", Ediciones Omega S.A. (versión española de la 3a. edición inglesa, Worth Publishers, New York).

Stryer L., J.M. Berg y J.L. Tymoczko (2003) “Bioquímica”. Ed. Reverté. 5a. edición.Lodish, H., A. Berk, S.L. Zipursky, P. Matsudaira, D. Baltimore & J. Darnell (2002). Biología

Celular y Molecular, Editorial Médica Panamericana,.Solomon, E.P., L. R. Berg, D.W. Martin (2001) “Biología”, McGraw-Hill Interamericana de

España, 5a edición.Curtis, H. y N.S. Barnes (2000) “Biología”. 6ª edición española. Editorial Médica Panamericana.Bohinsky, R.C. “Bioquímica” (1991) Addison-.Wesley Iberoamericana, 5a. Edición.Purves, K.W., D. Sadava, G.H. Orians & H.C. Heller (2003) “Vida. La Ciencia de la Biología”, 6ª.

Edición. Editorial Médica Panameicana (traducido de la 6ª edición inglesa, 2001).


R HO–C–CO.OH H (a)

R H2N–C–CO.OH H (b)

R H2N –C–CH2CO.OH H (c)

CUESTIONARIO TEÓRICO

1) Los aminoácidos (seleccione la opción correcta):a) son moléculas de alto peso molecular que poseen por lo menos un grupo amino y un grupo

carboxilo.b) Son moléculas de bajo peso molecular no ionizables.c) Poseen por lo menos un grupo amino y uno carboxilo, pudiendo presentar cadenas

laterales de diferente naturaleza química.d) son moléculas altamente hidrofóbicas, al igual que los triacilglicéridos, incapaces de

establecer uniones débiles con el agua.2) La carga eléctrica neta de los aminoácidos en solución:

a) es siempre positivab) es siempre negativac) depende del pH de la soluciónd) es nula, ya que no poseen grupos ionizables en su molécula

3) ¿Cuántos aminoácidos y de qué tipo intervienen en la formación de las proteínas?. Cómo se unen entre sí para formar las uniones peptídicas y qué átomos intervienen?. Los aminoácidos que intervienen en la unión peptídica pueden intervenir en la formación de puentes de hidrógeno?

4) ¿Cuáles de las siguientes fórmulas representan un - aminoácido?5) ¿Cuántos extremos -amino y -carboxilo libres existirán en:

a) un aminoácido?b) un decapéptido lineal?c) el antibiótico gramicidina, un decapéptido circular?d) una proteína formada por la asociación (no covalente) de cuatro cadenas polipeptídicas?

6) ¿Por qué los aminoácidos cuando están disueltos en agua forman estructuras dipolares (zwitterion o anfipáticas)?.

7) ¿Cuántas uniones peptídicas posee un octapéptido y por qué?8) ¿Cuál es el resultado probable de una alimentación deficiente en uno o más aminoácidos esenciales?.9) Mencione algunas de las funciones biológicas asociadas a las proteínas.10) ¿Cómo se llama el tipo de enlace que mantiene el orden lineal de los aminoácidos de una

proteína?. ¿Cómo se denomina este nivel de estructura? ¿A qué nivel estructural pertenece la unión de varias cadenas polipeptídicas para la formación de una proteína multimérica?.

11) Si el peso molecular promedio de los 20 aa es de 128, por qué cuando se quiere averiguar el número de residuos que constituyen a una proteína se divide el PM de la misma por 110?

12) Qué tipo de estructuras secundarias conoce? Que es un dominio?. Defina estructura terciaria. ¿Puede ser dicho término utilizado como sinónimo de dominio?

13) Discuta el siguiente párrafo: “la función de toda proteína está basada en el reconocimiento específico de la proteína a otra molécula. Este reconocimiento es tridimensional, y se ejerce a través de interacciones débiles, entre las cuales los puentes de hidrógeno son responsables prioritarios de la especificidad en la interacción”.

14) ¿Cuáles son las fuerzas más importantes que dirigen el plegamiento de una proteína en solución acuosa? y si la proteína (o parte de la misma) se encontrase en un medio hidrofóbico?. Justifique con ejemplos.

15) Analice el siguiente párrafo: “De todas las conformaciones posibles, una proteína adopta una única conformación denominada conformación nativa y es la conformación fisiológica más estable”. ¿Se está afirmando en dicho párrafo que la estructura nativa de una proteína es


rígida y que no sufre variación alguna mientras la misma es funcional?. ¿Respecto a las demás conformaciones posibles, todas serán inestables?

16) En una cadena polipeptídica, la posición de cada aminoácido se identifica con un número y la numeración se inicia en el aminoácido situado en el extremo amino-terminal. Contando con esa única información, puede asegurarse que en una proteína los aminoácidos que ocupan las posiciones 2 y 80 estarán espacialmente más alejados que los que ocupan las posiciones 2 y 20?

17) Cuál sería el efecto de una enzima sobre:a) La energía de activación de la reacción.b) La constante de equilibrio de la reacción.

18) ¿Cómo regula la célula la actividad enzimática?19) Cómo explicaría el enorme poder catalítico y la alta especificidad que presentan las enzimas?20) Indique todas las diferencias que existen entre las moléculas de ADN y ARN21) ¿Cuál es la razón de que el ADN esté compuesto de dos cadenas complementarias?22) ¿Qué tipo de unión se establece entre nucleótidos de una misma cadena?23) ¿A qué se denomina extremo 5’y 3’de una hebra de ADN?24) ¿Qué derivados de nucleótidos conoce y cuál es su importancia en la célula?25) Escriba la secuencia de bases de la hebra complementaria de una hebra de ADN cuya

secuencia es la siguiente: 5’-ATCCTAATGGAATGTCA-3’26) ¿Qué tipos de ARN conoce?. Explique brevemente la función de cada uno de ellos.


protein as, enzimas y acidos nucleicos

Documents