Aminoácidos

Molécula de C, H, O, N con un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo amino (-NH₂) unidos al mismo carbono alfa (no tiene que ver con ser alfa o beta). Sólidos, cristalinos, alto punto de fusión, solubles en agua, actividad óptica, comportamiento anfótero. Existen 20 aminoácidos diferentes según su radical.

Propiedades de los aminoácidos

• Carácter anfótero (cuando están disueltos): Pueden ionizarse según el pH, se pueden comportar como un ácido (captando H⁺) o como una base (liberando H⁺). Es muy importante porque ayudan a neutralizar variaciones de pH.
• Punto isoeléctrico: pH específico de cada aminoácido para el que tienen una carga neta 0, cargas positivas = negativas.
• Cada aminoácido tiene un carbono alfa el cual es asimétrico (excepto glicina porque su radical es un H) y puede formar 2 isómeros espaciales con distinta configuración espacial:
  • D: Si el –NH₂ está hacia la derecha.
  • L: Si el –NH₂ está hacia la izquierda.

Los L son los que forman parte de las proteínas de los seres vivos (algún D en pared bacteriana).

• Actividad óptica: al tener carbono asimétrico, algunos aminoácidos pueden desviar el plano de la luz polarizada: hacia la derecha (dextrógiros, +) y hacia la izquierda (levógiros, -).
• La presencia de grupos polares permite la formación de puentes de hidrógeno (+ punto de fusión, + solubilidad).
• Hay algunos aminoácidos esenciales, que no podemos sintetizar y debemos ingerir.

Enlace Peptídico

Enlace que une a los aminoácidos para formar péptidos y proteínas.

Proceso de formación

• Se unen dos aminoácidos.
• El enlace es entre el C del (-COOH) de un aminoácido y el N del (-NH₂) del siguiente aminoácido.
• Se libera una molécula de H₂O.
• Hidrólisis: rompe este enlace. Enzimas hidrolíticas: pepsina (rompe en trozos grandes las proteínas/péptidos), erepsinasas (rompe en trozos más pequeños), tripsina/quimotripsina (libera los aminoácidos).

Características del enlace peptídico

• Enlace covalente, C y N comparten electrones.
• Enlace amida ya que se establece a través de un -NH₂, grupo amino.
• Presenta dos formas mesómeras (una ionizada), y carácter parcial de doble enlace.
• Los átomos que forman este enlace están en el mismo plano, rotan todos a la vez.
• Se realiza en los ribosomas, catalizado por el enzima peptidiltransferasa.

Estructura de una Proteína

Para que la proteína sea funcional, debe adquirir una configuración espacial determinada.

Estructura Primaria

Es la secuencia de aminoácidos que obtenemos en los ribosomas mediante el mensaje genético.

• Extremo N-Terminal: aminoácido con el grupo –NH₂ libre.
• Extremo C-Terminal: aminoácido con el grupo –COOH libre.

Estructura Secundaria

Puentes de hidrógeno entre el O del grupo CO de un aminoácido y el H del grupo amino de otro aminoácido.

• α-Hélice

  Cuando los H y O tienen posición opuesta, la cadena se gira helicoidalmente, se crean puentes de hidrógeno cada 4 aminoácidos que estabilizan esta estructura. Los radicales se quedan hacia el exterior y no intervienen, por eso, esta estructura la pueden adquirir todas las proteínas.

• Hoja Plegada/Lámina β

  Configuración en forma de hélice extendida. Los H y O se unen mediante puentes de hidrógeno para dar estabilidad y los radicales se disponen por encima y por debajo del plano, por lo que suelen ser cortos. Las láminas pueden tener igual dirección u opuesta.

Estructura Terciaria

Estructura secundaria plegada. Algunas ya son funcionales con esta estructura. Hay dos tipos:

• Globular

  Su estructura secundaria α-Hélice se pliega en forma de esfera. Son “solubles” (dispersiones coloidales) en el agua y disoluciones salinas. Tienen funciones metabólicas, de transporte, enzimáticas, hormonales… Son estables gracias a los puentes de hidrógeno, puentes de disulfuro (entre grupos tiol –SH) y fuerzas de Van der Waals.

• Filamentosa

  Su estructura secundaria Lámina β se retuerce ligeramente en forma alargada. Son insolubles en agua y disoluciones salinas, no forman dispersiones coloidales debido a su gran masa molecular y su forma alargada. Tienen funciones estructurales, ejemplo: queratina, elastina y colágeno.

Estructura Cuaternaria

No se pliega la estructura terciaria, se asocia. Cada una se llama protómero. Ejemplo: hemoglobina.

Enzimas

Biocatalizador (capaz de regular la velocidad de las reacciones químicas orgánicas) de naturaleza fundamentalmente proteica que intervienen en procesos como el metabolismo celular. Los enzimas de origen proteico se componen de uniones de aminoácidos, así que, se sintetizan según las indicaciones del ADN. Las ribozimas, enzimas no proteicos, no; ya que no son proteínas.

Características de los enzimas

• Naturaleza proteica, excepto los ribozimas.
• Son globulares, “solubles” en agua ya que las reacciones bioquímicas se realizan allí.
• Pueden actuar a nivel intracelular o extracelular.
• Son específicas, cada enzima cataliza un tipo de reacción química muy concreta.
• Actúan a temperatura ambiente, no aumentan la temperatura ya que las proteínas se desnaturalizarían.
• No se alteran, por lo que, se pueden reutilizar.
• No hacen posible una reacción que termodinámicamente no sea favorable.
• No desplazan la constante de equilibrio; a partir de un reactivo se consigue la misma cantidad de producto, pero en menos tiempo.
• Disminuyen la energía de activación, energía que rompe los enlaces de los reactivos (sustratos) y forma los de los productos.
• Actúan en cantidades muy pequeñas.

• Algunos forman complejos enzimáticos, conjunto de enzimas (y coenzimas) que catalizan reacciones. Ejemplo: Complejo de Piruvato deshidrogenasa.
• Algunos necesitan la activación de otros enzimas o iones conocidos como proenzimas. Ejemplo: pepsinógeno (inactivo) → pepsina (activo).

Estructura de los Holoenzimas

Proteína + parte no proteica.

• Apoenzima

  Parte proteica (=holoproteína). CENTRO DE FIJACIÓN + CENTRO CATALÍTICO = CENTRO ACTIVO

• Cofactor

  Parte no proteica (no es que active, es que los tienen). ACTIVADORES INORGÁNICOS, oligoelementos. ACTIVADORES ORGÁNICOS, ayudan al perfecto funcionamiento del enzima:

  • Grupos prostéticos: Muy unidos al enzima. Ejemplo: grupo Hemo de los citocromos.
  • Coenzimas: Ayudan al enzima a realizar su función. No están unidos al enzima, sino asociados. No son específicos, pueden actuar con un enzima o con otro mientras sea redox. Se alteran durante la reacción, pero se regeneran.

Regulación de la actividad enzimática

Hay varios factores que influyen a la hora de regular la actividad enzimática.

• Temperatura y pH: Todas las proteínas tienen pH y temperatura óptimos, para los cuales funcionan con su máxima eficacia. Si estos valores se alteran, los enzimas pueden no funcionar perfectamente o desnaturalizarse; el centro activo se rompería y dejarían de funcionar.
• Concentración del sustrato: A mayor concentración de sustrato, mayor velocidad de reacción, mayor probabilidad de encontrarse con el enzima, pero llega un momento en que todos los enzimas estarán ya unidos a un sustrato y hacen falta más enzimas.
• Activadores: Iones que favorecen la unión del enzima con el sustrato (cofactor).
• Inhibidores: Disminuyen la actividad y eficacia del enzima o impiden su funcionamiento.
  • Irreversible: Se fija permanentemente al enzima e impide que funcione.
  • Reversible: Impide temporalmente su funcionamiento.
    • Competitiva: El inhibidor tiene una forma similar al sustrato, confunde al enzima.
    • No competitiva: El inhibidor no tiene una forma similar al sustrato. Puede impedir la fijación del sustrato o la liberación de los productos.

Mecanismo general de la catálisis enzimática

Transformación de moléculas: Sustrato – Enzima → Productos → Sustrato → Productos – Enzima

Se necesita un paso intermedio en el que el sustrato se active. Se llama complejo activado y necesita una energía de activación, rompe los enlaces de los reactivos y forma los de los productos. Los enzimas catalizan la reacción disminuyendo la E_activación, rebajan el esfuerzo de romper los enlaces, no aumentando la temperatura.

Formas en las que actúan los enzimas

• Fijándose mediante enlaces covalentes al sustrato: debilitan sus enlaces y usan – E_activación.
• Atrayendo a las sustancias reaccionantes: favorece su encuentro y la reacción se produce más fácilmente.

Modelos de actividad enzimática

• LLAVE-CERRADURA: El sustrato encaja perfectamente en el centro activo.
• MANO-GUANTE (de ajuste inducido): El centro activo se ajusta (un poco) a la forma del sustrato.

Centro Activo

Parte concreta de la estructura de la enzima que tiene una disposición espacial adecuada para la colocación del sustrato y está formado por aminoácidos de fijación y aminoácidos catalíticos.

Centro de fijación: conjunto de aminoácidos cuya función es establecer enlaces débiles con el sustrato para sujetarlo.

Vitaminas

Moléculas orgánicas, muchas de las cuales son necesarias para el funcionamiento de los enzimas.

Vitaminas Liposolubles

Se disuelven en lípidos, no en agua ni disolventes orgánicos.

• VITAMINA A (isoprenoide, diterpeno)

  • Participa en el proceso de percepción visual. Forma parte de la rodopsina (es un pigmento visual que convierte el impulso luminoso en nervioso).
  • Ayuda al mantenimiento de los epitelios y forma el colágeno de los huesos.

• VITAMINA K (isoprenoide, diterpeno)

  • Sintetiza la protrombina (proteína plasmática que participa en la coagulación).
  • Es un coenzima de reacciones de descarboxilación.
  • Favorece la absorción de lípidos en el intestino.

• VITAMINA E (isoprenoide, diterpeno)

  • Es antioxidante: Evita la oxidación de los ácidos grasos insaturados que están en los lípidos de las membranas celulares. Interviene en el metabolismo de lípidos.
  • Es un cofactor que ayuda en la cadena de transporte de electrones.

• VITAMINA D (esteroide)

  • Favorece la absorción intestinal de Ca y P, y la correcta mineralización ósea.

Vitaminas Hidrosolubles

Se disuelven en agua (transporte), pero no en lípidos.

• VITAMINA C

  • Participa en la síntesis de colágeno.
  • Es antioxidante.
  • Estimula la absorción intestinal del hierro. Participa en el metabolismo del hierro.
  • Acción reguladora de las hormonas antiestrés.
  • Acelera la coagulación sanguínea.

• VITAMINA B1

  • Es un coenzima que participa en el ciclo de Krebs en reacciones de descarboxilación y transferencia de grupos aldehído.

• VITAMINA B2

  • Forma parte de dos coenzimas: FAD (flavin adenin dinucleótido) y FMN (flavin mononucleótido) que intervienen en reacciones red-ox del metabolismo celular.

• VITAMINA B3

  • Forma parte de los coenzimas: NAD (nicotina adenín dinucleótido) y NADP (nicotina adenín dinucleótido fosfato).
  • Actúan en reacciones red-ox del metabolismo celular.

• VITAMINA B5 (ácido pantoténico)

  • Forma parte del coenzima A.
  • Interviene con enzimas transportadores de grupos acilo en la beta-oxidación.

• VITAMINA B6

  • Es un coenzima de enzimas transaminasas (muy importante en el metabolismo de las proteínas).

Enzimas Alostéricos

Enzimas capaces de cambiar su conformación al unirse un modulador alostérico. Son enzimas proteicos, globulares…

Características de los enzimas alostéricos (diferencias)

• Constituidos por protómeros (subunidades que forman las proteínas con estructura cuaternaria).
• Cada protómero tiene dos centros:
  • Centro Activo o zona de unión con el sustrato para ser catalizado.
  • Centro Regulador, zona donde se une un modulador para regular la reacción.
• Se necesita una molécula (además del sustrato) llamada modulador o ligando colocada en el centro regulador que tendrá una función positiva o negativa sobre la reacción.
  • ACTIVACIÓN: el modulador es positivo, así que, favorece el funcionamiento del enzima. Cuando se coloca en el centro regulador, hace que el enzima modifique la estructura de su centro activo para que el sustrato se pueda unir a él y la reacción se produzca más rápido.
  • INHIBICIÓN: el modulador es negativo, así que, frena el funcionamiento del enzima. Cuando se coloca en el centro regulador, hace que el enzima modifique la estructura de su centro activo y el sustrato no pueda acceder a él. Por consiguiente, la reacción no se realiza. (Muchas veces el producto final es el que actúa como inhibidor para evitar que se forme más).
• El enzima está activo cuando el centro activo está accesible para el sustrato e inactivo cuando el centro activo está inaccesible para el sustrato.
• Actúan en sistemas enzimáticos, donde se activan y desactivan en función de sus necesidades gracias a moduladores que los regulan.

(Un enzima no es lo mismo que un catalizador. Un catalizador acelera las reacciones químicas, pero un enzima es biocatalizador, esto quiere decir que acelera reacciones químicas de los seres vivos).

Preguntas Frecuentes

El colágeno es una proteína de aspecto blanquecino que forma parte de estructuras resistentes como los tendones. Al hervir el colágeno se obtiene gelatina que es una sustancia muy blanda. Explique razonadamente la causa de este cambio.

Como es una proteína tiene un valor de temperatura óptimo y unos márgenes por encima o por debajo de los cuales se desnaturaliza. Al hervir estamos aumentando mucho la temperatura y el colágeno se desnaturaliza, pierde su configuración estructural.

¿Qué relación existe entre la actividad enzimática y las vitaminas?

Las vitaminas son precursores de coenzimas de las enzimas.

¿Qué es la desnaturalización? ¿Qué factores influyen?

La desnaturalización es la pérdida de la estructura tridimensional de una proteína, lo que generalmente implica la pérdida de su función. Factores que influyen: Temperatura, agitación intensa, polaridad del disolvente, alteración de la concentración y la fuerza iónica, pH.

¿Qué puede ser un aminoácido no proteico?

Neurotransmisores o precursores de vitaminas.

¿Qué enlaces estabilizan a las proteínas?

• Puentes de hidrógeno: Grupos polares no iónicos en los que existen cargas parciales en su cadena lateral.
• Atracciones electrostáticas: Enlaces iónicos entre grupos de carga opuesta.
• Puentes de disulfuro: Enlace covalente entre dos grupos tiol (-SH).
• Fuerzas de Van der Waals: Grupos polares, enlace débil.

Relacione la solubilidad.

Las proteínas filamentosas NO son solubles, las globulares realizan dispersiones coloidales debido a su gran peso molecular. Su solubilidad dependerá de si sus radicales son o no más polares.

Tras la desnaturalización de una proteína y por lo tanto, su pérdida de funcionalidad y configuración en el espacio, ¿Puede volver a funcionar? ¿Qué enlaces se rompen en la desnaturalización?

Los enlaces que NO se rompen son los peptídicos, es decir, pierde su configuración espacial y se queda con su estructura primaria (secuencia lineal de aminoácidos). Podrá RENATURALIZARSE dependiendo del grado de desnaturalización sufrido y el tiempo que ha pasado.

Explique razonadamente la variación de la actividad catalizadora de la enzima.

Conforme incrementamos la temperatura de 5ºC a 37ºC (aprox) y suministramos calor a las moléculas, estas aumentan su movilidad y el número de encuentros moleculares entre sí, por lo que aumenta la velocidad de la reacción.

A partir de la Tª óptima (37ºC aprox) se dificulta la unión específica y la velocidad de la reacción disminuye. A partir de ese punto, además la enzima se desnaturaliza perdiendo progresivamente su actividad.

Indique si una vez superados los 50ºC se recupera la actividad enzimática.

La proteína queda desnaturalizada al ser sometida a ciertos factores como las temperaturas elevadas. En estos casos, por lo general, la pérdida es irreversible y aunque descienda la temperatura, la enzima ya no recuperará su estructura tridimensional nativa. (Solamente será reversible si se somete a factores desnaturalizantes durante poco tiempo y baja intensidad).

¿Qué estructuras se verán afectadas?

Estructura secundaria, terciaria y cuaternaria.

¿Qué otro factor sería similar?

pH.

Enzima: Biocatalizador que disminuye la energía de activación y aumenta la velocidad de las reacciones químicas. Todos los enzimas (a excepción de los ribozimas) son de naturaleza proteica. Los enzimas tienen tres tipos de aminoácidos (estructurales, de fijación y catalíticos). Se unen por enlaces peptídicos, y como características generales, los enzimas no se consumen durante la reacción y tienen alta especificidad.

Cofactor: Parte no proteica de las holoenzimas. Puede ser inorgánico (oligoelementos) u orgánico (coenzimas o grupos prostéticos).

Coenzima: Cofactores orgánicos (parte no proteica) de las holoenzimas. A diferencia de los enzimas, se alteran y luego se regeneran y no son específicos.

Holoenzima: Enzimas que tienen una parte proteica (apoenzima) y parte no proteica (cofactor).

Centro activo: Pequeña región del enzima que contiene los componentes moleculares por los que se une al sustrato y en su caso, al grupo prostético. Está constituido por el centro de fijación y el centro catalítico. Debe de tener una disposición espacial tridimensional característica.

¿Qué diferencia hay entre los enzimas y los coenzimas?

Los coenzimas son cofactores orgánicos de las holoenzimas que se alteran en la reacción y luego se regeneran y no son específicos, a diferencia de los enzimas que no se alteran y son altamente específicos.