Las Enzimas: Propiedades y Factores de Actividad

Las enzimas, como proteínas, tienen como propiedad la especificidad:

• Absoluta: actúan con un determinado sustrato.
• De grupos: actúan sobre un determinado grupo de moléculas.
• De clases: dependen del tipo de enlace.

La fórmula se puede definir como el número de recambio o unidad estándar de la actividad enzimática. Existen diversos factores que afectan a la actividad enzimática:

• La temperatura: al aumentar la temperatura aumenta la actividad enzimática, ya que al aumentar la temperatura aumenta la movilidad de las moléculas y esto permite que la enzima encuentre más rápido al sustrato; pero si aumentara mucho, la enzima se desnaturaliza.
• pH: si variamos mucho el pH, la enzima se desnaturaliza; cada enzima tiene, por tanto, un pH óptimo.
• Inhibidores: sustancias que inhiben la actividad enzimática. Pueden ser beneficiosos (actúan como fármacos) o pueden ser perjudiciales.

Tipos de Inhibición

• Inhibición irreversible (envenenamiento): el inhibidor se une permanentemente al centro activo y lo inutiliza.
• Inhibición reversible: no se utiliza el centro activo de forma permanente, sino que solo se impide temporalmente su funcionamiento.
  • Competitiva: el inhibidor se parece al sustrato hasta el punto de que se une al centro activo.
  • No competitiva: no se une al centro activo, pero se fija a la enzima impidiendo que el sustrato tenga acceso al mismo.

Enzimas Alostéricas y Regulación

Las enzimas alostéricas son enzimas que pueden tener dos estados. Se une específicamente a la enzima, de forma no covalente, a un centro regulador que es distinto al centro activo. La unión del modulador al centro regulador provoca un cambio conformacional que puede aumentar la actividad de la enzima o disminuirla.

1. Inhibición por retroinhibición o feedback: la enzima que cataliza la primera reacción es una enzima alostérica, que tiene como modulador negativo el producto final de la ruta.
2. Regulación por inducción enzimática: en muchas ocasiones el propio sustrato actúa como modulador positivo o activador.

Aumento de la Eficacia de las Rutas Metabólicas

1. La compartimentalización celular: la célula es capaz de separar procesos mediante las membranas.
2. Complejos multienzimáticos: conjuntos de enzimas que permanecen físicamente unidas y pasan el sustrato de unas a otras.
3. Inclusión en la membrana: enzimas incluidas en la membrana que permiten una interacción más rápida.
4. Activación de precursores.

Estructura del ADN y Ácidos Nucleicos

El ADN está formado por una cadena de desoxirribonucleótidos de adenina, timina, guanina y citosina. El ADN es una molécula vectorial 5′ → 3′ en donde los nucleótidos se unen por enlaces fosfodiéster; todas las moléculas presentan un extremo libre que no está unido a otros nucleótidos.

Niveles Estructurales del ADN

Estructura Primaria

(Secuencia lineal de nucleótidos). La secuencia de bases nitrogenadas es el elemento característico de la molécula de ADN y es donde reside la información genética.

Estructura Secundaria

(Doble hélice). Se establece el modelo de doble hélice mediante difracción de rayos X. Sus características son:

• El ADN está formado por dos cadenas de polinucleótidos enrolladas a lo largo del eje en forma helicoidal.
• Las bases nitrogenadas quedan enfrentadas perpendicularmente al eje.
• Es una estructura regular con 20 Å de diámetro.
• La estructura helicoidal se repite cada 10 nucleótidos (34 Å).
• Las dos cadenas permanecen unidas por puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas: A=T (2 puentes) y G≡C (3 puentes).
• Las dos cadenas son complementarias y antiparalelas (direcciones opuestas).

Desnaturalización del ADN

La estabilidad de la doble hélice se debe a los puentes de hidrógeno. Cuando la temperatura alcanza los 70-90 °C, se rompen los puentes y se separan las dos hebras, lo que constituye el punto de fusión del ADN. Este varía con la longitud de la molécula y la proporción de guanina y citosina. Si se enfría lentamente, recupera su forma inicial (renaturalización); si se enfría bruscamente, las cadenas se pliegan independientemente. También ocurre con pH extremos y agentes químicos como la urea.

Estructura Terciaria

En el núcleo, las moléculas de ADN están asociadas a proteínas globulares con carga positiva, formando la fibra de cromatina. Está formada por ADN e histonas que constituyen una secuencia de nucleosomas. Cada nucleosoma está formado por un octámero de histonas más ADN enrollado (estructura de 60 Å). Durante la división celular, la cromatina se empaqueta formando un solenoide y, finalmente, los cromosomas metafásicos.

ADN en Diferentes Organismos

• ADN Bacteriano: molécula de ADN bicatenario circular no asociado a histonas.
• ADN Virus: algunos pueden tener ARN. Puede ser lineal monocatenario, monocatenario cerrado, lineal bicatenario o bicatenario cerrado.

Composición Química de los Ácidos Nucleicos

Los Ácidos Ribonucleicos (ARN) son macromoléculas formadas por la polimerización de ribonucleótidos (no contienen timina). Históricamente, los experimentos de Griffith y Avery demostraron que el ADN era el factor transformante. Los ácidos nucleicos son polímeros de nucleótidos formados por:

1. Una pentosa: ribosa (ARN) o desoxirribosa (ADN).
2. Una base nitrogenada:
   • Púricas: Adenina y Guanina.
   • Pirimidínicas: Citosina, Timina (solo ADN) y Uracilo (solo ARN).
3. Ácido ortofosfórico.

Los nucleótidos presentan dos tipos de uniones: el enlace éster (C5 de la pentosa y fosfato) y el enlace N-glucosídico (C1 de la pentosa y base nitrogenada).

Nucleósidos y Derivados

Los nucleósidos se forman por la unión de una pentosa con una base nitrogenada (terminación -osina para púricas e -idina para pirimidínicas). Existen derivados de gran importancia biológica como el sistema ATP/ADP (transferencia energética), el AMP cíclico (mediador hormonal) y coenzimas como NAD, NADP y FAD.

Replicación del ADN

Los experimentos de Meselson y Stahl demostraron que la replicación es semiconservativa. Utilizando nitrógeno pesado (N15) y ligero, observaron la densidad de las bandas de ADN a través de las generaciones.

Mecanismo de Replicación

1. Desenrollamiento y apertura: la helicasa separa las cadenas rompiendo puentes de hidrógeno (consume ATP). Las topoisomerasas liberan la tensión de la hélice. Las proteínas SSB estabilizan las cadenas abiertas.
2. Polimerización: la ADN polimerasa III añade nucleótidos en dirección 5′ → 3′. Necesita un cebador (primer) de ARN sintetizado por la primasa.

La replicación es bidireccional y asimétrica:

• Hebra conductora: síntesis continua.
• Hebra retardada: síntesis discontinua mediante fragmentos de Okazaki.

Finalmente, la ADN polimerasa I elimina el cebador y la ligasa une los fragmentos.

Reparación del ADN

La ADN polimerasa tiene función autocorrectora (actividad exonucleasa) para revisar el apareamiento, aunque debido a la rapidez del proceso, pueden persistir errores.

Expresión Génica: Transcripción y Traducción

Transcripción (ADN a ARN)

• Iniciación: la ARN polimerasa se une al promotor con ayuda de la subunidad σ.
• Elongación: síntesis del ARNm en dirección 5′ → 3′.
• Terminación: se alcanza una señal de parada y el ARN se libera.

En procariotas, la transcripción y traducción son simultáneas (ARN policistrónico). En eucariotas, están separadas: la transcripción ocurre en el núcleo y el ARN debe ser procesado antes de ir al citoplasma.

Traducción (Biosíntesis de Proteínas)

1. Iniciación: la subunidad pequeña del ribosoma se une al ARNm en el codón AUG (metionina).
2. Elongación: formación de enlaces peptídicos y desplazamiento del ribosoma (translocación) consumiendo GTP.
3. Terminación: se reconocen los codones de parada (UAA, UAG, UGA) por factores de liberación.

Mutaciones Genéticas

Un gen es una unidad estable pero sujeta a cambios. Las mutaciones pueden ser germinales (heredables) o somáticas (no heredables). Son la base de la evolución y la selección natural.

Agentes Mutagénicos

• Radiaciones electromagnéticas: rayos UV, rayos X.
• Radiaciones corpusculares: flujos de protones y electrones (α y β).
• Sustancias químicas: análogos de bases.
• Otros: ultrasonidos, choques térmicos.

Clasificación de las Mutaciones

1. Mutaciones Genéticas o Puntuales

• Sustituciones: transiciones o transversiones. Pueden ser silenciosas si no cambian el aminoácido.
• Deleciones y adiciones: producen cambios en el marco de lectura.
• Transposiciones e inversiones: cambios de sitio o giro de segmentos.

2. Mutaciones Cromosómicas

Afectan a la estructura del cromosoma: deleciones, duplicaciones (mecanismo de aparición de nuevos genes), inversiones y translocaciones.

3. Mutaciones Genómicas

Afectan al número total de cromosomas:

• Euploidías: alteración en juegos completos (haploidía, poliploidía, autopoliploidía, alopoliploidía).
• Aneuploidías: pérdida o ganancia de cromosomas aislados.
  • Monosomías y Trisomías (Par 21: Síndrome de Down; Par 18: Síndrome de Edwards; Par 13: Síndrome de Patau).
  • Alteraciones sexuales: Síndrome de Klinefelter (44+XXY), Síndrome de Doble Y (44+XYY), Síndrome del Triple X.9