Mecanismos de Catálisis e Inhibición Enzimática
A. Procesos Fundamentales de la Actividad Enzimática
Proceso A: Reacción Enzimática
Una reacción enzimática ocurre cuando la enzima se une con el sustrato por el centro activo, formando el complejo enzima-sustrato. Se produce la catálisis y se liberan la enzima y los productos de la reacción.
Proceso B: Inhibición Enzimática
En una inhibición, la enzima, en presencia de su sustrato y de un inhibidor, se une con el inhibidor. Esto produce una modificación en el centro activo, impidiendo que el sustrato se pueda unir y, por lo tanto, que se lleve a cabo la reacción.
B. Inhibición Competitiva por Análogo de Sustrato
En este caso, la enzima está en presencia de su sustrato y un análogo. El análogo se une al centro activo de la enzima dada la similitud con el sustrato. De esta forma, dificulta la unión del sustrato con la enzima y, por lo tanto, se ralentiza la reacción.
La enzima, al no encontrarse a pH y temperatura óptimos, ralentiza su actividad, pudiendo incluso desnaturalizarse, anulándose así su acción.
C. Definiciones Clave en Enzimología
- Enzima: Proteína que acelera la velocidad de las reacciones metabólicas (biocatalizador).
- Centro Activo: Región de la enzima formada por los aminoácidos que se unen con el sustrato.
- Coenzima: Biomolécula orgánica que interviene en determinadas reacciones enzimáticas.
- Inhibidor: Sustancia que disminuye o anula la actividad enzimática.
- Energía de Activación: Energía que hay que suministrar a los reactivos para que la reacción química se produzca.
Estructura y Funciones de las Proteínas
A. Estructura de las Proteínas
La figura representa la estructura de una proteína. Se observan:
- Estructura en alfa-hélice: Mantenida por enlaces peptídicos y puentes de hidrógeno en zonas próximas de la cadena polipeptídica.
- Hoja plegada (Estructura beta-laminar): Plegamiento en zigzag.
B. Monómeros de las Proteínas: Aminoácidos
Los monómeros de las proteínas son los aminoácidos.
Fórmula General del Aminoácido
Debe mostrar el carbono alfa unido al grupo amino (–NH₂), al grupo carboxilo (–COOH), al hidrógeno y a un radical (R).
Clasificación de Aminoácidos según el Radical (R)
Atendiendo a la variedad de radicales, se pueden clasificar como:
- Neutros apolares (Hidrófobos): Alanina, Prolina.
- Neutros polares: Tirosina, Serina.
- Ácidos (polares con carga negativa): Ácido glutámico.
- Básicos (polares con carga positiva): Lisina.
Nota: También se acepta la clasificación general en ácidos, básicos, neutros, hidrófilos e hidrófobos.
C. Funciones Biológicas de las Proteínas
Las proteínas desempeñan múltiples funciones esenciales:
- Transporte: Hemoglobina.
- Enzimática (Catálisis): Pepsina.
- Contracción de células musculares: Miosina.
- Hormonal: Insulina.
- Inmunitaria: Inmunoglobulinas.
- Estructural: Queratina.
Niveles Estructurales y Propiedades de las Proteínas
A. Niveles de Organización Estructural
Las distintas conformaciones o estructuras de las proteínas son:
- Estructura Primaria: Secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.
- Estructura Secundaria: Plegamiento local (Hélice α y Lámina β).
- Estructura Terciaria: Disposición tridimensional de las estructuras secundarias.
- Estructura Cuaternaria: Asociación de dos o más cadenas polipeptídicas (subunidades).
Formación y Mantenimiento de las Estructuras
La estructura primaria se pliega por puentes de hidrógeno entre el esqueleto proteico, originando las estructuras secundarias (hélice α y lámina β). La disposición tridimensional de estas estructuras es mantenida mediante enlaces entre los radicales de los aminoácidos, dando lugar a la estructura terciaria. La asociación mediante enlaces débiles de dos o más cadenas polipeptídicas con estructura terciaria da lugar a la estructura cuaternaria.
Tipos de Estructura Secundaria
- Estructura alfa-hélice: Plegamiento de una cadena polipeptídica que forma una hélice dextrógira (3,6 aminoácidos por vuelta). Se mantiene por puentes de hidrógeno internos.
- Estructura beta-laminar u hoja plegada: Plegamiento en zigzag de dos cadenas polipeptídicas (paralelas o antiparalelas). Se establecen puentes de hidrógeno entre los esqueletos peptídicos.
Enlaces e Interacciones que Mantienen la Estructura
La conformación tridimensional se mantiene por:
- Puentes de hidrógeno: Entre los grupos CO y NH de los enlaces peptídicos.
- Interacciones electrostáticas: Entre grupos con carga eléctrica opuesta (ej. grupo carboxilo de ácidos glutámico/aspártico y grupo amino de arginina/lisina).
- Interacciones hidrofóbicas: Entre cadenas laterales apolares, que tienden a quedar en el interior.
- Puentes disulfuro: Enlaces covalentes entre los átomos de azufre de la cadena lateral de la cisteína.
B. Desnaturalización y Renaturalización
La desnaturalización consiste en la pérdida de la estructura nativa de la proteína cuando se rompen los enlaces y las interacciones que la mantienen (estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria). La estructura primaria (mantenida por enlaces covalentes) no se altera.
La renaturalización es la adquisición de nuevo de la estructura nativa. Tiene lugar cuando desaparece el agente desnaturalizante y se recuperan las interacciones que mantienen la estructura nativa.
La estructura nativa de una proteína es la única conformación tridimensional (terciaria o cuaternaria) en la que la proteína es biológicamente activa.
C. Especificidad y Comportamiento Anfótero
Especificidad de las Proteínas
La especificidad se basa en el elevado número de combinaciones posibles en la secuencia de aminoácidos, lo que determina su estructura nativa y su función. Las proteínas presentan especificidad a dos niveles: a nivel de función y a nivel de especie.
La especificidad está implicada en procesos como la actividad enzimática, el reconocimiento de antígenos y el reconocimiento de moléculas propias y extrañas de un organismo (fundamental para evitar el rechazo en trasplantes de órganos).
Comportamiento Anfótero
Las sustancias anfóteras (como los aminoácidos) pueden comportarse como ácidos o como bases, según el pH de la disolución acuosa en la que se encuentren. Esto permite amortiguar los cambios de pH, actuando como un sistema tampón natural. El comportamiento anfótero de los aminoácidos se debe a la capacidad que tienen los grupos carboxilo y amino para ionizarse.
D. Biocatalizadores y Vitaminas
A. Las Enzimas como Biocatalizadores
Todas las enzimas son biocatalizadores, moléculas que aceleran la velocidad a la que transcurren las reacciones químicas en el interior de las células. La mayoría de las enzimas son proteínas, aunque también existen algunas ribozimas, que son moléculas de ARN.
Características de las enzimas:
- Son moléculas solubles en agua.
- Intervienen en las reacciones a concentraciones muy bajas.
- Son altamente específicas (tanto en el tipo de transformación química como en el sustrato).
- Su función forma parte de rutas metabólicas.
- Su actividad es objeto de regulación.
B. Clasificación de las Vitaminas
Las vitaminas se clasifican según su solubilidad:
Vitaminas Hidrosolubles
- Se disuelven en agua debido a la naturaleza polar de sus moléculas.
- Son moléculas inestables que no se acumulan en el organismo.
- Su exceso se excreta a través de la orina; por ello, deben ingerirse diariamente.
Vitaminas Liposolubles
- Son insolubles en agua.
- Se disuelven en disolventes apolares, como grasas y aceites, debido a su naturaleza apolar.
- Son moléculas más estables.
- Se pueden almacenar en el tejido graso del organismo.