Las coenzimas son cofactores orgánicos no proteicos, termoestables, que unidos a una apoenzima constituyen la holoenzima o forma catalitica activa de la enzima. Tienen en general baja masa molecular (al menos comparada con la apoenzima) y son claves en el mecanismo de catálisis, por ejemplo, aceptando o donando electrones o grupos funcionales, que transportan de una enzima a otra.
A diferencia de las enzimas, las enzimas se modifican durante la reacción química al actuar como coenzima.
Más de la cuarta parte de todas las enzimas conocidas requieren cationes metálicos para tener actividad catalítica total. Estas enzimas se pueden dividir en dos grupos: enzimas activadas por metal y metaloenzimas. Las enzimas activadas por metal tienen necesidad absoluta de iones metálicos adicionales, o son estimuladas por adición de iones metálicos. Algunas de esas enzimas requieren cationes monovalentes, como y otras necesitan cationes divalentes, como o Por ejemplo, las cinasas requieren iones magnesio para el complejo magnesio-ATP que usan como el sustrato donador de grupo fosforilo. El magnesio protege a los grupos fosfato, con carga negativa, del ATP, y los hace más susceptible al ataque nucleofílico. Las metaloenzimas contienen iones metálicos firmemente unidos en sus sitios activos. Los iones que más se suelen encontrar en las metaloenzimas son de metales de transición como hierro y zinc, y con menos frecuencia cobre y cobalto.
Clasificación de las coenzimas
1. Las coenzimas de un tipo, llamadas cosustratos, con frecuencia en realidad son sustratos en reacciones catalizadas por enzimas. Un cosustrato se altera durante la reacción y se disocia del sitio activo. La estructura original del cosustrato se regenera en una reacción posterior, catalizada por otra enzima. El cosustrato se recicla en forma repetida dentro de la célula, a diferencia de un sustrato ordinario, cuyo producto, en el caso típico, sufre una transformación posterior. Los cosustratos llevan y traen grupos metabólicos entre distintas reacciones catalizadas por enzimas.
2. El segundo tipo de coenzima se llama grupo prostético.Un grupo prostético permanece unido a la enzima durante la reacción. En algunos casos, el grupo prostético se une en forma covalente a su apoenzima, en tanto que en otros casos está firmemente unido al sitio activo por muchas interacciones débiles. Igual que los residuos iónicos de aminoácido del sitio activo, un grupo prostético debe regresar a su forma original durante cada evento catalítico total, o la holoenzima no seguirá siendo catalíticamente activa. Los coCada especie viviente usa coenzimas en una cantidad variada de reacciones importantes catalizadas por enzimas.
La mayor parte de esas especies son capaces de sintetizar sus coenzimas a partir de precursores simples. sustratos y los grupos prostéticos son parte del sitio activo de las enzimas. Suministran grupos reactivos que no están disponibles en las cadenas laterales de los residuos de aminoácido.
- Principales Coenzimas
FAD (flavín-adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones.
FNM (flavín mononucleótido): transferencia de electrones y protones.
NAD+(nicotín-adenín dinucleótido): transferencia de electrones y protones.
NADP+ (nicotín-adenín dinucleótido fosfato):
Coenzima A: transferencia de grupos acetilo (por ejemplo, en la descarboxilación del ácido pirúvico) y de grupos acilo en general.
Coenzima Q: transferencia de electrones en la cadena respiratoria.
Coenzima B12: transferencia de grupos metilo o hidrógenos entre moléculas.
TPP (pirofosfato de tiamina): transferencia de grupos aldehído; forma parte, entre otros, del complejo piruvato deshidrogenasa.
Vitamina C.
PLP (fosfato de piridoxal): transferencia de grupos amino.
PMP (fosfato de piridoxamina): transferencia de grupos amino.
FH4 (ácido tetrahidrofólico): transferencia de grupos formilo, metenilo y metileno.
Biocitina: transferencia de dióxido de carbono.
Ácido lipoico: transferencia de hidrógenos, grupos acilo y metilamina.
Las enzimas son catalizadores biológicos selectivos de una eficiencia extraordinaria. Toda célula viva dispone de cientos de enzimas distintas que catalizan las reacciones esenciales para la vida. Estas catalizan las reacciones de las rutas metabólicas centrales, necesarias para mantener la vida. Las reacciones catalizadas por las enzimas son de 10^3 a 10^20 veces más rápidas que las mismas sin catalizar. Las enzimas son muy específicas para los reactivos o sustratos sobre los que actúan, y varía el grado de especificidad hacia el sustrato. Algunas enzimas actúan sobre un grupos po de sustratos relacionados y otras sólo sobre un simple compuesto. Muchas enzimas poseen especificidad, ya que sólo actúan sobre un estereoisómero del sustrato. Quizá el aspecto más importante de la especificidad de una enzima es la especificidad de reacción, esto es, la falta de formación de subproductos como desperdicios. La especificidad de reacción se refleja en la pureza excepcional del producto (100% en esencia) mucho mayor que la pureza de productos de reacciones típicas catalizadas en química orgánica. La especificidad de las enzimas no sólo ahorra energía a las células sino que también evita la formación de productos metabólicos potencialmente tóxicos.
Las propiedades principales de las enzimas son:
Pueden desempeñarse como catalizadores.
Catalizan reacciones muy específicas.
Pueden acoplar reacciones.
Su actividad puede ser regulada.
Un comité de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB, de International Union of Biochemistry and Molecular Biology) mantiene un esquema de clasificación que asigna categorías a las enzimas de acuerdo con la clase general de reacción química orgánica que es catalizada. Las seis categorías son:
1. Las oxidorreductasas catalizan las reacciones de oxidación-reducción. La mayor parte de esas enzimas se llaman, en general, deshidrogenasas.
2. Las transferasas catalizan las reacciones de transferencia de un grupo y pueden necesitar la presencia de coenzimas. En las reacciones de transferencia de grupo, una parte de la molécula del sustrato se suele enlazar en forma covalente con la enzima o con su coenzima.
3. Las hidrolasas catalizan hidrólisis. Son una clase especial de transferasas donde el agua sirve como aceptor del grupo transferido.
4. Las liasas catalizan la lisis de un sustrato, al generar un enlace doble; son reacciones de eliminación, no hidrolíticas y no oxidantes. En dirección inversa, las liasas catalizan la adición de un sustrato a un doble enlace de un segundo sustrato. Una liasa que cataliza una reacción de adición en las células es frecuentemente llamada sintasa.
5. Las Isomerasas catalizan cambios estructurales dentro de una misma molécula (reacciones de isomerización). Como estas reacciones sólo tienen un sustrato y un producto son de las reacciones enzimáticas más simples.
6. Las ligasas catalizan la ligadura o unión de dos sustratos. Estas reacciones necesitan un suministro de energía potencial química de un nucleósido trifosfato, como el ATP. Las ligasas son usualmente llamadas sintetasas.
Se han demostrado propiedades que determinan a la actividad enzimatica de la siguiente manera:
A. La cinética química examina la relación entre la cantidad de producto (P) que se forma en una unidad de tiempo ( [P]/ t) y las condiciones experimentales bajo las que se efectúa la reacción. La base de la mayor parte de las mediciones cinéticas es la observación de la rapidez, o velocidad (v), de una reacción, la cual varía en forma directa con la concentración de cada reactante. Esta observación se expresa en una ecuación de velocidad.
La ecuación de velocidad refleja que la velocidad de una reacción depende de la concentración del sustrato ([S]). El símbolo k es la constante de velocidad e indica la velocidad o la eficiencia de una reacción. Cada reacción tiene una constante de velocidad diferente. Las unidades de la constante de velocidad para una reacción simple son s 1. Al avanzar una reacción, la cantidad de producto ([P]) aumenta y la cantidad de sustrato ([S]) disminuye. . La velocidad es la pendiente de la curva durante determinado intervalo de tiempo. La forma de las curvas indica que la velocidad decrece respecto al tiempo, lo cual era de esperarse.
B. La cinética enzimática fue el descubrimiento de que las enzimas se unen en forma transitoria a los sustratos, resultado de la investigación de la cinética enzimática. Emil Fischer, en 1894, propuso que una enzima presenta una plantilla rígida, o cerradura, y que el sustrato es la llave que le corresponde. Sólo los sustratos específicos se pueden ajustar a determinada enzima. Los primeros estudios de cinética enzimática confirmaron que una enzima (E) se une a un sustrato para formar un complejo enzima-sustrato (ES). Los complejos ES se forman cuando los ligandos se unen de manera no covalente a sus lugares adecuados en el sitio activo. El sustrato reacciona en forma transitoria con la proteína catalizadora (y con otros sustratos, en una reacción multisustratos) para formar el producto de la reacción.
Esta reacción se efectúa en dos pasos distintos: la formación del complejo enzimasustrato y la reacción química actual, acompañada por la disociación del producto. Cada paso transcurre con una velocidad característica. La velocidad total de una reacción enzimática depende de las concentraciones tanto del sustrato como del catalizador (la enzima). Cuando la cantidad de enzima es mucho menor que la cantidad de sustrato, la reacción depende de la cantidad de enzima.
- Ecuación de Michaelis-Menten
Michaelis y Menten propusieron un modelo simple para explicar la mayoría de las reacciones catalizadas por enzimas. En este modelo la enzima se combina reversiblemente con su substrato para formar el complejo enzima-sustrato (ES) que subsecuentemente se rompe para formar el producto, hecho que regenera a la enzima. El modelo para una molécula de sustrato se muestra a continuación:
endonde:S es el substrato
E es la enzima
ES es el complejo enzima substrato o complejo de Michaelis y Menten
k1,k-1 y k2 son las constantes de velocidad de la reacción.
- Inhibición reversibles de las enzimas
Un inhibidor de enzima (I) es un compuesto que se enlaza con una enzima e interfiere con su actividad. Los inhibidores pueden actuar evitando la formación del complejo ES o bloqueando la reacción química que lleva a la formación del producto. Por regla general, los inhibidores son moléculas pequeñas que se unen en forma reversible con la enzima que inhiben. La mayor parte de la inhibición de relevancia biológica es reversible. Los inhibidores reversibles se unen a las enzimas con las mismas fuerzas no covalentes que enlazan a sustratos y productos. El equilibrio entre la enzima libre (E) más el inhibidor (I) y el complejo EI se caracteriza por una constante de disociación.
Los tipos básicos de inhibición reversible son competitiva, acompetitiva y no competitiva. Se pueden diferenciar de manera experimental por sus efectos sobre el comportamiento cinético de las enzimas.
A. Inhibición competitiva
Los inhibidores competitivos son los que se encuentran con más frecuencia en bioquímica. En la inhibición competitiva, el inhibidor sólo se puede unir a moléculas de enzima libre que no estén unidas a sustrato alguno. La formación de un complejo EI quita a la enzima de su ruta normal. Cuando un inhibidor competitivo se une con una molécula de enzima, una molécula de sustrato no puede unirse a esa molécula de enzima. Al revés, la unión de sustrato y una molécula de enzima evita el enlazamiento de un inhibidor. Cuando están presentes tanto I como S en una solución, la proporción de la enzima que puede formar complejos IS depende de las concentraciones de sustrato e inhibidor y de sus afinidades relativas hacia la enzima. La cantidad de EI se puede reducir aumentando la concentración de S. A concentraciones suficientemente altas, la enzima puede estar saturada con sustrato.
E + I Δ EI Kd = Ki = [E][I]
B. Los inhibidores acompetitivos sólo se unen al ES y no a la enzima libre. En la inhibición acompetitiva disminuye la Vmáx (aumenta 1/Vmáx) por conversión de algunas moléculas de E en la forma inactiva ESI. Ya que es el complejo ES el que se enlaza con I y la disminución de Vmáx no se revierte por la adición de más sustrato. También, los inhibidores acompetitivos hacen descender la Km (vista como un aumento del valor absoluto de 1/Km en una gráfica de doble recíproco) ya que los equilibrios de formación de ES y de ESI son desplazados hacia los complejos, por la unión de I.
C. Los inhibidores no competitivos se pueden unir a la E o al ES y formar complejos inactivos EI o ESI, respectivamente. Esos inhibidores no son análogos del sustrato y no se enlazan en el mismo sitio que el S. El caso clásico de inhibición no competitiva se caracteriza por una disminución aparente de Vmáx (1/Vmáx parece aumentar) sin cambiar de la Km.
- Enzimas Alostericas
Las enzimas alostericas son enzimas cuyas propiedades son afectadas por cambios en la estructura. Los cambios estructurales son ocasionados por interacción con moléculas pequeñas. Con frecuencia, las enzimas alostéricas no presentan cinética clásica de Michaelis-Menten debido a su unión cooperativa del sustrato, como el caso de la hemoglobina, que no es enzima.
Los moduladores alostéricos se unen a las enzimas en un sitio distinto al sitio activo y alteran la actividad enzimática. Hay dos modelos, el modelo concertado y el modelo secuencial, que describen la cooperatividad de las enzimas alostéricas. La modificación covalente, por lo general fosforilación, de ciertas enzimas reguladoras también puede regular la actividad enzimática.
- Mecanismos Enzimáticos
Los mecanismos enzimáticos se representan con el mismo simbolismo que el usado en química orgánica para representar la ruptura y la formación de enlaces químicos. Estas pueden ser las siguientes:
A. Sustituciones Nucleofilicas: Un nucleófilo tiene una carga negativa o un par de electrones no compartido. Suele imaginarse que el nucleófilo ataca al electrófilo, y al mecanismo se le llama ataque nucleofílico, o sustitución nucleofílica. En la química mecanicista, el movimiento de un par de electrones se representa con una flecha curva que apunta desde los electrones disponibles en el nucleófilo hacia el centro electrofílico.
B. Reacciones de Ruptura: En estas rescciones los enlaces covalentes se pueden romper de dos maneras: dos electrones permanecen con un átomo, o un electrón puede permanecer con cada átomo enlazado. En la mayor parte de las reacciones, ambos electrones están en un átomo, por lo que se forman un intermedio iónico y un grupo saliente. Por ejemplo, la ruptura de un enlace C—H casi siempre produce dos iones. Si el átomo de carbono retiene ambos electrones, el compuesto que lo contiene se transforma en un carbanión.
C. Reacciones de Oxido-Reducción: Las reacciones de oxido-reducción son fundamentales en el suministro de energía biológica. En una reacción de oxido-reducción (o reacción redox), los electrones de una especie se transfieren a otra. La oxidación es la pérdida de electrones: una sustancia que es oxidada tendrá menos electrones cuando se termine la reacción. La reducción es la ganancia de electrones: una sustancia que gana electrones en una reacción es reducida. Las reacciones de oxidación y reducción siempre suceden en forma simultánea. Un sustrato es oxidado y el otro es reducido. Un agente oxidante es una sustancia que produce una oxidación: toma electrones del sustrato que es oxidado. Así, los agentes oxidantes ganan electrones (es decir, se reducen). Un agente reductor es una sustancia que dona o cede electrones (y en el proceso se oxida).
- Modos químicos de la catálisis enzimática
La formación de un complejo ES coloca a los reactivos en la cercanía de residuos de aminoácidos del sitio activo de la enzima. Las cadenas laterales ionizables participan en dos clases de catálisis química: catálisis ácido-base y catálisis covalente. Son los dos modos químicos principales de catálisis.
A. Residuos de aminoácidos en sitios activos: La cavidad del sitio activo en una enzima en general está cubierta con residuos hidrofóbicos de aminoácidos. Sin embargo, también en el sitio activo hay unos pocos residuos polares, ionizables (con algunas moléculas de agua). Los residuos polares de aminoácidos (o a veces coenzimas) tienen cambios químicos durante la catálisis enzimática. Esos residuos forman gran parte del centro catalítico de la enzima.
B. Catálisis Acido-Base: En la catálisis ácido-base, la aceleración de una reacción se debe a la transferencia catalítica de un protón. Esta catálisis ácido-base es la forma más común de catálisis en química orgánica, y también es común en las reacciones enzimáticas. Las enzimas que la hacen se basan en cadenas laterales de aminoácido que pueden donar y aceptar protones en las condiciones de pH neutro de las células. Este tipo de catálisis ácido-base, donde intervienen agentes de transferencia de protones, se llama catálisis ácido-base general. (La catálisis por H u OH se llama catálisis ácida específica, o catálisis básica específica). De hecho, los sitios activos de estas enzimas son el equivalente biológico de una solución de ácido o base.
C. Catalisis covalente: En la catálisis covalente se une un sustrato en forma covalente a la enzima y se forma un compuesto intermedio reactivo. La cadena lateral que reacciona de la enzima puede ser un nucleófilo o un electrófilo. La catálisis nucleofílica es más común. En el segundo paso de la reacción se transfiere una porción del sustrato del compuesto intermedio a un segundo sustrato.
D. Influencia del pH sobre las velocidades de reacción enzimática: El efecto del pH sobre la velocidad de reacción de una enzima puede indicar cuáles residuos ionizables de aminoácido están en su sitio activo. La sensibilidad al pH suele reflejar una alteración en el estado de ionización de uno o más residuos que participan en la catálisis, aunque a veces se afecta la unión con el sustrato. Con mayor frecuencia, una gráfica de velocidad de reacción contra pH es una curva con forma de campana, siempre que la enzima no se desnaturalice cuando se altere el pH.
Medicamentos farmaceuticos de gran importancia en este tema
- Acetazolamida
La acetazolamida es un inhibidor de la enzimaanhidrasa carbónica y se usa en Medicina como un diurético y en el tratamiento del glaucoma, epilepsia, hipertensión intracraneal benigna, mal de montaña, cistinuria y ectasia ductal. La acetazolamida está disponible en forma genérica.
- Digernoflat
Es un medicamento digestivo enzimático, colerético y antiflatulento que su principal mecanismo es el alivio sintomático de las alteraciones digestivas, como pesadez abdominal o diarreas grasosas asociadas a insuficiencia pancreática exócrina crónica y síntomas provocados por exceso de gas en el tubo digestivo. Preparación del paciente para exámenes por imágenes abdominopelvianas (radiológicos y/o ecográficos). - Polienzim 100
Es un Preparado digestivo enzimático, antiflatulento, proquinético. - Tratamientos terapéuticos con enzimas Esta forma de terapia, se basa en la administración de una enzima específica a un paciente, para producir una mejoría progresiva en el mismo; el principal problema relacionado con este método, es la respuesta inmunológica del organismo la cual inactiva al compuesto incorporado. Además, si el destino de una enzima o de un producto obtenido por métodos enzimáticos es su administración a un paciente, resulta evidente que el preparado debe contener las menores cantidades posibles de material extraño para evitar efectos secundarios.
Productos Médicos y Farmacéuticos
La mayoría de los procesos biotecnológicos tradicionales como la obtención de yogur, la producción de cerveza o la fermentación de la uva para fabricar vino, son realizados por las enzimas que cada microorganismo produce para su particular metabolismo. Sin embargo también es posible realizar los procesos biotecnológicos con las enzimas, en ausencia de los microorganismos.
Las enzimas presentan muchísimas aplicaciones y su utilización en el ámbito industrial se lleva a cabo desde hace muchos años.
En el siguiente esquema se mencionan algunas aplicaciones industriales de las enzimas:
USOS DE LAS ENZIMAS
A diferencia de otros usos industriales para las enzimas, las aplicaciones médicas y farmacéuticas de las mismas requieren generalmente pequeñas cantidades de enzimas muy purificadas. Esto se debe a que si el destino de una enzima o de un producto obtenido por métodos enzimáticos es su administración a un paciente, resulta evidente que el preparado debe contener las menores cantidades posibles de material extraño para evitar probables efectos secundarios.
Uno de los productos obtenidos mediante el uso de enzimas son los aminoácidos.
Si bien se pueden sintetizar empleando un proceso químico, el resultado es una mezcla de dos tipos distintos (D y L isómeros).
Puesto que solamente el L-isómero es biológicamente activo, la mezcla debe ser separada en sus dos componentes. (Utilizadas para el Control de neoplasmas.)
Además de aminoácidos, las enzimas son utilizadas para la producción de antibióticos semi-sintéticos. Las penicilinas semisintéticas son los principales productos farmacéuticos obtenidos por tecnología enzimática.
También se utilizan enzimas en la producción de esteroides. Los esteroides se utilizan en un gran número de preparados farmacéuticos (por ejemplo en los antinflamatorios), por lo que los procesos empleados en la producción de estas sustancias presentan una considerable importancia económica.
Las enzimas se aplican en 3 áreas importantes de interés: terapia enzimática, usos analíticos y producto de compuestos farmacéuticos.
A diferencia de otros usos en la industria para las enzimas, tanto en lo farmacéutico también necesitan pequeñas cantidades de enzimas pero estas necesitan estar bien purifica.
En parte, esto refleja el hecho de que para que una enzima sea efectiva, solo debe modificarse el o los compuestos de interés contenidos en un fluido o tejido fisiológico complejo.
Estructura Tridimensional y Funcional de las Proteínas
Las proteínas son moléculas formadas por aminoácidos que están unidos por un tipo de enlaces conocidos como enlaces peptídicos. El orden y la disposición de los aminoácidos dependen del código genético de cada persona. Una proteína puede ser una sola cadena polipeptídica o puede estar formada por varias de esas cadenas unidas entre sí por interacciones débiles.
Las moléculas individuales de proteína se pueden describir mediante hasta cuatro niveles de estructura. Las secuencias de aminoácidos siempre se escriben desde el amino terminal (N-terminal) hasta el carboxilo terminal C- (C-terminal). La estructura tridimensional de una proteína se describe con tres niveles adicionales: estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. Las fuerzas que mantienen, o estabilizan, estos tres niveles son no covalentes, de manera primordial. La estructura secundaria se refiere a las regularidades en las conformaciones locales mantenidas por puentes de hidrógeno entre los hidrógenos de amida y los oxígenos de carbonilo en la columna vertebral del péptido. Las estructuras secundarias principales son las hélices a y las hebras b (incluyendo las láminas a). Se acostumbra representar las regiones helicoidales a con dibujos que muestran las estructuras de proteínas plegadas; las hebras b se representan con flechas anchas que apuntan desde la dirección N-terminal hacia la C-terminal. La estructura terciaria describe la cadena polipeptídica totalmente plegada y compactada. Muchos polipéptidos plegados consisten en varias unidades distintas unidas por un tramo corto de residuos de aminoácidos; a dichas unidades se les conoce como dominios. Las estructuras terciarias se estabilizan por las interacciones de cadenas laterales de aminoácidos en regiones no vecinas de la cadena polipeptídica. La formación de la estructura terciaria acerca partes lejanas de las estructuras primaria y secundaria. Algunas proteínas poseen estructura cuaternaria, que implica la asociación de dos o más cadenas polipeptídica en una multisubunidad, o proteína oligomérica u oligómera. Las cadenas polipeptídicas de una proteína oligómera pueden ser idénticas o distintas.
Las estructuras tridimensionales de biopolímeros como las proteínas pueden determinarse por cristalografía de rayos X y espectroscopia de RMN.
Conformación de enlaces peptidicos
la estructura de las proteínas comienza con la de los enlaces peptídicos, o enlaces de péptido, que unen a los aminoácidos en una cadena polipeptídica. Los dos átomos que intervienen en el enlace peptídico, junto con sus cuatro sustituyentes (el átomo de oxígeno carbonílico, el átomo de hidrógeno de amida y los dos átomos adyacentes de carbono a) constituyen el grupo peptídico. Los análisis cristalográficos de pequeños péptidos con rayos X revelan que el enlace entre el carbono carbonílico y el nitrógeno es más corto que un enlace sencillo típico C—N, pero más largo que los dobles enlaces C= N típicos. Además, el enlace entre el carbono carbonílico y el oxígeno es un poco mayor que el doble enlace típico C =O. Esas mediciones indican que los enlaces peptídicos tienen ciertas propiedades del enlace doble y se pueden representar mejor como un híbrido de resonancia.
La hélice α
La conformación helicoidal a fue propuesta por Linus Pauling y Robert Corey en 1950. Tuvieron en cuenta las dimensiones de los grupos peptídicos, las posibles restricciones estéricas y las oportunidades de estabilización por formación de puentes de hidrógeno. Su modelo explicó la principal repetición observada en la estructura de la c-queratina, una proteína fibrosa. Sucede que esta repetición de 0.50 a 0.55 nm es el paso (la distancia axial por cada vuelta) de la hélice a. Max Perutz agregó otros apoyos a la estructura al observar una unidad repetitiva secundaria de 0.15 nm en la figura de difracción de rayos X de la queratina a. Esta repetición de 0.15 nm corresponde a la elevación o subida de la hélice a (la distancia que cada residuo en la hélice avanza a lo largo de su eje). Perutz también demostró que la hélice a estaba presente en la hemoglobina y con ello confirmó que esta conformación existe en proteínas globulares más complejas.
Hebra ß y Laminas ß
La otra estructura secundaria común se llama estructura ß, una clase que incluye a hebras ß y láminas ß. Las hebras B son partes de la cadena polipeptídica que se encuentran casi totalmente extendidas. Cada residuo en una hebra b ocupa de 0.32 a 0.34 nm de la longitud total, en contraste con la espiral compacta de una hélice a, donde cada residuo corresponde a 0.15 nm de la longitud general. Cuando se ordenan varias hebras ß lado a lado forman láminas ß, estructura que propusieron originalmente Pauling y Corey cuando desarrollaban el modelo teórico de la hélice a. Las proteínas casi nunca contienen hebras b aisladas porque la estructura en sí no es mucho más estable que otras conformaciones. Sin embargo, las láminas ß se hallan estabilizadas por puentes de hidrógeno entre los oxígenos carbonílicos y los hidrógenos de amida en hebras ß adyacentes. Así, en las proteínas, las regiones de estructura ß casi siempre se encuentran en láminas. Las hebras ß con puentes de hidrógeno pueden estar en cadenas separadas de polipéptidos o en diferentes segmentos de la misma cadena. Las hebras ß en una lámina pueden ser paralelas (con la misma dirección de N a C-terminal) o antiparalelas (con direcciones opuestas de N a C-terminal). Cuando las hebras b son antiparalelas, los puentes de hidrógeno son casi perpendiculares a las cadenas extendidas del polipéptido. En el ordenamiento paralelo, los puentes de hidrógeno no son perpendiculares a las cadenas extendidas y cada residuo forma puentes de hidrógeno con los grupos carbonilo y amida de dos residuos diferentes en la cadena adyacente. Las láminas paralelas son menos estables que las antiparalelas, quizá porque los puentes de hidrógeno están distorsionados en el ordenamiento paralelo. A veces, a la lámina ß se le llama lámina B plegada ya que los grupos peptídicos planos se encuentran entre sí formando ángulos como en el plisado de un acordeón. El resultado de los ángulos de enlace entre grupos de péptidos es que las cadenas laterales de aminoácido apuntan arribßa y abajo, alternadamente, del plano de la lámina. Una lámina ß típica contiene desde dos hasta 15 hebras individuales. Cada hebra está constituida por un promedio de seis residuos de aminoácido.
a) Lámina b paralela. Los puentes de hidrógeno están a distancias uniformes, pero están inclinados.
Aminoácidos y La Estructura Primaria de las Proteínas
Los aminoácidos son compuestos orgánicos que se combinan para formar proteínas. Los aminoácidos y las proteínas son los pilares fundamentales de la vida.
Las funciones biológicas de las proteínas son las siguientes:
1. Muchas proteínas actúan como enzimas, los catalizadores bioquímicos. Las enzimas catalizan casi todas las reacciones que suceden en los organismos vivos.
2. Algunas proteínas se unen con otras moléculas para su almacenamiento y transporte. Por ejemplo, la mioglobina se enlaza con el oxígeno en las células de los músculos esquelético y cardiaco, mientras que la hemoglobina se une y transporta al O2 y al CO2 en los glóbulos rojos.
3. Algunas proteínas, como la tubulina, actina y colágena, proporcionan soporte y forma a las células, y en consecuencia a los tejidos y los organismos.
4. Los conjuntos de proteínas pueden efectuar trabajo mecánico, como el movimiento de flagelos, la separación de cromosomas en la mitosis y la contracción de los músculos.
5. Muchas proteínas desempeñan un papel en la descodificación de la información celular. Algunas intervienen en la traducción, mientras que otras juegan un papel en la regulación de la expresión genética al unirse a los ácidos nucleicos.
6. Algunas proteínas son hormonas que regulan las actividades bioquímicas en las células o los tejidos blancos; otras proteínas sirven como receptores de las hormonas.
7. Algunas proteínas desarrollan funciones muy especializadas. Por ejemplo, los anticuerpos defienden a los vertebrados contra infecciones bacterianas y víricas, y las toxinas, que producen algunas bacterias, matan organismos mayores.
Todos los organismos emplean los mismos 20 aminoácidos como bloques constructivos para armar las moléculas de proteína. A estos 20 aminoácidos se les llama aminoácidos comunes, estándar o normales. A pesar de la poca cantidad de los aminoácidos, se puede obtener una variedad enorme de distintos polipéptidos al unir los 20 aminoácidos comunes para formar distintas combinaciones. Los aminoácidos se llaman así porque son derivados aminados de ácidos carboxílicos. En los 20 aminoácidos comunes, los grupos amino y carboxilo están unidos al mismo átomo de carbono: el átomo de carbono a. Así, todos los aminoácidos estándar que contienen las proteínas son a-aminoácidos. Al carbono a se unen otros dos sustituyentes: un átomo de hidrógeno y una cadena lateral (R) que es única para cada aminoácido. En los nombres químicos de los aminoácidos, los átomos de carbono se identifican con números que comienzan en el átomo de carbono del grupo carboxilo. [El nombre químico correcto, o nombre sistemático, se apega a reglas establecidas por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, de International Union of Pure and Applied Chemistry) y la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB, de International Union of Biochemistry and Molecular Biology)
Las estructuras de los 20 aminoácidos que suelen encontrarse en las proteínas se muestran en las figuras siguiente:
A. Grupos Alifáticos
La glicina (Gly, G) es el aminoácido más pequeño porque su grupo R no es más que un átomo de hidrógeno; en consecuencia, el carbono a de la glicina no es quiral. Los dos átomos de hidrógeno del carbono ade la glicina imparten poco carácter hidrofóbico a la molécula. Después habrá oportunidad de comprobar que la glicina desempeña un papel único en la estructura de muchas proteínas porque su cadena lateral es lo bastante pequeña como para tener cabida en nichos en los que a otros aminoácidos les resultaría imposible hacerlo.
Hay cuatro aminoácidos: alanina (Ala, A), valina (Val, V), leucina (Leu, L) y el isómero estructural de la leucina, isoleucina (Ile, I), que tienen cadenas laterales alifáticas saturadas. La cadena lateral de la alanina es un grupo metilo, mientras que la valina presenta una cadena lateral ramificada con tres carbonos, y la leucina y la isoleucina contienen una cadena lateral ramificada de cuatro carbonos cada una. Los átomos de carbono a y b de la isoleucina son asimétricos. Ya que la isoleucina tiene dos centros quirales, posee cuatro estereoisómeros posibles.
B. Grupos Aromáticos
La fenilalanina (Phe, F), tirosina (Tyr, Y) y el triptófano (Trp, W) presentan cadenas laterales con grupos aromáticos. En el caso de la fenilalanina es una cadena hidrofóbica bencílica. La tirosina se parece estructuralmente a la fenilalanina; en la tirosina, un grupo hidroxilo sustituye al hidrógeno para de la fenilalanina lo que la convierte en un fenol. El grupo hidroxilo de la tirosina es ionizable, pero bajo condiciones fisiológicas normales retiene su hidrógeno. La cadena lateral del triptófano contiene un grupo indol bicíclico. La tirosina y el triptófano no son tan hidrofóbicos como la fenilalanina porque en sus cadenas laterales hay grupos polares. Los tres aminoácidos aromáticos absorben luz ultravioleta (UV) porque, a diferencia de los aminoácidos alifáticos, los aromáticos contienen electrones p deslocalizados. A pH neutro tanto el triptófano como la tirosina absorben luz a una longitud de onda de 280 nm, mientras que la fenilalanina es casi transparente a 280 nm y absorbe débilmente luz a 260 nm. Dado que la mayor parte de las proteínas contienen triptófano y tirosina éstas absorben luz a 280 nm. La absorbencia a 280 nm se usa en forma rutinaria para estimar la concentración de proteínas en las soluciones.
C. Grupos Azufrados
La metionina (Met, M) y la cisteína (Cys, C) son los dos aminoácidos azufrados. La metionina contiene un grupo tioéter metilo, no polar, en su cadena lateral, lo que la convierte en uno de los aminoácidos más hidrofóbicos. La metionina desempeña un papel especial en la síntesis de proteínas porque casi siempre representa el primer aminoácido en una cadena de polipéptido. La estructura de la cisteína se parece a la de la alanina, con un átomo de hidrógeno reemplazado por un grupo sulfhidrilo(-SH). Aunque la cadena lateral de la cisteína es algo hidrofóbica, también es muy reactiva. Debido a que el átomo de azufre es polarizable, el grupo sulfhidrilo de la cisteína puede formar puentes de hidrógeno débiles con el oxígeno y el nitrógeno. Además, el grupo sulfhidrilo de la cisteína es un ácido débil, lo cual le permite perder un protón y transformarse en un ion tiolato con carga negativa.
D. Cadenas Laterales con grupo Alcohol
La serina (Ser, S) y la treonina (Thr, T) tienen cadenas laterales polares sin carga que contienen grupos b-hidroxilo. Estos grupos alcohol dan carácter hidrofílico a las cadenas laterales alifáticas. Además de la cadena lateral fenólica más ácida de la tirosina, los grupos hidroxilo de la serina y la treonina despliegan las propiedades débiles de ionización de los alcoholes primarios y secundarios. El grupo hidroximetilo de la serina (—CH2OH) no se ioniza en forma apreciable en soluciones acuosas; empero, este alcohol puede reaccionar dentro de los sitios activos de varias enzimas como si estuviera ionizado. La treonina, como la isoleucina, cuenta con dos centros quirales, los átomos de carbono a y b. La L-treonina es el único de los cuatro estereoisómeros que se encuentra con frecuencia en las proteínas. (Los otros estereoisómeros son D-treonina, L-alotreonina y D-alotreonina).
E. Grupo R Basico
La histidina (His, H), lisina (Lys, K) y arginina (Arg, R) presentan cadenas laterales hidrofílicas que son bases nitrogenadas y tienen carga positiva a pH 7. La cadena lateral de la histidina contiene un sustituyente de anillo de imidazol. La forma protonada de este anillo se llama ion imidazolio (sección 3.4). La lisina es un diaminoácido y tiene grupos amino a y e al mismo tiempo. El grupo e-amino existe como ion alquilamonio (—CH2 —NH3 ) a pH neutro y confiere una carga positiva a las proteínas. La arginina es el más básico de los 20 aminoácidos porque su cadena lateral de ion guanidinio está protonada bajo todas las condiciones que se encuentran de manera habitual dentro de una célula. Las cadenas laterales de arginina también aportan cargas positivas a las proteínas.
F. Grupos R acidos y sus amidas derivadas
El aspartato (Asp, D) y el glutamato (Glu, E) son aminoácidos dicarboxílicos y tienen cadenas laterales hidrofílicas con carga negativa a pH 7. Además de los grupos carboxilo a, el aspartato posee un grupo carboxilo b y el glutamato un grupo carboxilo g. El aspartato y el glutamato confieren carga negativa a las proteínas porque sus cadenas laterales se encuentran ionizadas a pH 7. A veces se les llama ácido aspártico y ácido glutámico, respectivamente, pero bajo la mayoría de las condiciones fisiológicas se encuentran como bases conjugadas y, al igual que otros carboxilatos, tienen el sufijo ato. Es probable que el glutamato sea conocido bajo la forma de su sal monosódica, el glutamato monosódico (MSG, de monosodium glutamate), que se usa en alimentos como intensificador de sabores. La asparagina (Asn, N) y la glutamina (Gln, Q) son las amidas del ácido aspártico y el ácido glutámico, respectivamente. Aunque las cadenas laterales de la asparagina y la glutamina son eléctricamente neutras, estos aminoácidos son muy polares y se encuentran con frecuencia en las superficies de las proteínas, donde pueden interactuar con moléculas de agua. Los grupos amida polares de la asparagina y la glutamina también pueden formar puentes de hidrógeno con las cadenas laterales de otros aminoácidos polares.
II. Unión de los aminoácidos por enlaces peptidicos en las proteínas
La secuencia lineal de aminoácidos en una cadena polipeptídica se llama estructura primaria de una proteína. A los niveles más altos de estructura se les llaman estructura secundaria, terciaria y cuaternaria. La estructura de las proteínas se describirá con más detalle en el siguiente capítulo, pero es importante comprender los enlaces peptídicos y la estructura primaria antes de describir algunos de los temas restantes en este capítulo. El enlace que se forma entre los aminoácidos es un enlace de amida y se llama enlace peptídico, o enlace de péptido. Esta unión se puede concebir como el resultado de una condensación simple del grupo carboxilo a de un aminoácido con el grupo amino a del otro. Observe que se pierde una molécula de agua de los aminoácidos que se condensan en la reacción.. A diferencia de los grupos carboxilo y amino de los aminoácidos libres en solución, los grupos que intervienen en los enlaces peptídicos no tienen cargas iónicas. Las mitades de aminoácido unidas en una cadena polipeptídica se llaman residuos de aminoácido. Los nombres de los residuos se forman sustituyendo la terminación -ina o -ato por -ilo (o -il, en nombres compuestos). Por ejemplo, un residuo de glicina en un polipéptido se llama glicilo y un residuo de glutamato se llama glutamilo. En los casos de asparagina, glutamina y cisteína, -ilo sustituye la –a final para formar asparaginilo, glutaminilo y cisteinilo, respectivamente. La terminación ilo indica que el residuo es una unidad de acilo (estructura que carece del hidroxilo del grupo carboxilo). El grupo amino libre y el grupo carboxilo libre en los extremos opuestos de una cadena de péptido se llaman N-terminal (o terminal N, terminal amino) y C-terminal (o terminal C, terminal carboxilo), respectivamente. Por convención, los residuos de aminoácido en una cadena peptídica se numeran desde el N-terminal hasta el C-terminal y se suelen escribir de izquierda a derecha. Esta convención corresponde a la dirección de la síntesis de la proteína. La síntesis comienza con el aminoácido N-terminal —que casi siempre es metionina— y prosigue en secuencia hacia el C-terminal, agregando uno por uno los residuos.
El
agua es la molécula más importante para la vida, ya que constituye alrededor
del 60 -90% del peso de las células. En
el ámbito bioquímico es importante comprender al agua y sus propiedades, porque
mediante ella podemos determinar cómo las macromoléculas asumensus formas características como respuesta al
agua. Algunos tipos de moléculas interaccionan en forma extensa con el agua y
en consecuencia son muy solubles.
El
agua es una molécula formada por dos átomos de oxígeno y un átomo de hidrogeno
(H2O)
formado por un Angulo de 104.5º entre
dos enlaces covalentes. El núcleo de oxígeno de esta molécula atrae a los
electrones más que el protón único del núcleo del hidrógeno, por ende, los átomos de oxígeno son más electronegativos
que los de hidrógeno. El resultado es que se suscita una distribución desigual
de cargas dentro de cada enlace O—H en la molécula de agua, con el oxígeno
teniendo una carga negativa parcial (-) y el hidrógeno con una carga positiva
parcial (+). Esta distribución desigual de la carga dentro del enlace se llama
dipolo y se dice que el enlace es polar. Una de las consecuencias importantes
de la polaridad de la molécula de agua es que dichas moléculas se atraen entre
sí.
Una
de las excelentes propiedades físicas que tiene el agua es que actúa como
disolvente de la mayoría de los compuestos, ya que posee una viscosidad
intrínseca que no impide mucho el movimiento de las moléculas disueltas en
ella. Esta puede interactuar y disolver otros compuestos polares y compuestos
que se ionizan. La ionización se relaciona con la ganancia o pérdida de un
electrón, que da lugar a un átomo o a un compuesto que presenta una carga neta.
Las moléculas que se pueden disociar y formar iones se llaman electrólitos. En
base a la solubilidad del agua se puede deducir lo siguiente:
-Las sustancias
que se disuelven con facilidad en el agua se dice que son a fines de agua (hidrofilicas).
- Las sustancias
que no son solubles en agua se llaman hidrófobas.
-Las sustancias
que tienen tanto una parte soluble como
una insoluble, como en el caso de los fosfolípidos, se dice que son
antipáticas.
Para
las moléculas pequeñas, la velocidad de difusión dentro de las células es más o
menos la cuarta parte de la que muestran en agua pura. Para las moléculas
grandes, como las de proteínas, la tasa de difusión en el citoplasma disminuye
hasta a 5-10% de la velocidad en agua. Esta desaceleración se debe en gran
parte al hacinamiento molecular. Esta molécula es importantes para procesos
celulares como:
