Tema 24 – Aminoácidos y proteínas. Biosíntesis proteica. Enzimas y coenzimas. Las vitaminas

Tema 24 – Aminoácidos y proteínas. Biosíntesis proteica. Enzimas y coenzimas. Las vitaminas

1. I NTRODUCCION.

Las proteínas ocupan un lugar fundamental entre las moléculas presentes en un ser vivo. Éstas representan el 50% del peso seco de un organismo. A esta abundancia se une otra característica muy importante: son moléculas específicas, es decir, cada especie biológica tiene ciertas proteínas que le son exclusivas, e incluso cada individuo de la misma especie tiene algunas que no poseen los demás. Son, pues, moléculas que marcan la individualidad del organismo y se puede decir que no existen dos seres vivos que tengan todas sus proteínas idénticas.

Son compuestos muy activos que intervienen en multitud de procesos biológicos. Participan en las reacciones metabólicas como catalizadores, tienen funciones de transporte, de contracción, hormonales, homeostáticas y también son componentes de importantes estructuras celulares. Esta actividad biológica es consecuencia de su estructura espacial, por lo que una alteración de ésta supone la pérdida de su función.

También veremos en este tema como la información genética se traduce en proteínas, acontecimiento que tiene lugar durante la interfase del núcleo celular. Dado que el mantenimiento de la vida está condicionado por la existencia de las reacciones metabólicas de forma rápida y coordinada, podemos afirmar que la actividad enzimática es una de las claves de la biología.

2. AMINOÁCIDOS.

2.1.Estructura

Los aminoácidos son las unida­des fundamentales de las proteínas. Son ácidos carboxílicos, con una fun­ción amino en el carbono α, que tienen como fórmula general:

Rclip_image001[4] CHclip_image002[4] COOH

                clip_image003[4]

             NH 2

Siendo R el radical, que va a di­ferenciar a los 20 aminoácidos, que forman parte de las proteínas. Este radical puede ser cadena lineal o cíclica. Esta cadena lateral sirve para clasificar los aminoácidos en función de su polaridad, así tenemos:

2.2.clasificación

Aminoácidos apolares: Sus ca­denas laterales son apolares y por tanto presentan diferentes gra­dos de hidrofobicidad.

Aminoácidos polares sin car­ga: Sus cadenas laterales son re­lativamente hidrofílicas debido a los grupos polares funcionales.

Aminoácidos polares negativos: El ácido aspártico y el ácido glu­támico tiene un segundo grupo carboxilo, que está ionizado a pH fisiológico.

Aminoácidos polares positivos: La lisina, la arginina y la histidina tienen cargas positivas en las ca­denas laterales a pH fisiológico.

clip_image005[4]

2.3.propiedades

Los grupos carboxilos y aminos están ionizados en solución a pH fisiológico, con una carga negativa sobre el grupo carboxilo y una car­ga positiva sobre el grupo amino. Esto les confiere la propiedad de ser anfóteros. De forma que en un medio ácido se comportan como ba­ses y en un medio alcalino, como ácidos.

R-CH-COOH             pH ácido         R-CH-COO-         pH básico           R-CH-COO-

                    clip_image006[8]                         clip_image008[4]                      clip_image006[9]                          clip_image007[4]                            clip_image006[10]

  NH3+                   H+                   NH3+              OH-                          NH2

 

Otra propiedad característica de los aminoácidos es la estereoisome­ria, que se produce por la asimetría de su átomo de carbono α, ya que a este carbono están unidos cuatro grupos diferentes, excepto en la gli­cocola. Si el grupo amino se en­cuentra situado a la derecha del car­bono a será la forma D y si está a la izquierda es la forma L. En la materia viva sólo se encuentran for­mas L.

2.4. Péptidos y enlace peptídico

La unión de varios aminoácidos a través de un tipo de enlace llamado enlace peptídico son los péptidos.: oligopéptido:1-10; polipéptido: >10; proteína: >50

Enlace peptídico: enlace covalente que se establece entre el grupo amídico y el grupo carboxílico de 2 aminoácidos desprendiéndose una molécula de agua, siempre hay un extremo amino terminal y un carboxilo terminal. Para nombrar el péptido se empieza por el NH2 terminal. El primer aminoácido terminará en –il. presenta cierto carácter de doble enlace y es más corto que un enlace sencillo normal. Por esa razón no hay giro libre en torno a este enlace, los 4 átomos que forman el enlace peptídico mas los dos carbonos que intervienen en él se encuentran en el mismo plano. las proteínas en su estado natural solo adoptan una única conformación 3D que llamamos conformación nativa responsable de la actividad de la proteína. Los giros que puedan dar los enlaces dependen en gran medida del grupo R

3. LAS PROTEÍNAS.

bioelementos funda­mentales C, H, O, y N, y en algu­nas ocasiones puede aparecer S, P, Fe y Cu. Las proteí­nas las podemos definir como polí­meros de aminoácidos de elevado peso mole­cular.

3.1.propiedades

sustancias anfóteras. Forman soluciones coloi­dales, capaces de precipitar con for­mación de coágulos al ser tratadas con soluciones básicas o ácidas, o calentarlas a temperaturas superio­res a los 70°C.

Otra propiedad característica de las proteínas es su especificidad, ya que son específicas de cada es­pecie, y dentro de la misma espe­cie cada individuo sintetiza sus pro­pias proteínas.

3.2.Clasificación de las proteínas

Según su morfología

Proteínas simples u Holoproteínas: Las cuales están formadas exclusivamente o predominantemente por aminoácidos.

Proteínas conjugadas o heteroproteínas: Poseen un componente de proporción significativa no aminoacídico que recibe el nombre de grupo prostético. Según la naturaleza de este grupo consideramos:

o Glicoproteínas: poseen en su estructura azúcares. ejemplo: las inmunoglobulinas, algunas proteínas de membrana, el colágeno

o Lipoproteínas: conjugadas con lípidos que se encuentran en las membranas

o Nucleoproteínas: unidas a un ácido nucleico, como en los cromosomas, ribosomas y en los virus.

o Metaloproteínas: Contienen en su molécula uno o más iones metálicos que no constituyen un grupo hemo

o Hemoproteínas o Cromoproteínas: Proteínas que tienen en su estructura un grupo hemo Hemoglobina, Mioglobina y ciertas enzimas como los citocromos

Según su solubilidad:

Proteínas fibrosas: Son insolubles en agua, presentan formas moleculares alargadas, que constituyen fibras resistentes, con cierto grado de elasticidad, fragilidad o ductilidad. proteínas estructurales o de soporte, Elastina, Colágeno, Queratina.

Proteínas Globulares: más solubles en agua, debido a que su superficie es polar. Su estructura es compacta con formas casi esféricas. enzimas, las proteínas del plasma y las presentes en las membranas celulares.

o Albúminas: Proteínas fácilmente solubles en agua, que coagulan con el calor y precipitan con las soluciones salinas saturadas. Lactoalbúmina, albúmina del suero, la ovoalbúmina (presente en la clara del huevo).

o Globulinas: Escasamente solubles en agua pura, pero solubles en soluciones salinas diluidas como cloruro de sodio, entre ellas se encuentran las seroglobulinas (sangre), inmunoglobulinas, etc.

o Glutelinas: Solubles en ácidos y bases diluidos, insolubles en solventes neutros. La Glutenina del trigo.

o Prolaminas: Solubles en alcohol del 70 al 80%, insolubles en agua, alcohol absoluto y otros solventes neutros, como la Zeína del maíz

Según su función biológica:

Proteínas estructurales: Forman parte de células y tejidos. el colágeno y la elastina presentes en el tejido conectivo. La queratinas de la piel, pelo y uñas y la espectirna presente en la membrana de los eritrocitos.

Proteínas de transporte: transportan sustancias como el oxígeno en el caso de la hemoglobina y la mioglobina, ácidos grasos en el caso de la albúmina de la sangre, o las que realizan un transporte transmembrana en ambos sentidos.

Proteínas de defensa: Protegen al organismo contra posibles ataques de agentes extraños, entre las que se consideran los anticuerpos (inmunoglobulinas), interferones inhiben la proliferación de virus en células infectadas e inducir resistencia a la infección viral en otras células, el fibrinógeno de la sangre importante en el proceso de coagulación.

Proteínas hormonales: Se sintetizan en un tipo particular de células pero su acción la ejercen en otro tipo. la insulina.

Proteínas como factores de crecimiento: estimulan la velocidad de crecimiento y la división celular. hormona de crecimiento y el factor de crecimiento derivado de plaquetas.

Proteínas catalíticas o enzimas: Permiten aumentar la velocidad de las reacciones metabólicas. lipasas, amilasas, fosfatasas, etc.

Proteínas contráctiles: capaces de modificar su forma, dando la posibilidad a tejidos de desplazarse, contraerse, relajarse razón por la cual se encuentran implicadas en los diferentes mecanismos de motilidad. Las proteínas más conocidas de este grupo son la actina y la miosina.

Proteínas receptoras: Proteínas encargadas de combinarse con una sustancia específica. Proteínas que pueden estar tanto en citoplasma como en organelos. neurotransmisores, hormonas y muchos medicamentos funcionan gracias a la presencia de estas proteínas.

Proteínas de transferencia de electrones: Son proteínas integrales de membrana, comunes en las mitocondrias y cloroplastos cuya función se basa en el transporte de electrones desde un donador inicial hasta un aceptor final con liberación y aprovechamiento de energía. Citocromos que hacen parte de la cadena respiratoria.

3.3.Estructuras de las proteínas.

La estructura primaria es la se­cuencia lineal de los aminoácidos, que se disponen en forma de zig­zag, en el plano, de forma que los radicales de los aminoácidos que­dan alternados para evitar que sur­jan impedimentos estéricos.

La estructura secundaria se for­ma por la aparición de puentes de hidrógeno intramoleculares o inter­moleculares entre los grupos -NH y -CO de los enlaces peptídicos de los diferentes aminoácidos. La conformación más co­mún suele ser la hélice α, formada por puentes de hidrógeno intramoleculares, cada cuatro residuos, por lo que quedan 3,6 aminoácidos por vuelta de la hélice. Las hélices α son dextrógiras, aunque estén for­madas por L-aminoácidos.

Otro tipo de estructura secunda­ria es la estructura β en hoja ple­gada, que depende de la formación de puentes de hidrógeno intermole­culares entre los enlaces peptídicos de cadenas adyacentes. asociada a proteí­nas estructurales, pero se ha ob­servado en algunas estructuras glo­bulares, como es el caso de las li­sozimas.

Una estructura secundaria particular, helicoidal pero más estirada que la hélice alfa y girando hacia la izquierda en lugar de a la derecha. Esta estructura recibe el nombre de hélice de colágeno.

La estructura terciaria es el ple­gamiento y enrollamiento de un po­lipéptido manteniendo las estructu­ras primaría y secundaria. Las ca­denas laterales de los aminoácidos forman puentes de hidrógeno y en­laces disulfuro, por tanto son los que determinan la conformación de esta estructura. Las cadenas laterales de los aminoácidos hidrófilos están lo­calizados con mayor frecuencia en el exterior de la molécula y los gru­pos apolares en el interior, creando un ambiente hidrofóbico. Se denominan zonas, campos o dominios, y son unidades globulares relativamente pequeñas (menos de 150 aa), a partir de las cuales, al parecer, se forman las proteínas globulares. Cada dominio estructural se pliega (y se desnaturaliza) casi independientemente de los demás.

La estructura cuaternaria no la poseen todas las proteínas. Está re­presentada por una asociación de varias cadenas polipeptídicas en una única molécula proteica. Cada uno de los polipéptidos que forman par­te de esta estructura se denominan protómeros. Estos protómeros se mantienen unidos por puentes de hidrógenos, enlaces iónicos y fuer­zas de Van der Valls.

4. BIOSÍNTESIS PROTEICA.

El dogma central de la Biología molecular establece que la informa­ción de la célula fluye desde el DNA hacia el RNA y las proteínas. Estos procesos los vamos a ver a continuación y los componentes que en ellos intervienen, son la transcripción y traducción.

4.1.Transcripción

Durante la interfase celular y al comienzo de la división mitótica, la información genética contenida en las secuencias de DNA cromosó­mico es transferida a secuencias de RNA de cadenas únicas: es la transcripción. Estos RNAm estarán posteriormente implicados en la traducción.

La transferencia de información entre los polímeros DNA y RNA se realiza monómero a monómero. Se basa en un ensamblaje secuencial, catalizado por las polimerasas del RNA, de precursores activados. Estos precursores activados son los cua­tro ribonucleótidos trífosfato, que son ensamblados según un orden dic­tado por la secuencia de una de las dos cadenas de DNA. La polimeri­zación se produce únicamente en el sentido 5′-3′. La polimerización efectiva del RNA sólo se produce a partir del lugar de iniciación. Al comienzo de la mayor parte de los genes, en los eucariontes, cuya estructura primaria es conocida, exis­te una secuencia de siete pares de nucleótidos ricos en adenina y timi­na, que es la señal que permite la unión de la RNA- polimerasa.

La cadena de RNA comienza por un ribonucleótido trifosfato purifico (ATP o GTP) y se alarga a medida que la polimerasa progresa a lo lar­go del DNA añadiendo nuevos mo­nómeros al nucleótido inicial, este es el proceso de elongación. Cuando la RNA-polimerasa reconoce la últi­ma señal, que se denomina lugar de terminación, la síntesis acaba y hay disociación del complejo DNA­-RNA-polimerasa que libera la poli­merasa y la cadena de RNA que acaba de ser transcrita. El segmen­to de DNA que interviene en la sín­tesis de una molécula de RNA cons­tituye una unidad de transcripción.

La unidad de transcripción con­tiene además señales del metabo­lismo postranscripcional de los RNA y señales de traducción que son re­conocidas a nivel de los ribosomas: codón de iniciación y codón de terminación.

4.2.Traducción.

El ribosoma va a ser el encargado de la traducción, para la cual se unirá al RNAm sintetizado en la transcripción. El ribosoma se unirá al mensajero y leerá de tres en tres (tripletes) y cada uno de los tripletes le corresponderá otro triplete complementario, denominándose así codón y anticodón. El anticodón será transportado por un transferente al cual va unido un aminoácido que previamente ha sido activado por la aminoacil RNA sintetasa con el gasto de energía proveniente del ATP.

El mensajero sale después de transcrito con un extremo 5’ trifosfato y un 3’OH libre, secuencia complementaria al RNAr 18S que será las encargadas de la unión de mensajero y subunidad pequeña del ribosoma.

La reacción de fijación de los ami­noácidos al RNAt es muy específi­ca, pues a cada uno de los 20 ami­noácidos corresponde al menos una de las moléculas de RNAt que acep­tará sólo ese aminoácido.

La síntesis de una cadena poli­peptídica se realiza en tres etapas sucesivas: la iniciación, la elonga­ción y la terminación.

Cada una de estas etapas nece­sita la asociación temporal al ribo­soma de proteínas que no están nor­malmente unidas; estas proteínas o factores, en número de una dece­na, condicionan el funcionamiento del ribosoma durante la síntesis, sín­tesis que además necesita un apor­te energético que proviene de la hi­drólisis de moléculas de GTP.

Iniciación: subunidades 30S y 50 S del ribosoma están suspendidas en el citoplasma. Unión del mensajero a la subunidad 30S por su extremos 5’, donde se encuentra el codón iniciador AUG, este primer paso necesita de dos factores de iniciación así se une al primer aminoacil ARNt. En procariontes el primer aminoácido siempre es la formilmetionina. El fMet-RNAt se coloca en el lugar P de la subunidad 30 S, su anticodón es complementario del codón iniciador. Un tercer factor de iniciación permite la unión de la subunidad grande 50 S a la pequeña. Por última, se liberan los tres factores de iniciación y se produce la hidrólisis de una molécula de GTP. Al final de la iniciación durante la cual han intervenido tres factores y una molécula de GTP, se forma el complejo de iniciación: ribosoma 70 S, RNAm y fMet-RNAt colocado en el lugar P.

Elongación. Después de la formación del com­plejo de iniciación empieza la elonga­ción de la cadena polipeptídica por la adición de aminoácidos. Se empieza por el Nterminal y se acaba en Cterm. La adición de cada ami­noácido comporta tres fases sucesi­vas, que son. la fijación del ami­noacil-RNAt, la formación del enla­ce peptídico y la translocación.

La fijación del segundo aminoacil RNAt se hace en el lugar A del ribo­soma estando un anticodón enca­rado al segundo codón del RNAm. Esto necesita la intervención de dos factores de elongación y de una molécula de GTP. En esta fase hay hidrólisis de GTP y los factores de elongación abandonan el ribosoma.

La formación del primer enlace peptídico, entre el grupo amino del aminoacil-RNAt y el grupo carboxí­lico esterificado de la formil-metio­nina-RNAt, es catalizado por la peptidiltransferasa que pertenece a la subunidad 50 S. Después de esta reacción el lugar A lleva el RNAt del segundo aminoácido el cual está ahora unido una pequeña cadena peptídica de dos aminoácidos. A esto se llama un peptidil-RNAt. En cuanto al lugar P, hasta ahora está siendo ocupado por el RNAt de la formil metionina. Seguidamente un tercer factor de elongación y una nueva molécula de GTP se asocian al ri­bosoma; esta etapa prepara la trans­locación que empieza por la salida del RNAt de la formil-metionina que abandona el ribosoma; a continua­ción el peptidil-RNAt pasa del lugar A al lugar P al mismo tiempo que el RNAm se desplaza la longitud de un codón. Al moverse ahora el RNAt que lleva el péptido se encuentra en el sitio P y el ARNt sin aminoácido se libera. Por ello el sitio A está de nuevo libre para la entrada de un nuevo ARNt

Terminación. La síntesis de la cadena llega a su término cuando el ribosoma re­conoce un codón que indica el fin de la elongación. Esta señal de paro puede ser dada por tres codones UAA, UAG, y UGA y según el RNAm de que se trate será uno de estos tres el que se encuentre en su ex­tremidad 3′.

Para que un codón de paso sea reconocido por el ribosoma hace falta que se asocie a éste un factor de terminación. El peptidil-RNAt pasa, en una última translocación, al lu­gar P, el factor de terminación acti­va la peptidiltransferasa que se comporta luego como una hidrolasa y rompe la unión entre el RNAt y la cadena polipeptídicas. La cadena polipeptídica es liberada en el citoplas­ma y el RNAt portador del último aminoácido abandona el lugar P. El ribosoma se separa del RNAm y sus dos subunidades se disocian; éstas se pueden utilizar para nuevas sín­tesis. En E. coli el proceso de síntesis dura de 15 a 20 segundos para for­mar una cadena polipeptídica de aproximadamente 150 aminoácidos. La síntesis in vitro, incluso usando las técnicas más automatizadas dura horas. Ello nos da idea de la gran eficacia de la biosíntesis realizada por la maquinaria celular. Dicha efi­cacia se aumenta por el hecho de que una misma molécula de RNAm es traducida simultáneamente por varios ribosomas (polisomas). El ta­maño de las polisomas depende de la longitud del RNAm que es tradu­cido. Por término medio se calcula un ribosoma por cada 80 nucleóti­dos lo que corresponde a 5 ó 6 ri­bosomas para un RNAm que sirve de molde para la síntesis de una cadena de 150 aminoácidos. En los eucariontes la síntesis pro­teica presenta, a grandes rasgos, muchas analogías. El primer ami­noácido es también la metionina aun­que aquí no está formilado. La ca­dena polipeptídica liberada del ri­bosoma no contiene metionina en su extremidad N-terminal; está se separa por una enzima específica poco después de empezar la elon­gación.

5. ENZIMAS Y COENZIMAS

La totalidad de las transformacio­nes químicas que suceden en el or­ganismo y a cuyo conjunto se de­nomina metabolismo, sólo es posi­ble gracias a la acción de las enzi­mas, que catalizan todas y cada una de las reacciones vitales. Las enzi­mas son sintetizadas por el propio organismo en el que van a actuar, por lo que se las ha definido como biocatalizadores autógenos de acción específica. una enzima no modifica el equilibrio del siste­ma sino que sólo influye sobre la velocidad con que se alcanza este equilibrio. No afecta ni a la constan­te de equilibrio, ni es alterada como resultado de la reacción.

5.1. Composición de las enzimas.

Las sustancias sobre las que ac­túa la enzima, se denominan sus­tratos, y las que originan su ac­tuación son los productos. las enzimas unidas al sustrato for­man un complejo enzima-sustrato, que puede adoptar una configura­ción espacial, modificándose el com­puesto unido, de tal forma que cuan­do abandona el complejo se origina el producto, revertiendo la enzima a su forma original.

Las enzimas pueden ser proteí­nas simples o conjugadas. proteínas conjugadas, forma inactiva, grupo pro­teico y en forma activa cuando está unido al grupo prostético, que se denomina cofactor, o coenzima, de­pendiendo de que sean iones o pe­queñas moléculas respectivamente.

Los iones metálicos, como el so­dio y el magnesio, son abundantes cofactores. La unión entre la enzi­ma y el cofactor es una unión lábil, pudiéndose separar ambos mediante diálisis. po­siblemente alteren la estructura ter­ciaria, dando una configuración ac­tiva. Se ha observado que algunos cofactores combinan más que con la enzima, con el sustrato.

El complejo enzima-coenzima se denomina ho­loenzima llamándose apoenzima a la proteína enzimática cuando está separada de la coenzima. Cuando la coenzima se halla íntimamente unida a la enzima no pudiéndose aislar fácilmente se denomina gru­po prostético.

La coenzima puede actuar como grupo puente, para unir el sustrato y la enzima formando un complejo de coordinación o bien servir de gru­po catalítico.

5.2. Estructura de las enzimas.

Las enzimas pueden presentar es­tructura de hoja plegada y de héli­ce α. Esta última puede formar la estructura terciaria y ésta originar la estructura cuaternaria si la enzi­ma está formada por varias cade­nas polipeptídicas.

La enzima presenta una región con una forma característica, que es el lugar activo, responsable de la ac­tividad catalítica, ya que es donde el sustrato se une a la enzima. En este lugar activo es donde se re­únen las cadenas laterales de algu­nos aminoácidos, que en ocasiones pueden encontrarse muy alejados en la estructura primaria. Por tanto la estructura primaria determina la com­posición del lugar activo y las es­tructuras secundaria y terciaria la for­ma. Por esto la forma tridimensio­nal de la enzima es imprescindible.

Sin la protección que represen­tan otras regiones de la molécula de la enzima, el lugar activo podría actuar sobre multitud de compues­tos diferentes al sustrato, perdien­do la especificidad, así como la ne­cesaria orientación espacial para evitar muchas combinaciones enzi­ma-sustrato improductivas.

Las holoenzimas además de este lugar activo presentan un lugar de unión a la coenzima. Según la coen­zima esté unida o no a la apoenzi­ma, el lugar activo presentará una u otra estructura. De esta forma la holoenzima sólo identificará al sus­trato cuando la coenzima esté uni­da a ella.

5.3. Especificidad de las enzimas.

La especificidad consiste en que la enzima actúa solamente sobre una determinada sustancia, que consti­tuye su sustrato y sólo efectúa so­bre él un tipo de transformación.

Así, se pueden considerar dos as­pectos de la especificidad:

Especificidad de sustrato, la cual determina su función biológi­ca. Muchas enzimas tienen un solo sustrato biológico: especificidad de sustrato absoluta, mientras que otros tienen una especificidad más amplia y utilizan como sustrato a un grupo de biomoléculas estructural­mente similares: especificidad re­lativa de grupo.

Especificidad de acción, con­siste en que una enzima no realiza más que una de las diversas trans­formaciones que puede sufrir un sus­trato. Por ejemplo una oxidasa in­tervendrá en reacciones de oxida­ción.

5.4.Clasificación de las enzimas

La nomenclatura utilizada para denominar las enzimas es simple­mente añadir el sufijo –asa al nom­bre del sustrato o de la reac­ción, aunque existen excep­ciones, bien por razones históricas o por simplificar, en la que un determinado enzi­ma recibe un nombre espe­cífica.

En la década de los 60, la Unión Internacional de Bioquí­micos estableció una co­misión sobre Nomenclatura de las Enzimas para adoptar una clasificación sistemática así como una nomenclatura para el número siempre creciente de enzimas identificados y descritos. La Comisión iden­tificó las enzimas según los tipos de reacción catalizada, definiendo seis clases princi­pales.

– oxidación-re­ducción, transfe­rencia electrónica, catalizadas por óxido-reductasas.

– transfe­rasas transferencia de grupos funcionales.

– Las hidrolasas emplean agua para romper enlaces covalentes.

– liasas rom­pen o eliminan grupos de compues­tos mediante reordenamientos electrónicos y crean, por tanto, dobles enlaces bien en el producto (rotura) o en sustrato (eliminación de gru­po)

– Las isome­rasas catalizan reordenamientos in­ternos dentro de un sustrato y, por consiguiente, no implican ni la adi­ción ni la eliminación de grupos.

– Las ligasas catalizan la formación de di­ferentes tipos de enlaces covalen­tes para sintetizar biomoléculas re­quiriendo suministro de energía quí­mica, proporcionado por el ATP.

5.5. Cinética enzimática.

El cata­lizador únicamente disminuye la ener­gía de activación de la reacción y consecuentemente aumenta su ve­locidad. la variación de la energía libre de Gibbs, que es la que controla la constante de equilibrio, depende únicamente de los estados inicial y final, es decir, de las propiedades de los sustratos y los productos y no del camino re­corrido para pasar de un estado a otro. Por tanto, un catalizador no modifica la constante de equilibrio.

Una reacción química tiene lugar porque una fracción de los sustra­tos reaccionantes, en un instante dado posee mucha más energía que el resto, lo que les permite alcan­zar un estado activado, en el que pueden romperse o establecerse enlaces químicos necesarios para formar los productos. Se define como energía de activación la cantidad de energía, medida en calorías, nece­saria para llevar las moléculas de 1 mol de sustancia desde una tempe­ratura dada hasta el estado activa­do. En toda reacción se encuentra un estado de transición, el cual es un estado rico en energía de las moléculas interactuantes en la cima de la barrera de activación. La ve­locidad de reacción es proporcional a la concentración de las especies de los estados de transición. Si se eleva la temperatura, al incremen­tar el movimiento y la energía, se aumenta el número de moléculas capaces de entrar en el estado de transición.

Una caracterís­tica fundamental de la actividad en­zimática es que la velocidad de reacción aumenta al incrementar la con­centración de sustrato, hasta alcanzar un valor constante, originándose el fenómeno de saturación enzimática. Bajo estas condiciones sólo se au­menta la velocidad de la reacción si se incrementa la concentración enzimática

Cinética de michaelis-menten.

Se necesita un complejo específico ES intermediario en la catálisis. El modelo que propusieron es el mas simple, que da cuenta de las propiedades cinéticas de muchas enzimas: E+S clip_image010[4]ESclip_image009[4] EP. La enzima E se combina con S para formar un complejo ES con una constante de velocidad K1. El complejo ES tiene dos destinos posibles, disociarse hasta E y S con una constante de velocidad K2, o puede proceder a formar el producto con constante K3. Estamos interesados en las condiciones de estado estacionario, con lo cual y haciendo cálculos tenemos que [ES]=[E][S]/Km, siendo Km la constante de Michaelis Menten. Haciendo cálculos podemos determianr la Vmax. V=Vmax([S]/[S]+Km)

5.6.Factores que afectan a la actividad enzimática. Inhibición enzimática.

Inhibición enzimática: se produce cuando la unión de un segundo ligando a la enzima produce la disminución de su actividad. Hay inhibidores que actúan de forma reversible y otros de manera irreversible.

Inhibidores competitivos moléculas que químicamente y estructuralmente se parecen mucho a la molécula de sustrato, existe entre inhibidor y substrato una lucha por el centro activo del enzima. afecta a la Km de la reacción. con inhibidor el valor de la Km aumenta perdiéndose afinidad del enzima por el substrato. Para superar este tipo de inhibición hay que aumentar la concentración de substrato.

Inhibidores no competitivos. se unen al enzima por un sitio diferente al centro activo provocando un cambio conformacional al enzima, que produce una disminución de la actividad enzimática al disminuir la velocidad máxima

lnhibidores acompetitivos. Formados por moléculas que se unen al enzima por sitios específicos pero distintos al centro activo del enzima. Cinéticamente van a producir una disminución del valor de la Km y de la Vmax.

Inhibición por sustrato: se presenta frecuentemente en las reacciones catalizadas por enzimas donde el inhibidor es el propio sustrato. A bajas concentraciones de sustrato no se observa inhibición, algo que si ocurre en las altas concentraciones.

Temperatura: La velocidad de reacción aumen­ta al aumentar la temperatura. esto ocurre por debajo de los 45ºC, por encima no se cumple porque se altera la conformación de la enzima

pH. La concentración de iones hidró­geno también es importante, ya que la mayor parte de las enzimas mues­tran un óptimo en su actividad a un pH m relativamente cercano al ran­go fisiológico de 7-7,5. Cada enzima tiene su rango óptimo, por ejemplo, la pep­sina y la tripsina, enzimas del tracto digestivo en el hombre, tienen pH óptimos de 2,0 y 8,0 respectivamen­te.

Activadores. Son moléculas diferentes al sus­trato y que se diferencian de los co­factores y coenzimas. No interac­cionan en el sitio catalítico, sino en algún otro lugar de la molécula pro­duciendo un cambio en la configu­ración espacial de la enzima, que afecte a la catálisis incrementando la velocidad de reacción. Las amilasas precisan io­nes CI, los fermentos que transfor­man el ATP, casi siempre Mg2+, nu­merosas pepsidasas se activan con Mn2+, Zn2+, Cu2+. En la mayoría de los casos está sin aclarar el meca­nismo de la influencia de los iones; se supone que forman complejos que debilitan al sustrato.

5.7. Enzimas alostéricas.

Poseen dos tipos de localizacio­nes de unión de ligandos: posicio­nes catalíticas donde se une el sustrato y posiciones re­guladoras unión de efectores o moduladores. Efectores que alteran las propiedades catalíticas. Si es el propio sustrato homotrópico y si son diferentes heterotrópico

5.8.Isoenzimas.

Son las formas múltiples de una misma enzima. Por ejemplo la deshidrogena­sa láctica posee cinco isoenzimas, que se diferencian por electrofore­sis.

5.9.Sistemas multienzimáticos

Las enzimas suelen trabajar agru­padas en secuencias encadenadas, en las que un producto es el sus­trato de la siguiente reacción. Estos sistemas multien­zimáticos poseen una gran capacidad de autorregu­lación, que son las si­guientes:

Inhibición retroacti­va (feed-back): la enzima que cataliza la primera re­acción es inhibida por el producto final de la se­cuencia de reacciones.

Activación retroac­tiva: La primera enzima es activada por un producto de degradación del metabolismo final

Activación en paralelo: La pri­mera enzima de una secuencia, es activada por un metabolito sinteti­zado en otra secuencia independien­te.

Activación por un precursor: La enzima es activada por un me­tabolito precursor más o menos in­mediato.

5.10. Coenzimas.

son pequeñas molécu­las orgánicas, que se unen a la apoenzima para activarla, si la unión es lábil. Pero si la coenzima se une fuertemente a la proteína entonces se habla de grupo prostético.

Propiedades comunes a coenzimas y grupos prostéticos. naturaleza no proteica, de bajo peso molecular. Son termoes­tables. reac­cionan molécula a molécula con el sustrato inicial, por lo tanto en cada reacción intervendrá un número de­terminado de moléculas de la coen­zima o grupo prostético.

Propiedades de los grupos prostéticos. Se unen sólidamente a la apoen­zima correspondiente, por medio de enlaces covalentes. Funcionan en el marco de una úni­ca reacción enzimática, que tiene lugar en dos tiempos. En el primer tiempo el grupo prostético modifica su estructura y en el segundo vuel­ve a su estado inicial, pero sin se­pararse de la apoenzima.

Propiedades de las coenzimas. se unen lábilmente, por medio de puentes de hidrógeno a la apoen­zima y se disocian de ella fácilmen­te. La coenzima no recobra nunca su estado inicial permaneciendo fijo a la apoenzima que lo ha empleado en una primera reacción, posterior­mente se separa y es regenerado por otra apoenzima, en el curso de una segunda reacción.

Clasificación y función.

La Coenzima A en cuya com­posición entra el ácido pantoténi­co, que forma parte del complejo vitamínico B. Está implicada en la biosíntesis de los áci­dos grasos, la β-oxidación, la acti­vación del ácido acético, el meta­bolismo de la cisteína y la biosínte­sis de la biotina.

– Las coenzimas pirimidínicas de­rivan de la nicotinamida. El NAD (ni­cotín-adenosín-dinucleótido. En el NADP hay una molécula de fosfato suplemen­tario. Son compuestos solubles con reacción ácida, no son autooxidables, Sin embar­go, cuando se encuentra en forma reducida es posible su oxidación, por acción de oxidantes químicos y por la acción de sistemas enzimáticos transportadores de electrones. Sí está en forma oxidada, su reducción es posible, por la acción de reductores químicos y reductores biológicos para los que funcionan como aceptores de hidrógeno. Se reduce el NAD en la glucolisis por ejemplo.

– Las coenzimas flavínicas deri­van de la riboflavina, existen dos: FMN y FAD. El flavín mononucleó­tido (FMN) y el FAD (fla­vín-adenosín-dinucleótido) es una molécula de FMN más otra de áci­do adenílico. Son solubles en agua, termoes­tables, autooxidables a diferencia de las coenzimas pirimidínicas. Son gru­pos prostéticos. Participan en el fun­cionamiento de las deshidrogenasas.

– Existen más aparte de las nombradas entre las que se encuentran la cianocobalamina, biotina, acido fólico…

6. LAS VITAMINAS.

Las vitaminas son sustancias or­gánicas imprescindibles en los pro­cesos metabólicos que tienen lugar en la nutrición de los seres vivos. No aportan energía, puesto que no se utilizan como combustible, pero sin ellas el organismo no es capaz de aprovechar los elementos cons­tructivos y energéticos suministra­dos por la alimentación. Las vitaminas deben ser aporta­das a través de la alimentación, pues­to que el cuerpo humano no puede sintetizarlas. Una excepción es la vitamina D, que se puede formar en la piel con la exposición al sol, y las vitaminas K, B1, B12 y ácido fólico, que se forman en pequeñas cantidades en la flora intestinal.

Con una dieta equilibrada y abun­dante en productos frescos y natu­rales, dispondremos de todas las vi­taminas necesarias y no necesita­remos ningún aporte adicional en forma de suplementos de farmacia o herbolario, aunque no es lo mismo lo sinte´tico que lo natural porque la conformación espacial es diferente. Ciertas etapas de la vida necesitan mas aporte como la infancia y situaciones como el alcohol o el tabaco necesitan de mas.

Existen dos tipos de vitaminas: las liposolubles (A. D, E,TK), que se di­suelven en grasas y aceites, y las hidrosolubles (C y complejo B), que se disuelven en agua. Vamos a ver las características generales de cada grupo y los rasgos principales de las vitaminas más importantes.

6.1. Vitaminas liposolubles.

Son las que se disuelven en di­solventes orgánicos, grasas y acei­tes. Se almacenan en el hígado y tejidos adiposos, por lo que es po­sible, tras un aprovisionamiento su­ficiente, subsistir una época sin su aporte.

Si se consumen en exceso (más de 10 veces las cantidades reco­mendadas) pueden resultar tóxicas. Esto les ocurre a los deportistas

Vitamina A-(retinol). Se encuentra en vegetales con carotenos, que darán lugar a la vitamina A en su procesamiento. Se almacena en el hígado. Se encuentra en huevos, leche de vaca. Protege tejidos epiteliales, necesaria para la percepción de la luz, ya que deriva de ésta el retinal. La carencia debilita los tejidos epiteliales y los hace mas propensos a infecciones, ceguera nocturna…

Vitamina D: calciferol, inducida su síntesis por emdio de la acción de los rayos UV. Se obtiene por la ingestión de ergosterol vegetal, colesterol o arenque, salmón…regula la absorción de Ca y la formación ósea. Su déficit provoca raquitismo.

Vitamina E: tocoferol. Se encuentra en alimentos vegetales, hoja verde, semillas, y yema de huevo. Provoca esterilidad cuando hay déficit

Vitamina K: filoquinona. Se obtiene de hoja verde, pescados…actúa en la síntesis de protrombina, precursora de la trombina que tranforma el fibrinógeno en fibrina, necesaria para la coagulación de la sangre.

6.2. Vitaminas hidrosolubles.

Se caracterizan porque se disuel­ven en agua, por lo que pueden pa­sarse al agua del lavado o de la cocción de los alimentos. A diferen­cia de las vitaminas liposolubles no se almacenan en el organismo. Esto hace que deban aportarse regular­mente y sólo puede prescindirse de ellas durante algunos días.

El exceso de vitaminas hidroso­lubles se excreta por la orina, por la que no tienen efecto tóxico por elevada que sea su ingesta.

Vitamina C-(ácido ascórbico): la fuente son vegetales y casi todos los animales pueden sintetizar vitamina C a partir de glucosa. Acción reguladora de hormonas antiestrés, y síntesis de colágeno. Su déficit provoca escorbuto, que se caracteriza por hemorragias, encías sangrantes…

Vitamina B1: tiamina. Procede de vegetales, aparece abundantemente en envolturas de cereales y legumbres. Interviene en el metabolismo de los glúcidos y lípicos como pirofosfato de tiamina, coenzima. Su déficit produce beri beri, degeneración de neuronas.

Vitamina B2: riboflavina: aparece en casi todos los alimentos. Forma parte del FAD y FMN. Actúan como desHasas en la respiración celular.

Vitamina B12: cobalamina. Los animales obtienen esta vitamina por las bacterias simbiontes de su organismo. Coenzima de transferasas. Su déficit provoca anemia perniciosa.

6.3. Falsas vitaminas 0 vitaminoides.

Son sustancias con una acción si­milar a la de las vitaminas, pero con la diferencia de que el organismo las sintetiza por sí mismo. Entre ellas tenemos al inositol, la colina y el ácido fólico.

Inositol Forma parte del complejo B y está íntimamente unido a la colina y la biotina. Forma parte de los tejidos de todos los seres vivos. interviene en la formación de lecitina, que se usa para trasladar las grasas desde el hígado hasta las células, por lo que es imprescindible en el metabolismo de las grasas y ayuda a reducir el colesterol sanguíneo.

Colina También se la puede considerar un componente del grupo B. Actúa conjuntamente con el inositol en la formación de lecitina, que tiene im­portantes funciones en el sistema lipídico. La colina se sintetiza en el intestino delgado

Vitamina B9: ácido fólico. Aparece en hígado, riñón, huevos, leche, semillas… coenzima de enzimas transferasa de grupos monocarbonados. Su déficit provoca anemia. imprescin­dible en los procesos de división y multiplicación celular

7. BIBLIOGRAFÍA

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