Enzimas: Catalizadores Biológicos Esenciales

Las enzimas son biocatalizadores, generalmente de naturaleza proteica, que aumentan la velocidad de las reacciones bioquímicas al disminuir la energía de activación necesaria para que ocurran. Su importancia radica en que catalizan prácticamente todas las reacciones metabólicas esenciales para la vida.

Estructura y Composición Química

• Naturaleza proteica: La gran mayoría de las enzimas son proteínas globulares.
• Ribozimas: Existen también enzimas constituidas por ARN con capacidad catalítica, conocidas como ribozimas.
• Componentes de las enzimas:
  • Enzimas proteicas simples: Formadas únicamente por una o más cadenas de aminoácidos (proteína globular).
  • Holoenzimas: Son enzimas compuestas por dos partes:
    • Apoenzima: Es la parte proteica de la enzima, que es catalíticamente inactiva por sí sola.
    • Cofactor: Es la parte no proteica, esencial para la actividad enzimática. Puede ser:
      • Inorgánico: Iones metálicos como Fe²⁺, Mg²⁺, etc.
      • Orgánico (Coenzima): Moléculas orgánicas complejas, a menudo derivadas de vitaminas (ej. NADP⁺, FAD). Se unen débilmente a la apoenzima.
    • Grupo prostético: Es un tipo de cofactor que se une de forma covalente y permanente a la apoenzima.

Propiedades Generales de las Enzimas

• Gran poder catalítico: Aceleran las reacciones millones de veces, reduciendo la energía de activación.
• Alta especificidad: Generalmente, cada enzima actúa sobre un sustrato específico o un grupo de sustratos muy relacionados.
• No se consumen en la reacción: Se recuperan intactas al final del proceso y pueden volver a actuar.
• Condiciones óptimas: Su actividad es máxima a un pH y temperatura fisiológicos. Son muy sensibles a cambios en estas condiciones y pueden desnaturalizarse (perder su estructura y función).
• Regulables: La célula puede controlar su actividad para ajustarla a las necesidades metabólicas.
• Isoenzimas: Son formas moleculares distintas de una misma enzima que catalizan la misma reacción, pero en tejidos o compartimentos celulares diferentes.
• Proenzimas o Zimógenos: Son precursores inactivos de una enzima que requieren una modificación (generalmente un corte proteolítico) para activarse.

Actividad Enzimática

Las enzimas actúan sobre moléculas específicas llamadas sustratos (S) para convertirlas en productos (P). La reacción general se representa como:

E + S ↔ E-S → E + P

El proceso implica la formación de un complejo enzima-sustrato (E-S), donde se produce un reconocimiento estérico. Dentro de este complejo, se rompen, forman o redistribuyen enlaces, y finalmente se liberan el producto y la enzima.

El Centro Activo

Es una región tridimensional específica de la enzima donde se une el sustrato y ocurre la catálisis. Está formado por aminoácidos que se pueden clasificar en:

• Aminoácidos de unión o fijación: Establecen interacciones débiles con el sustrato para posicionarlo correctamente.
• Aminoácidos catalíticos: Participan directamente en la transformación química del sustrato.
• Aminoácidos estructurales: Mantienen la conformación tridimensional adecuada del centro activo.

Modelos de Unión Enzimática

• Modelo de llave y cerradura (Fischer): Propone que el centro activo tiene una forma predeterminada y rígida, complementaria a la del sustrato.
• Modelo de ajuste inducido (Koshland): Es el modelo más aceptado. Sostiene que el centro activo es flexible y adapta su conformación al unirse al sustrato, optimizando la catálisis.

Tipos de Especificidad

• De grupo: La enzima reconoce un grupo funcional común en diferentes sustratos.
• Absoluta: La enzima actúa sobre un único sustrato.
• Estereoquímica: La enzima es capaz de diferenciar y actuar sobre un isómero espacial específico (por ejemplo, L-aminoácidos pero no D-aminoácidos).

Factores y Regulación de la Actividad Enzimática

Factores que Condicionan la Actividad

• Concentración del sustrato: Al aumentar la concentración de sustrato, la velocidad de la reacción aumenta hasta alcanzar una velocidad máxima (Vmáx), momento en el que la enzima está saturada. La constante de Michaelis-Menten (Km) es la concentración de sustrato a la que la velocidad es la mitad de la Vmáx e indica la afinidad de la enzima por el sustrato (a menor Km, mayor afinidad).
• pH: Cada enzima tiene un pH óptimo de máxima actividad. Variaciones extremas de pH alteran la estructura terciaria (desnaturalización) y el estado de ionización de los aminoácidos del centro activo, disminuyendo o anulando su actividad.
• Temperatura: La actividad aumenta con la temperatura hasta alcanzar una temperatura óptima. A temperaturas más altas, la enzima se desnaturaliza de forma irreversible y pierde su función.

Regulación de la Actividad Enzimática

Activación Enzimática

Los activadores son sustancias que permiten o aumentan la acción enzimática. Al unirse a la enzima, inducen una conformación estructural adecuada para la catálisis. Ejemplos comunes son cationes metálicos (Mg²⁺, Ca²⁺) o el propio sustrato.

Inhibición Enzimática

Los inhibidores son sustancias que disminuyen o anulan la actividad de una enzima. Un caso especial es la retroinhibición (inhibición feed-back), donde el producto final de una ruta metabólica inhibe a una de las primeras enzimas de la ruta, regulando así su propia producción.

• Inhibición Irreversible: El inhibidor se une permanentemente a la enzima (generalmente por enlace covalente), inactivándola de forma definitiva.
• Inhibición Reversible: El inhibidor se une de forma no covalente y puede disociarse de la enzima.
  • Competitiva: El inhibidor es estructuralmente similar al sustrato y compite por unirse al centro activo. Se puede alcanzar la Vmáx si se aumenta mucho la concentración de sustrato.
  • No Competitiva: El inhibidor se une a un sitio diferente del centro activo (sitio alostérico), modificando la conformación de la enzima y reduciendo su eficacia. No se alcanza la Vmáx, incluso con altas concentraciones de sustrato.
  • Acompetitiva: El inhibidor se une únicamente al complejo enzima-sustrato (E-S), impidiendo la formación de productos.

Regulación Alostérica

Las enzimas alostéricas, a menudo localizadas en puntos clave de rutas metabólicas, poseen un centro regulador (o alostérico) además del centro activo. La unión de un modulador o ligando (que puede ser un activador o un inhibidor) a este sitio cambia la conformación de la enzima y, por tanto, su afinidad por el sustrato.

• Suelen tener estructura cuaternaria (varias subunidades).
• Existen en dos conformaciones: R (relajada) de alta afinidad y T (tensa) de baja afinidad.
• Presentan un efecto cooperativo entre las subunidades.
• Su cinética no sigue el modelo de Michaelis-Menten, sino que muestra una curva sigmoidal (en forma de «S»).

Clases Principales de Enzimas

Se clasifican en seis grandes grupos según el tipo de reacción que catalizan:

1. Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de óxido-reducción (redox), con transferencia de electrones. Son clave en la obtención de energía. Ejemplos: deshidrogenasas, que utilizan coenzimas como NAD⁺ o FAD.
2. Transferasas: Transfieren grupos funcionales (amino, metilo, etc.) de un sustrato a otro. Ejemplos: transaminasas, quinasas.
3. Hidrolasas: Catalizan reacciones de hidrólisis, rompiendo enlaces con la adición de una molécula de agua. Ejemplos: lipasas (enlaces éster), amilasas (enlaces glucosídicos), peptidasas (enlaces peptídicos).
4. Liasas: Catalizan la adición de grupos a dobles enlaces o la eliminación de grupos para formar dobles enlaces, sin hidrólisis. Ejemplo: desaminasas.
5. Isomerasas: Catalizan reordenamientos intramoleculares, convirtiendo un sustrato en uno de sus isómeros.
6. Ligasas o Sintetasas: Catalizan la unión de dos moléculas para formar una más grande, utilizando la energía proveniente de la hidrólisis de ATP.

Coenzimas y Vitaminas

Las coenzimas son cofactores orgánicos que se unen débilmente a la apoenzima y actúan como transportadores de grupos químicos. Muchas de ellas son vitaminas o derivados de estas.

Las vitaminas son compuestos orgánicos esenciales que los animales no pueden sintetizar y deben obtener de la dieta. Son lábiles a la temperatura, luz y almacenamiento. Su deficiencia puede causar enfermedades (avitaminosis o hipovitaminosis).

Clasificación de las Vitaminas

• Liposolubles (A, D, E, K): De naturaleza lipídica, se disuelven en grasas y disolventes orgánicos.
• Hidrosolubles (Complejo B, C): Solubles en agua, su exceso se elimina fácilmente por la orina.

Proteínas: Los Pilares de la Vida

Las proteínas (o prótidos) son biomoléculas orgánicas formadas por C, H, O, N y a veces S y P. Son las moléculas orgánicas más abundantes en las células (más del 50% del peso seco) y desempeñan una enorme variedad de funciones gracias a su diversidad estructural.

• Composición: Son polímeros formados por la unión de monómeros llamados aminoácidos (aa).
• Péptidos: Cadenas cortas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.
• Proteína: Polipéptido con más de 50 aminoácidos o un peso molecular superior a 5.000 Da.

Clasificación de las Proteínas

• Holoproteínas: Formadas exclusivamente por aminoácidos. Pueden ser fibrosas (estructurales, insolubles) o globulares (funcionales, solubles).
• Heteroproteínas: Formadas por una parte proteica (aminoácidos) y una parte no proteica llamada grupo prostético (ej: cromoproteínas, lipoproteínas).

Aminoácidos: Las Unidades Estructurales

Estructura y Propiedades

Los aminoácidos que forman las proteínas son α-aminoácidos y comparten una estructura común:

• Un grupo carboxilo (-COOH).
• Un grupo amino (-NH₂) unido al carbono alfa (Cα).
• Un átomo de hidrógeno (H) unido al Cα.
• Una cadena lateral (-R), que es diferente para cada aminoácido y determina sus propiedades.

Propiedades Importantes

• Ionización: En agua a pH neutro, forman un ion dipolar o zwitterion, con el grupo carboxilo desprotonado (-COO⁻) y el grupo amino protonado (-NH₃⁺), resultando en una carga neta cero.
• Aminoácidos esenciales: Son aquellos que el organismo no puede sintetizar y deben ser ingeridos en la dieta (ej: Valina, Fenilalanina).
• Estereoisomería: Todos los aminoácidos, excepto la glicina, tienen un carbono asimétrico (Cα) y presentan dos isómeros (L y D). Las proteínas utilizan exclusivamente L-aminoácidos.
• Actividad óptica: Desvían el plano de la luz polarizada.
• Comportamiento anfótero: Pueden actuar como ácido (cediendo H⁺) o como base (captando H⁺), lo que les permite funcionar como sistemas tampón para mantener estable el pH.
• Punto isoeléctrico (pI): Es el valor de pH en el que el aminoácido tiene una carga neta cero. A pH > pI, la carga es negativa; a pH < pI, la carga es positiva.

El Enlace Peptídico

Es la unión covalente que se forma entre el grupo carboxilo (-COOH) de un aminoácido y el grupo amino (-NH₂) del siguiente, con la pérdida de una molécula de agua (reacción de condensación). Este enlace se rompe mediante hidrólisis (química o enzimática, por proteasas).

Propiedades del Enlace Peptídico

• Tiene carácter de doble enlace parcial, lo que lo hace rígido y plano. No permite la rotación libre a su alrededor.
• La unión de aminoácidos forma una cadena polipeptídica con una orientación definida: un extremo N-terminal (con el grupo -NH₂ libre) y un extremo C-terminal (con el grupo -COOH libre).

Niveles de Estructura de las Proteínas

Estructura Primaria

Es la secuencia lineal y ordenada de aminoácidos en la cadena polipeptídica. Está determinada genéticamente y de ella dependen los niveles superiores de estructuración y la función final de la proteína.

Estructura Secundaria

Es el plegamiento local de la cadena polipeptídica, estabilizado por puentes de hidrógeno entre los grupos -CO- y -NH- del esqueleto del polipéptido.

• α-Hélice: Estructura en espiral dextrógira (3,6 aa por vuelta). Los puentes de hidrógeno son intracatenarios. Las cadenas laterales (-R) se proyectan hacia el exterior. Ejemplos: α-queratina, miosina.
• Lámina β (u Hoja plegada β): Estructura en zigzag. Los puentes de hidrógeno son intercatenarios (entre segmentos diferentes de la misma cadena o entre cadenas distintas). Ejemplo: fibroína de la seda.
• Triple hélice de colágeno: Tres cadenas polipeptídicas helicoidales entrelazadas, ricas en prolina e hidroxiprolina. Es la estructura del colágeno.

Estructura Terciaria

Es el plegamiento global y tridimensional de la cadena polipeptídica completa. Es la responsable de la función biológica de la proteína. Se estabiliza por interacciones entre las cadenas laterales (-R):

• Puentes disulfuro (-S-S-): Enlace covalente fuerte entre dos cisteínas.
• Enlaces iónicos: Entre grupos -R con carga opuesta.
• Puentes de hidrógeno: Entre grupos -R polares.
• Interacciones hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals: Entre grupos -R apolares, que tienden a agruparse en el interior de la proteína.

Estructura Cuaternaria

Presente solo en proteínas formadas por dos o más cadenas polipeptídicas (subunidades o protómeros). Describe la disposición espacial de estas subunidades. Se mantiene por los mismos tipos de enlaces que la estructura terciaria. Ejemplo: la hemoglobina es un tetrámero (2 subunidades α y 2 β), cada una con un grupo hemo que transporta oxígeno.

Propiedades y Funciones de las Proteínas

Propiedades de las Proteínas

• Solubilidad: Las proteínas globulares son generalmente solubles en agua al formar dispersiones coloidales, mientras que las fibrosas son insolubles.
• Desnaturalización: Es la pérdida de las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria, lo que conlleva la pérdida de la función biológica. Es causada por agentes como el calor, cambios extremos de pH o disolventes orgánicos. La estructura primaria (enlaces peptídicos) no se altera. Puede ser reversible o irreversible.
• Especificidad: Cada proteína tiene una secuencia y estructura únicas que determinan una función específica. Esta especificidad es crucial, por ejemplo, en la acción enzimática o en la respuesta inmunológica.

Funciones Biológicas de las Proteínas

• Reserva: Almacenan aminoácidos. Ej: ovoalbúmina (huevo), caseína (leche).
• Transporte: Unen y transportan moléculas. Ej: hemoglobina (O₂), lipoproteínas (lípidos).
• Contráctil: Permiten el movimiento. Ej: actina y miosina (músculos).
• Protectora o Defensiva: Defienden al organismo. Ej: inmunoglobulinas (anticuerpos), trombina (coagulación).
• Hormonal: Regulan procesos fisiológicos. Ej: insulina, hormona del crecimiento.
• Estructural: Proporcionan soporte y forma. Ej: colágeno (tejido conectivo), queratina (piel, pelo).
• Enzimática: Actúan como catalizadores biológicos. Ej: catalasas, isomerasas.
• Homeostática: Mantienen el equilibrio interno, como la regulación del pH (capacidad amortiguadora).