Clasificación de los Aminoácidos

Los aminoácidos se clasifican en:

• Neutros apolares: Su radical (R) es hidrófobo, lo que les confiere menor solubilidad en agua. Poseen cadenas de naturaleza polar hidrófoba. Ejemplos: Metionina (Met), Alanina (Ala), Valina (Val).
• Neutros polares: Su R es hidrófobo, pero tienen grupos polares que les permiten formar puentes de hidrógeno, aumentando su solubilidad en agua. Ejemplos: Serina (Ser), Glutamina (Gln), Cisteína (Cys).
• Ácidos: Su R es un grupo carboxilo capaz de ceder un protón (H⁺) y cargarse negativamente (-), dependiendo del pH del medio. Ejemplos: Ácido Glutámico (Glu), Ácido Aspártico (Asp).
• Básicos: Su R es un grupo amino capaz de captar un protón (H⁺) y cargarse positivamente (+) según el pH del medio. Ejemplos: Histidina (His), Arginina (Arg).
• Esenciales: Son aquellos que el organismo no puede sintetizar y deben ser ingeridos en la dieta. Ejemplos: Valina (Val), Ácido Glutámico (Glu) (Nota: la esencialidad del ácido glutámico es debatible, se suele considerar no esencial).

Enlace Peptídico

El enlace peptídico es un enlace covalente de tipo amida que une a los aminoácidos. No puede rotar libremente y puede ser trans o cis.

Oligopéptidos

Son cadenas cortas de aminoácidos. Algunos ejemplos relevantes son:

• Insulina: Hormona de 51 aminoácidos, producida y secretada por las células beta (β) del páncreas. Su función es polimerizar la glucosa formando glucógeno, almacenándolo en los músculos e hígado.
• Glucagón: Hormona de 29 aminoácidos, producida por las células alfa (α) del páncreas. Su función es la hidrólisis del glucógeno.
• Oxitocina/Vasopresina: Hormonas liberadas a la circulación a través de la neurohipófisis. Actúan sobre la musculatura lisa.
• Endorfinas: Péptidos opioides endógenos, producidos por la glándula pituitaria y el hipotálamo en diversas situaciones.

Niveles Estructurales de las Proteínas

• Estructura Primaria: Secuencia lineal de aminoácidos que forman la proteína e indica el orden en el que se encuentran unidos. Viene determinada genéticamente y determina el resto de los niveles estructurales.
• Estructura Secundaria: Disposición que adopta en el espacio la cadena de aminoácidos gracias a los puentes de hidrógeno entre los grupos COOH y NH₂. Los radicales no actúan debido a que están situados al exterior de las estructuras. Existen varios tipos:
  • Hélice α: Cadena peptídica enrollada sobre sí misma hacia la derecha, con aproximadamente 3 o 4 aminoácidos por vuelta. Los giros se producen a nivel del carbono alfa (Cα). La estructura se une por puentes de hidrógeno intracatenarios entre grupos NH y CO de enlaces peptídicos de diferentes aminoácidos que quedan enfrentados.
  • Lámina plegada β: Los aminoácidos se disponen en zigzag, formando puentes de hidrógeno con tramos adyacentes de la misma cadena o de cadenas diferentes. Estos pueden disponerse en el mismo o en distinto sentido (aminoácidos enfrentados).
  • Triple hélice de colágeno: Tiene forma de varilla rígida, larga y estrecha. En su composición dominan tres aminoácidos: prolina, glicina e hidroxiprolina. La estructura está constituida por tres cadenas polipeptídicas que se enrollan de forma similar a una hélice α, pero más estirada y levógira. La unión entre las hebras se produce mediante puentes de hidrógeno entre los grupos NH y CO.
• Estructura Terciaria: Configuración tridimensional definitiva de la proteína. Los responsables de esta estructura son los radicales (R) que interaccionan entre sí, estando próximos debido al plegamiento, lo que aporta estabilidad y estructura. El resultado son proteínas globulares o filamentosas. Los enlaces que estabilizan la estructura terciaria son: interacciones iónicas, atracciones hidrófobas, puentes de hidrógeno y puentes disulfuro.
• Estructura Cuaternaria: Se presenta en proteínas formadas por dos o más cadenas polipeptídicas con estructura terciaria. Se mantienen unidas por enlaces del tipo de los que estabilizan la estructura terciaria. Ejemplos: complejos enzimáticos, citoesqueleto.

Propiedades de las Proteínas

• Solubilidad: Algunas proteínas son solubles en agua.
• Capacidad Amortiguadora: Pueden actuar como amortiguadores de pH.
• Especificidad: Cada proteína tiene una función específica.
• Desnaturalización: Pérdida de la estructura tridimensional y, por lo tanto, de su función, debido a la rotura de los enlaces débiles que mantienen la configuración. Se conservan únicamente los enlaces covalentes de la estructura primaria.

Clasificación de las Proteínas según su Composición

• Holoproteínas: Formadas únicamente por aminoácidos. Se subdividen en:
  • Fibrosas: Colágeno (componente que soporta la tensión en tejidos), elastina (presente en órganos sometidos a deformaciones), queratina (forma parte del cabello, piel y uñas), fibroína (forma parte de la seda de los insectos), miosina (interviene en la división celular), fibrina (lleva a cabo la coagulación junto a células sanguíneas).
  • Globulares: Globulinas, albúminas, histonas, actina, enzimas.
• Heteroproteínas: Formadas por una fracción proteica y una fracción no proteica (grupo prostético). Algunos ejemplos son:
  • Glucoproteínas
  • Lipoproteínas
  • Fosfoproteínas
  • Nucleoproteínas
  • Cromoproteínas: Porfirínicas (hemoglobina, mioglobina) y no porfirínicas (hemocianina, rodopsina).

Enzimas: Catalizadores Biológicos

Características de las Enzimas

• Catalizadores: Facilitan y aceleran las reacciones químicas sin causar desequilibrio. Se encuentran en pequeñas cantidades, no se alteran en la reacción y quedan libres al final de la misma.
• Alta Actividad Catalítica: Poseen una gran capacidad para acelerar reacciones.
• Actividad Regulable: Su actividad puede ser regulada por estímulos intracelulares o extracelulares.
• Condiciones Suaves de Reacción: Actúan en condiciones suaves de pH y temperatura; de lo contrario, se desnaturalizan.
• Especificidad: Cada enzima actúa sobre un sustrato específico o un grupo de sustratos relacionados.

Naturaleza Química de las Enzimas

Muchas enzimas son heteroproteínas unidas a un cofactor.

Tipos de Cofactores

• Orgánicos:
  • Grupo Prostético: Se une a la enzima mediante enlace covalente y de forma permanente. Ejemplo: grupo hemo del citocromo c.
  • Coenzima: Se une a la enzima mediante uniones débiles y se separa tras la catálisis. Ejemplo: coenzima A.
• Inorgánicos: Actúan de forma similar a las coenzimas. Ejemplo: Fe²⁺.
• Catalizadores no prostéticos: Ribozimas (ARN con actividad catalítica que normalmente actúan sobre sustratos de ARN).

Complejo Enzima-Sustrato

La enzima se une al sustrato gracias a un reconocimiento estérico. Al realizar la unión, se debilitan enlaces y se forman nuevos, ya que las enzimas inducen modificaciones químicas en los sustratos a los que se unen mediante la ruptura de enlaces. Tras la modificación, los sustratos se transforman en productos. Una vez producida la unión enzima/sustrato (E/S), el complejo se disocia, quedando libre la enzima y el producto.

Centro Activo

Es la zona donde se unen el sustrato y la enzima mediante puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals. Está constituida por un número reducido de aminoácidos y suele tener una hendidura para adaptarse al sustrato. Hay dos tipos de aminoácidos en el centro activo:

• Aminoácidos de Unión o Fijación: Fijan la molécula de sustrato al centro activo en la posición adecuada.
• Aminoácidos Catalíticos: Constituyen el verdadero centro de acción de la enzima debido a sus propiedades químicas para desarrollar la función catalítica.

Mecanismos de Acción Enzimática

Las enzimas facilitan y aceleran la reacción porque disminuyen la energía de activación. Los sustratos pasan a ser productos, pasando por una etapa intermedia breve y muy energética llamada estado de transición. Durante este tiempo, se debilitan algunos enlaces, favoreciendo su ruptura y la creación de nuevos enlaces. Para que se alcance esta etapa, se necesita energía de activación.

Modelos de Acción Enzimática

• Llave y Cerradura
• Ajuste Inducido: La especificidad radica en los aminoácidos de unión del centro activo, encargados de establecer enlaces débiles con el sustrato.
• Apretón de Manos

Grados de Especificidad Enzimática

• De Clase: La enzima actúa sobre un grupo molecular que reconoce. Ejemplo: fosfatasa.
• De Enlace/Grupo: La enzima transforma sustratos que poseen un tipo de enlace específico. Ejemplo: α-glucosidasa.
• Absoluta: La enzima solo actúa sobre una molécula o isómero molecular. Ejemplo: ureasa.

Reguladores de la Actividad Enzimática

• pH
• Temperatura (Tª)
• Velocidad de Reacción (V): Aumenta con la concentración de sustrato (S), debido a que es más probable el encuentro entre S y la enzima (E). La variación de la velocidad de reacción viene dada por la ecuación de Michaelis-Menten:
  • Si [S] = Km, entonces V = Vmax/2.
  • Si el valor de Km es pequeño, se necesita menor cantidad de S para alcanzar Vmax, lo que indica que la enzima tiene gran afinidad por el sustrato.
  • Si el valor de Km es elevado, se necesita mayor cantidad de S para alcanzar la mitad de Vmax, lo que indica que la enzima tiene poca afinidad por el sustrato.

Moléculas que Inhiben la Actividad Enzimática

• Inhibición Irreversible: Impiden totalmente la actividad enzimática de forma permanente. Se unen a la enzima con un enlace fuerte o modifican su estructura. Ejemplo: venenos.
• Inhibición Reversible: Es temporal, ya que la unión del inhibidor a la enzima se produce mediante enlaces débiles. Puede ser:
  • Competitiva: La estructura del inhibidor es similar a la del sustrato.
  • No Competitiva: El inhibidor se une a la enzima por un sitio diferente al del sustrato, alterando su conformación.

Interacciones Alostéricas

La actividad de algunas enzimas está regulada por la unión de una molécula que actúa como modulador, uniéndose a un sitio distinto al centro activo. Este sitio es específico para cada molécula. Las enzimas alostéricas adoptan dos configuraciones: inactiva (unión al modulador) y activa (no unión al modulador).

Clases de Enzimas

• Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de oxidación-reducción para obtener energía de los carburantes metabólicos. Ejemplo: deshidrogenasas.
• Transferasas: Transfieren grupos funcionales de un sustrato a otro. Ejemplo: transaminasas.
• Hidrolasas: Catalizan reacciones de hidrólisis en las que se rompen diferentes tipos de enlaces. Ejemplo: lipasas (enlaces éster).
• Liasas: Catalizan la adición de grupos funcionales a moléculas que poseen un doble enlace, el cual desaparece al quedar unido el grupo a la molécula. Ejemplo: desaminasas.
• Isomerasas: Catalizan reacciones de isomerización que producen reordenaciones de una parte a otra de la molécula.
• Sintetasas o Ligasas: Catalizan la síntesis de nuevas moléculas, formando enlaces.