Enzimas: Concepto y Naturaleza

Las enzimas son catalizadores biológicos potentes y eficaces, es decir, sustancias que aceleran una reacción química al disminuir la energía de activación. Esta reacción se produce porque se rompen los enlaces de los reactivos y se forman otros en los productos. El estado de transición es el momento intermedio de la formación de estos, y se necesita la energía de activación para alcanzarlo. Las enzimas aceleran las reacciones porque disminuyen esta energía y aumentan la velocidad de la reacción. Actúan en pequeña cantidad y no se alteran durante la reacción. Son proteínas globulares, salvo la ribozima (ARN). Los biocatalizadores tienen una acción muy específica: especificidad de sustrato (es la molécula sobre la que la enzima actúa) y de acción (cada reacción está catalizada por una enzima específica). Se nombran con la raíz del sustrato y -asa (menos pepsina, tripsina…).

Naturaleza de las Enzimas

• Ribozimas (ARN)
• Enzimas proteicas (holoproteínas: proteínas globulares)
• Enzimas formadas por una fracción polipeptídica (apoenzima) y una fracción no polipeptídica (cofactor o grupo prostético). Apoenzima + cofactor = Holoenzima.
• Cofactores inorgánicos (iones)
• Cofactores orgánicos (moléculas orgánicas): Son sintetizadas a partir de vitaminas en la mayoría de los casos y su presencia es requerida por algunas enzimas para poder activarse y catalizar la reacción. Por ejemplo, el NADP+, el FAD o el coenzima A (CoA).
• Mientras que un cofactor se une al centro activo del enzima por enlace no covalente (más débil), el grupo prostético se encuentra fuertemente unido al apoenzima mediante un enlace covalente.
• Enzimas con forma inactiva (proenzima) que necesitan activarse actuando en ella otra sustancia.
• Isoenzimas: enzimas que realizan la misma función pero son diferentes en la secuencia de aminoácidos y en la velocidad de la reacción.

Centro Activo

El sustrato se unirá al centro activo por interacciones electrostáticas, enlaces de H, interacciones hidrofóbicas, fuerzas de Van der Waals, etc. El sustrato debe encajar perfectamente en el centro activo. Cambios en la conformación del sitio activo normalmente llevarán consigo una pérdida de actividad. Modelos de unión:

• Modelo llave-cerradura
• Ajuste inducido (mano-guante)
• Apretón de manos

Cinética Enzimática

Reacción exergónica: la energía libre del producto final es menor que la del producto inicial. Endergónica: al revés. Hay que suministrar una cantidad de energía inicial (energía de activación). Existe un paso intermedio de activación de los sustratos (estado de transición) que es el que requiere la energía de activación.

La velocidad de la reacción o actividad enzimática depende de:

• Concentración de enzima
• Concentración de sustrato: La velocidad de reacción aumenta a medida que aumenta la concentración de sustrato hasta que todas las moléculas de enzima están combinadas con sustrato [ES], después ya es independiente y habrá una velocidad máxima y desde ahí una velocidad constante.

La ecuación de Michaelis Menten pone de manifiesto que la velocidad de la reacción depende de la [S], de la Vmax que se puede alcanzar con una determinada [E] y de la constante de Michaelis-Menten.

KM = constante de Michaelis Menten : Concentración de sustrato necesaria para que la velocidad de la reacción sea la mitad de la velocidad máxima. La Km de una enzima indica el grado de afinidad de ésta respecto del sustrato o, lo que es lo mismo, la estabilidad del complejo E-S. Concretamente:

a) Un valor alto de Km quiere expresar que para conseguir la semisaturación se requiere una elevada concentración de sustrato, la enzima no tiene gran afinidad por él.

b) Valores bajos de Km indican que el complejo E-S se forma a bajas concentraciones de sustrato, la enzima tiene gran afinidad por él.

• Temperatura: Un aumento en la temperatura provoca un aumento de la velocidad de reacción hasta cierta temperatura óptima. En mamíferos, muchas tienen una temperatura óptima.
• pH: Cualquier cambio brusco de pH puede alterar el carácter iónico de los grupos amino y carboxilo, afectando así las propiedades catalíticas de una enzima. A pH alto o bajo se puede producir la desnaturalización de la enzima y, en consecuencia, su inactivación. Todas las enzimas tienen dos valores extremos de pH entre los cuales son efectivas. Al igual que para la temperatura, existe un pH óptimo para el cual la velocidad de la reacción es máxima. El pH óptimo está condicionado por el tipo de enzima y de sustrato.

Inhibición Enzimática

Los inhibidores enzimáticos son pequeñas moléculas o iones que provocan la pérdida o el bloqueo de la actividad de las enzimas.

1. Reversible

Se forma un complejo E-I que puede disociarse y dejar activa a la enzima.

• Competitiva: El inhibidor y el sustrato se parecen y compiten por unirse al centro activo (reversible).
• No competitiva: El inhibidor y el sustrato pueden unirse simultáneamente a la enzima, aunque en puntos distintos de su molécula, pero al unirse el inhibidor, la actividad enzimática queda bloqueada.
• Acompetitiva: El inhibidor se une al complejo enzima-sustrato, no a la enzima, e impide la obtención del producto.
• Inhibición por el producto: Forma muy frecuente de inhibición no competitiva en los procesos metabólicos. Mecanismo de retroinhibición en el que el inhibidor es el propio producto de una reacción. El producto (en este caso inhibidor) funciona a modo de ‘señal’ de que existe una concentración adecuada del mismo y que ya no se necesita más, para que la reacción se detenga. Ventaja: evita un gasto inútil de energía y también un gasto innecesario de enzimas.

2. Irreversible (Envenenamiento)

El inhibidor modifica la estructura de la enzima o se une tan fuertemente a ella que la inactiva totalmente, altera su estructura y la inutiliza.

Especificidad de las Enzimas

Las enzimas son específicas en relación a la selección del sustrato. Esta especificidad es variable de unas enzimas a otras y puede darse a tres niveles diferentes:

a) Absoluta: cuando la enzima es específica de un único sustrato. Ej. Sacarasa

b) De grupo: cuando la enzima actúa sólo sobre un grupo funcional o un enlace químico determinado, de uno o varios sustratos. Ej. Peptidasa

c) De clase: cuando la actuación de la enzima no depende del tipo de molécula sino del tipo de enlace. Ej. Fosfatasa

También existe especificidad de acción: las enzimas catalizan únicamente una de las distintas transformaciones que puede sufrir un sustrato, sólo cataliza un proceso bioquímico concreto.

Coenzimas

Las coenzimas son moléculas de bajo peso molecular, de naturaleza no proteica y termoestables. No son responsables de la especificidad de la enzima. Una misma coenzima puede actuar en reacciones diferentes. Las coenzimas sí se modifican durante la reacción:

1. NAD+: en las células vivas, compuesta por un dinucleótido. Su función principal es el intercambio de electrones (e^–) y protones (p⁺) y la producción de energía de todas las células. En el metabolismo, el NAD+ está implicado en reacciones de reducción-oxidación.
2. FAD: interviene en las reacciones metabólicas de oxidación-reducción.
3. CoA: notable por su papel en la biosíntesis y la oxidación de ácidos grasos, así como en la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, paso previo al ciclo de Krebs.

Vitaminas

Concepto: Las vitaminas son sustancias orgánicas necesarias en pequeñas cantidades. Su necesidad varía según la edad, peso y actividad. Los vegetales, hongos y microorganismos las fabrican. Los animales no. Algunas son ingeridas como provitaminas (inactivas) y luego el metabolismo animal las transforma en activas.

Trastornos orgánicos:

• Avitaminosis: carencia total.
• Hipovitaminosis: carencia parcial.
• Hipervitaminosis: exceso.

Clasificación de las Vitaminas

• Hidrosolubles (solubles en agua, coenzimas o precursores de coenzimas):
  • Vitamina C
  • Vitamina B1
  • Vitamina B2 (riboflavina): Fuentes: en casi todos los alimentos, producida por bacterias, levaduras y vegetales de color amarillo. Se encuentra en la leche, huevos, hígado… / Acción: forma parte del FAD y del FMN (coenzimas de enzimas que actúan en procesos respiratorios celulares, sobre todo en la oxidación de glúcidos y aminoácidos). / Déficit: enrojecimiento e irritabilidad de labios, lengua, mejillas y ojos (fotofobia).
  • Vitamina B3 (niacina): Fuentes: hongos, alimentos fermentados con levadura, leche y carne. / Acción: forma parte del NAD y del NADP (procesos de oxidación de glúcidos y proteínas). / Déficit: aparición de pelagra, enrojecimiento de la cavidad bucal, trastornos del aparato digestivo, a veces nerviosos y mentales o la muerte. / Exceso: sonrojo, quemazón y picores en la piel.
  • Vitamina B5
  • Vitamina B6
  • Vitamina B8
  • Vitamina B9 (ácido fólico)
  • Vitamina B12
• Liposolubles:
  • Vitamina A (retinol)
  • Vitamina E (tocoferol)
  • Vitamina K
  • Vitamina D (calciferol, antirraquítica)

Gen: Concepto y Dogma Central de la Genética Molecular

El ADN lleva toda la información anatómica y fisiológica de los seres vivos. Un gen es el fragmento más pequeño de una molécula de ADN que posee información completa para un carácter determinado. Un gen = una enzima. Cuando los genes se expresan, se desarrollan los caracteres, el fenotipo de un individuo. La transmisión y expresión de los genes se lleva a cabo mediante tres procesos que constituyen el «dogma central de la genética molecular». En algunos virus cuyo material hereditario es ARN, la información se conserva o mantiene mediante replicación del ARN. En algunos casos, la información puede fluir del ARN hacia el ADN (ARN→ADN), es decir, sintetizar ADN tomando como molde ARN, teniendo lugar el fenómeno de la transcripción inversa.

Replicación del ADN

La replicación es la duplicación de la información genética para que pueda tener lugar la división de la célula o el proceso de reproducción. A partir de una molécula de ADN se obtienen dos moléculas de ADN hijas con la misma secuencia de nucleótidos que la del ADN original. Es semiconservativa: a partir de una hebra se va a ir sintetizando sobre ella la hebra complementaria mediante la actuación de enzimas. Se sintetizaba una nueva cadena complementaria de ADN a partir de otra cadena, y la enzima que regulaba la replicación era la ADN-polimerasa, aislada a partir de la bacteria Escherichia coli. Se comprobó que es capaz de sintetizar ADN in vitro. Para hacerlo, la ADN Polimerasa necesita:

• Desoxirribonucleótidos- trifosfatos de A, T, G, o C.
• Iones Mg++.
• Un cebador (primer), que es un fragmento de ARN al que une los nucleótidos.
• ADN que actúe como molde o patrón.

La ADN polimerasa es incapaz de iniciar una cadena de nuevo, siempre necesita un cebador (iniciador o primer). Se encuentra en el núcleo y en la mitocondria. Lee la hebra molde en sentido 3’5’ y sintetiza sólo en dirección 5’3’ uniendo los nucleótidos al extremo 3’ del ADN ya formado; siendo la nueva hebra antiparalela y complementaria de la ya existente. La duplicación del ADN comienza en un punto llamado origen de replicación, formándose a partir de él dos horquillas de replicación. Una de las hebras crece en dirección 5’3’, pero la otra lo debía hacer en dirección 3’5’, lo cual es imposible.

Mecanismo de la Duplicación en Bacterias

La doble hélice de ADN se abre, se separa y cada cadena actúa de molde para la síntesis de la nueva cadena con bases nitrogenadas complementarias a las de la cadena original.

Iniciación

Comienza en el origen de replicación (ORI), secuencia de nucleótidos rica en T y A. Replicación bidireccional: a partir del origen de replicación, la síntesis de las nuevas cadenas se realiza en sentidos opuestos. En ORI se separan las cadenas originando una burbuja de replicación, se van separando y se forma en cada cadena que va creciendo, en sentidos opuestos, una horquilla de replicación. Interviene la enzima helicasa, que rompe los puentes de hidrógeno entre las dos hebras de ADN. La topoisomerasa o girasa va desenrollando la doble hélice y elimina la tensión generada por la torsión en el desenrollamiento. Intervienen las proteínas SSB, uniéndose al ADN de una cadena para que no se vuelvan a unir las dos hebras moldes. La SSB es una proteína estabilizadora de ADN de una cadena. La ARN polimerasa primasa sintetiza un pequeño fragmento de ARN de 10 a 50 nucleótidos de ARN denominado primer, iniciador o cebador.

Elongación

La ADN-polimerasa III comienza a unir nucleótidos al extremo 3’-OH del cebador, sintetizando una nueva hebra de ADN a partir de nucleótidos trifosfato en sentido 5’3’. Requiere energía que la aportan los propios nucleótidos al perder dos fosfatos. Esta nueva hebra es de crecimiento continuo (hebra conductora). Sobre la otra hebra, antiparalela, Okazaki observó que se formaban unos fragmentos de ARN de unos 50 nucleótidos. A partir de él, la ADN-polimerasa III sintetiza esos nucleótidos complementarios en dirección 5’3’ formándose un fragmento de Okazaki. Este proceso se repite a medida que se va abriendo la molécula de ADN molde. Cuando se ha copiado, interviene la ADN polimerasa I, que primero retira los fragmentos de ARN, y luego rellena los huecos con nucleótidos de ADN. Finalmente, la ADN ligasa empalma entre sí los diferentes fragmentos. Esta nueva hebra es de crecimiento discontinuo y se denomina hebra retardada.

Terminación

La elongación continúa hasta que el ADN está replicado. Las dos horquillas se unen en un lugar diametralmente opuesto del origen de replicación del cromosoma bacteriano. Así se obtienen dos cadenas de ADN sin ARN e idénticas a las moléculas de ADN parental.

Corrección de Errores

Intervienen la ADN polimerasa III para retirar el segmento erróneo, la ADN polimerasa I que rellena el hueco y la ADN ligasa que empalma los fragmentos. Las nucleasas: endonucleasas (detectan errores y cortan la cadena anómala), exonucleasas (eliminan el fragmento incorrecto), ADN polimerasa (sintetizan el segmento correspondiente al fragmento eliminado; pueden eliminar los nucleótidos erróneos y sintetizar esa parte), ADN ligasa (unen el segmento al resto de la cadena).

Telómero: estructuras que se encuentran en los extremos de los cromosomas y se cortan cada vez que una célula se multiplica. Telomerasa: enzima que ayuda a evitar que los telómeros se acorten y retrasa el proceso de envejecimiento celular. La replicación del ADN en las eucariotas se va completando hasta llegar al telómero, el extremo del cromosoma. Al eliminar el último ARN cebador, la cadena retardada queda incompleta, esto hace que el telómero se vaya acortando cada vez que la célula se divide, lo que está asociado a procesos de envejecimiento y muerte de la célula.

Transcripción del ADN

La transcripción es el paso de una secuencia de ADN a otra de ARN. Se lleva a cabo en el núcleo de las células eucariotas y en el citoplasma en procariotas. Para que se lleve a cabo la transcripción del ADN en las células se requieren los siguientes elementos:

• ADN original que servirá de molde para ser copiado.
• ARN-polimerasa: sintetiza el ARN a partir del molde del ADN.
• Ribonucleótidos trifosfato para llevar a cabo la copia.
• Poli-A polimerasa, Ribonucleoproteína pequeña nuclear (ARN PN), ARN-ligasa.
• Cofactores: gamma y rho.

Mecanismo de la Transcripción

Se destaca la existencia de varias ARN-polimerasas en eucariotas y, sobre todo, la necesidad de que se produzca una «maduración», un procesamiento de algunos ARN debido a la existencia de los intrones.

Iniciación

La ARN-polimerasa se une a una zona del ADN previa al ADN que se quiere transcribir. A continuación, se separan las dos cadenas de ADN, iniciándose el proceso de copia del ADN a transcribir. Esta copia no requiere ningún cebador. Los ribonucleótidos se añaden en sentido 5’3′. En el caso de la transcripción de un gen que codifica para una proteína, la ARN-polimerasa se une a una zona de control denominada promotor (con una secuencia TATA) que regula la actividad de la ARN-polimerasa y, por tanto, regula la expresión del gen.

Elongación

La ARN-polimerasa dependiente del ADN continúa añadiendo ribonucleótidos complementarios al ADN hasta que se llega a una determinada secuencia que indica a la polimerasa el final de la zona a transcribir. En el extremo 5’ se une un nucleótido modificado de 7-metil guanosina, que forma lo que se denomina la “caperuza”.

Terminación

La transcripción finaliza, y al ARN recién formado se le añade una cola de nucleótidos de A, la cola de poli-A, agregada por la enzima poli-A polimerasa, que sirve para que el ARN no sea destruido por las nucleasas celulares.

Maduración de los Productos de la Transcripción

En el núcleo de eucariotas, la realiza la enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn), eliminando los intrones del ARN y quedando los exones libres para ser unidos por una ARN-ligasa.

Mutaciones

Las mutaciones son cambios inesperados en la información genética al azar. Son alteraciones en el material genético: ADN, genes, cromosomas.

• Por errores en la replicación y en la reparación del mensaje genético.
• Por errores en la repartición de los cromosomas en la división celular.
• Por agentes mutágenos.

Constituyen una fuente de variabilidad genética que ha permitido la evolución de las especies.

Clasificación de las Mutaciones

• Según las células a las que afecta:
  • Somáticas (no heredables).
  • Células reproductoras (se transmiten a la descendencia).
• Según su causa:
  • Naturales: espontáneamente.
  • Inducidas: provocadas artificialmente mediante agentes mutágenos (sustancias que aumentan la frecuencia de la mutación):
    • Radiaciones ionizantes: Rayos X, radiaciones nucleares…
    • No ionizantes: rayos UV.
    • Sustancias químicas mutagénicas: Ácido nitroso, hidroxilamina…
• Según los efectos que producen:
  • Neutras
  • Beneficiosas
  • Perjudiciales (muerte o enfermedades a los individuos que las padecen).
• Material genético afectado:
  1. Génicas (alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen):
     • Sustitución de pares de bases: transición (A-G, T-C) y transversión. Ej: anemia falciforme.
     • Deleción o inserción de bases nitrogenadas.
     • Transposiciones (variación de algunos segmentos, albinismo).
  2. Cromosómicas: cambios en la estructura interna de los cromosomas:
     • 2.1 Número de genes:
       • Deleción (pérdida de un fragmento, síndrome del maullido).
       • Duplicación (repetición de un segmento, aumenta el material genético y sirve para la evolución).
     • 2.2 Orden de los genes:
       • Inversión (cambio de sentido de un fragmento, pericéntrica (incluye centrómero), paracéntrica).
       • Translocación (cambio de posición de un segmento, no hay pérdida ni ganancia de material genético, no supone nada para el individuo): recíproca, transposición.
  3. Genómicas: afectan al número de cromosomas:
     • 3.1 Aneuploidías:
       • Nulisomía (2n-2)
       • Monosomía (2n-1, síndrome de Turner XO)
       • Trisomías (2n+1, síndrome de Down (21))
     • 3.2 Euploidías:
       • Monoploidía: un solo cromosoma por cada par.
       • Poliploidía: frecuente en plantas.

Agentes Mutágenos

• Físicos:
  • Radiaciones ionizantes: rayos X, gamma, alfa, beta, ultrasonidos. Efectos: alteraciones en la estructura del cromosoma, mutaciones génicas como la pérdida de bases nitrogenadas.
  • No ionizantes: radiaciones ultravioleta, provocan el paso de electrones a niveles energéticos más altos formando dímeros de T y formas tautoméricas.
• Químicos, efectos retardados: análogos de las bases nitrogenadas que provocan emparejamientos erróneos, ácido nitroso, gas mostaza, cafeína, nicotina…
• Biológicos: retrovirus (hepatitis B), transposones (segmentos de ADN que pueden cambiar de posición).