Estructura y Función de las Proteínas: Enzimas y Regulación

Estructura y Composición de las Proteínas

Las biomoléculas orgánicas consideradas proteínas están constituidas por átomos de carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y, en algunos casos, azufre (S). Son las biomoléculas más abundantes en los seres vivos y están formadas por aminoácidos (aa). Su importancia radica en su abundancia y en sus diversas funciones biológicas: actúan como catalizadores de reacciones químicas (enzimas) y no se utilizan para producir energía. La especificidad es una característica clave: cada organismo posee algunas proteínas exclusivas que marcan su identidad biológica.

Aminoácidos (AA)

Son moléculas que poseen una cadena carbonada con al menos un grupo amino (-NH₂) y un grupo carboxilo (-COOH).

Propiedades de los Aminoácidos

• Capacidad para formar enlaces peptídicos (PDH): pueden formar enlaces peptídicos entre los grupos polares de dos aminoácidos diferentes, uniendo el H del grupo amino y el O del grupo carboxilo. Este enlace es una fuerza intermolecular importante para el plegamiento de las proteínas y para que reaccionen con otras moléculas. Esto les confiere: alto grado de solubilidad en agua, elevado punto de fusión (son sólidos a temperatura ambiente) y mayor punto de ebullición.
• Estereoisomería: como el carbono central es asimétrico, los aminoácidos proteicos tendrán isómeros: si el grupo NH₃⁺ está a la derecha, se denominan D, y si está a la izquierda, L. Los de tipo L se encuentran en la naturaleza, pero no utilizamos los de tipo D porque no tenemos enzimas para catalizarlos.
• Carácter anfótero: su comportamiento en diferentes medios es el siguiente:
  • Medio Neutro: a pH neutro (igual concentración de H⁺ que de OH^-), el grupo COOH cede un protón (H⁺) y el NH₂ lo coge (grupos ionizados).
  • Medio Básico: a pH alto (pocos H⁺ libres en el medio), el NH₃⁺ cede un protón al medio y el aminoácido queda cargado negativamente (-), comportándose como un ácido.
  • Medio Ácido: a pH bajo (muchos H⁺ libres en el medio), el COO^- recupera el H⁺ que ha liberado, pero el NH₂ se queda con tres H⁺ porque hay muchos en el medio, y el aminoácido queda cargado positivamente (+), comportándose como una base.

Enzimas: Biocatalizadores Esenciales

Las enzimas son proteínas globulares que actúan como biocatalizadores (catalizadores biológicos), es decir, aceleran las reacciones metabólicas que ocurren en los seres vivos. Adaptan el tiempo de las reacciones a las necesidades celulares de cada momento, logrando que los procesos bioquímicos se produzcan de manera eficaz y ordenada. Son específicas de sustrato y reacción, lo que significa que una enzima cataliza un único sustrato a través de una única reacción, lo que da lugar a una gran variedad.

¿Cómo Funcionan las Enzimas?

En cualquier reacción química, un sustrato se transforma en producto. Desde el punto de vista energético, las reacciones pueden ser:

• Exergónicas: la energía del reactivo es mayor a la del producto, y es espontánea, porque al tener mucha energía, la naturaleza tiende a liberarla.
• Endergónicas: la energía del producto es mayor a la del reactivo, y hay que forzarla.

Mecanismo de Acción Enzimática

Las enzimas actúan en tres etapas:

1. El sustrato se une a la enzima en el centro activo, formando el complejo enzima-sustrato (ES). Es una etapa reversible y la más lenta. La unión entre la enzima y el sustrato requiere un reconocimiento estérico (acoplamiento específico entre moléculas). Esta unión se realiza gracias a los radicales de algunos de los aminoácidos del centro activo de la proteína, que establecen enlaces con el sustrato. Hay dos modelos de unión:
   • Modelo llave-cerradura: el sustrato encaja perfectamente en la enzima. Si no es la enzima correcta, encajará, pero no se convertirá en producto.
   • Modelo de acoplamiento inducido/mano-guante: la enzima varía su estructura para adaptarse a la forma del sustrato.
2. Formado el complejo ES, la enzima lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final. Esta etapa es rápida e irreversible.
3. El producto se libera del centro activo y la enzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato.

Principio de economía celular: solamente permanecen activas las enzimas precisas en cada momento, según las necesidades de la célula, evitando así la síntesis innecesaria de productos, cuya acumulación podría tener efectos negativos.

Regulación de la Actividad Enzimática

Activación Enzimática

De manera habitual, una enzima puede estar inactiva, pero se le une un activador que hace que el centro activo adquiera la estructura adecuada para el acoplamiento del sustrato. El activador puede ser: cationes (Mg²⁺), moléculas orgánicas o el propio sustrato.

Inhibición Enzimática

Un inhibidor (suele ser el producto, en un proceso de retroinhibición) se une a la enzima bloqueando su actividad. Puede ser:

• Inhibición irreversible: si el inhibidor se une a la enzima permanentemente a través de enlaces covalentes.
• Inhibición reversible: si el inhibidor se une a la enzima a través de enlaces no covalentes, por tanto, transitorios. En este caso, la enzima puede recuperar su actividad si se elimina el inhibidor. Esta inhibición puede ser:
  • Competitiva: el inhibidor se une al centro activo de la enzima impidiendo la unión del sustrato.
  • No competitiva: el inhibidor se une a un lugar diferente al centro activo modificando la estructura de la enzima, dificultando el acoplamiento del sustrato a ella.

Regulación Alostérica

Es un sistema de regulación muy preciso. Las enzimas alostéricas suelen catalizar reacciones metabólicas importantes. Se caracterizan por:

• Ser enzimas constituidas por varias subunidades (estructura cuaternaria).
• Poseer varios centros de regulación.

Cuando a los centros reguladores se unen activadores, la enzima adopta una conformación nativa (R), de alta afinidad por el sustrato y cataliza su transformación en producto. Si se unen inhibidores, la enzima adopta una conformación inactiva (T), de baja afinidad por el sustrato, por lo que no cataliza su transformación en producto.