Biología 2º Bachillerato TEMA 5. PROTEÍNAS PDF

Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol TEMA 5. PROTEÍNAS 5.1. CONCEPTO: Las proteínas constituyen el grupo de biomoléculas más abundante de los seres vivos, ya que suponen el 50% del peso seco,...

Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol TEMA 5. PROTEÍNAS 5.1. CONCEPTO: Las proteínas constituyen el grupo de biomoléculas más abundante de los seres vivos, ya que suponen el 50% del peso seco, por término medio. Los prótidos están formados por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, aunque en ocasiones aparecen fósforo y azufre, y algunos elementos metálicos, como hierro y cobre. Las proteínas son polímeros de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Según el número de aminoácidos que componen el polímero, distinguimos entre péptidos y proteínas. 5.2. AMINOÁCIDOS: Los aminoácidos son moléculas pequeñas, monómeros de los péptidos y las proteínas. Son sólidos, solubles en agua, cristalinos, casi todos dulces y presentan isomería, ya que poseen un carbono asimétrico unido a cuatro radicales distintos (excepto en el caso de la glicina o glicocola). Estos radicales son: Un grupo carboxilo (-COOH), ácido. Un grupo amino (-NH2), básico. Un hidrógeno. Un radical, característico de cada aminoácido, y que le confiere características propias. Sirven como criterio de clasificación de los aminoácidos. 5.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS: Los radicales confieren al aminoácido unas características propias. Por ello, estos radicales se utilizan como criterio de clasificación de los aminoácidos. Según las características de su grupo radical, se dividen por su ionización, polaridad y reactividad, en: Curso 2024-25 5.1 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Aminoácidos neutros. Su cadena lateral no posee grupos carboxilo ni amino y, por tanto, a pH neutro su carga eléctrica neta es 0. Pueden ser: o Neutros polares. Su cadena lateral tiene grupos hidrófilos con los que puede formar puentes de hidrógeno con moléculas polares, por lo que son solubles en agua. Son aminoácidos polares la glicina, serina, treonina, cisteína, tirosina, asparagina y glutamina. o Neutros apolares. Su larga cadena hidrocarbonada lateral es hidrófoba, y es menos soluble en agua. Este grupo está constituido por la alanina, valina, leucina, isoleucina, prolina, metionina, fenilalanina y triptófano. Aminoácidos ácidos: el grupo R lleva un grupo ácido (carboxilo), de manera que a pH neutro, tienen carga negativa, ya que ese grupo desprende H+. Dos componentes de este grupo son el ácido aspártico y el ácido glutámico. Aminoácidos básicos: cuando el grupo R lleva un grupo básico (amino), de tal modo que a pH neutro, tienen carga eléctrica positiva (toma H+). Pertenecen a este grupo la arginina, histidina y lisina. 5.2.2. AMINOÁCIDOS ESENCIALES: Las proteínas de los seres vivos sólo tienen unos 20 aminoácidos diferentes, por lo que habrá únicamente 20 restos distintos. Es de destacar el hecho de que en todos los seres vivos sólo se encuentren los mismos 20 aminoácidos. La mayoría de los aminoácidos pueden sintetizarse unos a partir de otros, pero existen otros, aminoácidos esenciales, que no pueden ser sintetizados y deben obtenerse en la dieta habitual. Los aminoácidos esenciales son diferentes para cada especie, por ejemplo, en los humanos son: histidina (His), valina (Val), leucina (Leu), isoleucina (Ile), triptófano (Trp), fenilalanina (Phe), metionina (Met), treonina (Thr) y lisina (Lys). 5.2.3. PROPIEDADES DE LOS AMINOÁCIDOS: Los aminoácidos son compuestos sólidos, cristalinos, incoloros, algunos con sabor dulce, de elevado punto de fusión, solubles en agua (por el grupo amino y el grupo carboxilo), y otras propiedades importantes que vamos a ver más detalladamente. Curso 2024-25 5.2 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol a) Estereoisomería o isomería espacial: Todos los aminoácidos, excepto la glicina, tienen un carbono asimétrico, el carbono α, enlazado a cuatro radicales diferentes: un grupo amino, un grupo carboxilo, un radical R y un hidrógeno. Como consecuencia, los aminoácidos presentan isomería. Cada aminoácido puede tener dos estereoisómeros: Con configuración D si al disponerlo en el espacio, de forma que el grupo carboxilo quede arriba, el grupo -NH2 queda situado a la derecha. Con configuración L, si el grupo -NH2 se encuentra a la izquierda. Ambos estereoisómeros son imágenes especulares y no superponibles entre sí, por lo que son enantiómeros. Todos los aminoácidos proteicos tienen configuración L. b) Isomería óptica: Los aminoácidos presentan actividad óptica por la existencia del carbono asimétrico, siendo capaces de desviar el plano de luz polarizada que atraviesa una disolución de aminoácidos. Según hacia dónde desvía el plano de luz polarizada pueden ser: Dextrógiro o (+), si el aminoácido desvía el plano de luz polarizada hacia la derecha. Levógiro o (-), si lo desvía hacia la izquierda. La configuración L o D es independiente de la actividad óptica, por lo que un L-aminoácido puede ser levógiro o dextrógiro, igual que otro con configuración D. c) Comportamiento anfótero: Los aminoácidos disueltos en agua presentan un comportamiento anfótero, es decir, pueden ionizarse, comportándose como ácido o como base, dependiendo del pH. Esta característica se debe a la existencia del grupo carboxilo y del grupo amino: Curso 2024-25 5.3 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Se comporta como ácido. Los grupos -COOH liberan protones, quedando como -COO-. Se comporta como base. Los grupos -NH2 captan protones, quedando como - NH3+. Debido a su comportamiento anfótero, los aminoácidos tienden a neutralizar las variaciones de pH del medio, ya que pueden comportarse como un ácido o una base, liberando o retirando protones del medio. Si el medio es ácido, el aminoácido se comporta como una base. El grupo -COO- capta un protón y pierde su carga negativa. Si el medio es básico, el aminoácido se comporta como un ácido. El grupo como - NH3+ libera un protón y pierde su carga positiva. Cada aminoácido tiene un pH en el que tiende a adoptar una forma dipolar neutra, con tantas cargas positivas como negativas, que se denomina punto isoeléctrico. 5.3. ENLACE PEPTÍDICO: Los aminoácidos se unen para formar péptidos y proteínas mediante un enlace peptídico. Si el número de aminoácidos que constituyen el péptido es inferior a diez, se denomina oligopéptido, y si es superior a diez, el péptido recibe el nombre de polipéptido. El enlace peptídico es un enlace entre el grupo carboxilo (–COOH) de un aminoácido y el grupo amino (–NH2) de otro aminoácido. El enlace peptídico implica la pérdida de una molécula de agua y la formación de un enlace covalente CO-NH. Es, en realidad, un enlace covalente tipo amida. Los dos extremos de un péptido no son equivalentes, ya que tiene un extremo N terminal y otro C terminal. Por convenio, el extremo amino se considera como el comienzo de la cadena peptídica. Los radicales de los aminoácidos no participan en los enlaces peptídicos, disponiéndose hacia arriba y hacia abajo, alternativamente, en el polipéptido. Curso 2024-25 5.4 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Las principales características del enlace peptídico son: Es un enlace tipo amida entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el amino de otro con liberación de una molécula de agua, pero es más corto que otros enlaces. El enlace peptídico tiene carácter parcial de doble enlace, por lo que es rígido y no presenta giro, lo que provoca que los átomos implicados (el C y el N, así como el O y el H) se sitúen en el mismo plano. El enlace peptídico presenta polaridad con la aparición de densidades de carga en el O y el N. Esta propiedad es la responsable de la aparición de enlaces de H entre enlaces peptídicos, responsables de la estructura secundaria de las proteínas. 5.4. PROTEÍNAS: Cuando se unen dos aminoácidos mediante un enlace peptídico se forma un dipéptido. A cada uno de los aminoácidos que forman el dipéptido les queda libre o el grupo amino o el grupo carboxilo. A uno de estos grupos se le podrá unir otro aminoácido formándose un tripéptido. Si el proceso se repite sucesivamente se formará un polipéptido. Cuando el número de aminoácidos unidos es muy grande, aproximadamente a partir de 100, tendremos una proteína. Toda cadena polipeptídica tendrá en uno de sus extremos un aminoácido con el grupo amino libre. Éste será el aminoácido amino terminal. En el otro extremo quedará libre el grupo carboxilo del último aminoácido, aminoácido carboxilo terminal. 5.4.1. ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS: La conformación de una proteína es la disposición espacial que adopta la molécula proteica. Las cadenas peptídicas, en condiciones normales de pH y temperatura, poseen solamente una conformación y ésta es la responsable de las importantes funciones que realizan. La compleja estructura de las proteínas puede estudiarse a diferentes niveles: primario, secundario, terciario y cuaternario. a) Estructura primaria: Viene dada por la secuencia: orden que siguen los aminoácidos de una proteína. Va a ser de gran importancia, pues la secuencia es la que determina el resto de los niveles y como consecuencia la función de la proteína. Curso 2024-25 5.5 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol La alteración de la estructura primaria por eliminación, adición o intercambio de los aminoácidos puede cambiar la configuración general de una proteína y dar lugar a una proteína diferente. Como, además, la función de la proteína depende de su estructura, un cambio en la estructura primaria podrá determinar que la proteína no pueda realizar su función. El carácter parcial de doble enlace del enlace peptídico impone ciertas restricciones en el plegamiento de la proteína; así, aunque los péptidos son estructuras flexibles capaces de efectuar rotaciones alrededor de los enlaces N-Cα y C-Cα, no pueden, sin embargo, efectuar torsiones alrededor de los enlaces peptídicos. Esta circunstancia determina que los átomos de cada enlace peptídico se encuentren en un mismo plano, por lo que el esqueleto de cada cadena peptídica se asemeja a una sucesión de placas planas articuladas. b) Estructura secundaria: En estado natural, las cadenas polipeptídicas se pliegan a medida que se sintetizan en los ribosomas hasta adoptar la conformación espacial más estable, es decir, cada una de ellas adquiere la forma tridimensional “más cómoda”. La estructura secundaria de las proteínas consiste en el plegamiento de la estructura primaria debido a la infinidad de puentes de hidrógeno que se establecen entre los grupos -C=O de unos enlaces peptídicos y los grupos -NH de otros enlaces próximos, de manera que las cadenas laterales R distribuidas a lo largo de la cadena peptídica adoptan determinadas posiciones en el espacio. La estructura secundaria puede ser en hélice α, hélice de colágeno o en conformación ß. Curso 2024-25 5.6 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol b.1) Estructura en hélice α (o α-hélice): Se trata de la forma más simple y común. En este tipo de estructura la molécula adopta una disposición helicoidal, los restos (R) de los aminoácidos se sitúan hacia el exterior de la hélice y cada 3,6 aminoácidos ésta da una vuelta completa. Este tipo de organización es muy estable, porque permite la formación de puentes de hidrógeno entre el grupo C=O de un aminoácido y el grupo N-H del cuarto aminoácido situado por debajo de él en la hélice. No todas las secuencias adoptan la conformación de α-hélice, pues l presencia de determinados aminoácidos desestabiliza esta estructura, ya sea porque poseen cadenas laterales R muy voluminosas y próximas entre sí, o porque existen cargas eléctricas del mismo signo en dos cadenas laterales suficientemente próximas como para que se repelan. b.2) Conformación ß-laminar (o de hoja plegada): Se origina cuando la molécula proteica, o una parte de la molécula, adoptan una disposición en zig-zag. La estabilidad se consigue mediante la disposición en paralelo de varias cadenas con esta conformación, cadenas que pueden pertenecer a proteínas diferentes o ser partes de una misma molécula. De esta manera pueden Curso 2024-25 5.7 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol establecerse puentes de hidrógeno entre grupos -C=O y -N-H. Los restos van quedando alternativamente hacia arriba y hacia abajo. No obstante, si la molécula presenta próximos entre sí restos muy voluminosos o con las mismas cargas eléctricas se desestabilizará. b.3) Hélice de colágeno: Se puede considerar como otra modalidad de la estructura secundaria. Cada una de las tres cadenas que constituyen la superhélice de colágeno presenta un plegamiento secundario en forma de hélice enroscada hacia la izquierda, algo más extendida que las α-hélices, debido a las elevadas cantidades de aminoácidos prolina e hidroxiprolina presentes en la cadena. Curso 2024-25 5.8 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Una molécula no tiene que estar constituida exclusivamente por un tipo de conformación. Lo normal es que las moléculas proteicas presenten porciones con hélices α, otras partes con conformaciones ß y partes que no tienen una conformación definida y que se llaman zonas irregulares. c) Estructura terciaria: Las proteínas no se disponen linealmente en el espacio, sino que normalmente sufren plegamientos que hacen que la molécula adopte una estructura espacial tridimensional llamada estructura terciaria. Los pliegues que originan la estructura terciaria se deben a ciertos aminoácidos, como: la prolina, la serina y la isoleucina, que distorsionan la hélice generando una curvatura. La estructura terciaria se va a estabilizar por la formación de las siguientes interacciones: § Enlaces o puentes de hidrógeno. § Interacciones ácido base. § Puentes disulfuro. Estos últimos se forman entre grupos –SH pertenecientes a dos moléculas de cisteína que reaccionan entre sí para dar cistina. En la estructura terciaria los restos se van a disponer en función de su afinidad con el medio. En medio acuoso, los restos hidrófobos se sitúan hacia el interior de la molécula mientras que los restos hidrófilos lo hacen hacia el exterior. Básicamente se distinguen dos tipos de estructura terciaria: la filamentosa y la globular, aunque muchos autores consideran que las proteínas filamentosas son proteínas que carecen de estructura terciaria. Curso 2024-25 5.9 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Las proteínas con conformación filamentosa suelen tener función estructural, de protección o ambas a la vez y son insolubles en agua y en soluciones salinas. Por ejemplo, tienen esta conformación: la betaqueratina, el colágeno y la elastina. Las proteínas con conformación globular suelen ser solubles en agua y/o en disoluciones salinas. Son globulares las enzimas, las proteínas de membrana y muchas proteínas con función transportadora. Las proteínas globulares suelen tener diferentes fragmentos con alfa-hélices y conformaciones beta, pero las conformaciones beta suelen disponerse en la periferia y las hélices alfa en el centro de la molécula. Además, las proteínas globulares se doblan de tal manera que, en solución acuosa, sus restos hidrófilos quedan hacia el exterior y los hidrófobos en el interior y, por el contrario, en un ambiente lipídico, los restos hidrófilos quedan en el interior y los hidrófobos en el exterior. d) Estructura cuaternaria: Cuando varias cadenas de aminoácidos, iguales o diferentes, se unen para formar un edificio proteico de orden superior, se disponen según lo que llamamos estructura cuaternaria. También se considera estructura cuaternaria la unión de una o varias proteínas a otras moléculas no proteicas para formar edificios macromoleculares complejos. Esto es frecuente en proteínas con masas moleculares superiores a 50.000. Cada polipéptido que interviene en la formación de este complejo proteico es un protómero y según el número de protómeros tendremos: dímeros, tetrámeros, pentámeros, etc. La asociación o unión de las moléculas que forman una estructura cuaternaria, se consigue y mantiene mediante enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones electrostáticas y algún que otro puente disulfuro. Curso 2024-25 5.10 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 5.4.2. PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS: Las propiedades de una proteína, incluso su carga eléctrica, dependen de los restos o radicales de los aminoácidos que quedan en su superficie y que podrán interaccionar mediante enlaces covalentes o no covalentes con otras moléculas. § Solubilidad: Las proteínas solubles en agua, al ser macromoléculas, no forman verdaderas disoluciones sino dispersiones coloidales. En ellas, muchos de los aminoácidos apolares se sitúan en el interior de la proteína, y en los polares, los radicales (-R) libres de los aminoácidos polares se enlazan por puentes de hidrógeno con las moléculas de agua que quedan por el exterior. De este modo, la proteína queda recubierta por una capa de moléculas de agua (capa de solvatación) que impide que se pueda unir a otras proteínas. Si esta capa de solvatación desaparece, se producen interacciones entre distintas partes de la proteína que la harán insoluble y precipitará. § Especificidad. La especificidad de las proteínas puede entenderse de dos maneras. Por una parte, existe una especificidad de función. Esto es, cada proteína tiene una función concreta, diferente, normalmente, de la del resto de las moléculas proteicas. Esta es la razón de que tengamos tantas proteínas distintas, unas 100.000. Ahora bien, ciertas proteínas que realizan funciones similares en los seres vivos, por ejemplo: la hemoglobina de la sangre, presentan diferencias entre las distintas especies. Estas diferencias se han producido como consecuencia del proceso evolutivo y cada especie o incluso cada individuo, puede tener sus propias proteínas específicas. No obstante, estas diferencias se producen en ciertas regiones de la proteína llamadas sectores variables de las que no depende directamente se función. Mientras que otros sectores, de los que si depende la función de la proteína, tienen siempre la misma secuencia de aminoácidos. La especificidad de las proteínas dependerá por lo tanto de los sectores variables y a ellos se deben, por ejemplo, los problemas de rechazos en los trasplantes de órganos. § Desnaturalización: Las alteraciones de la concentración, del grado de acidez, de la temperatura (calor); pueden provocar la desnaturalización de las proteínas. La desnaturalización es Curso 2024-25 5.11 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol una pérdida total o parcial de los niveles de estructura superiores al primario y se debe a la desaparición de los enlaces débiles tipo puente de hidrógeno, Van der Waals, etc. Y en realidad no afecta a los enlaces peptídicos y por tanto a la estructura primaria. Sin embargo, al alterarse su conformación espacial, la proteína perderá su funcionalidad biológica. En las proteínas globulares, solubles en agua, la desnaturalización está acompañada de una pérdida de la solubilidad y la consiguiente precipitación de la disolución. Puede existir una renaturalización casi siempre, excepto cuando el agente causante de la desnaturalización es el calor (coagulación de la leche, huevos fritos, "permanente" del cabello, etc.). 5.4.3. FUNCIONES GENERALES DE LAS PROTEÍNAS: Las proteínas están entre las sustancias que realizan las funciones más importantes en los seres vivos. De entre todas pueden destacarse las siguientes: - De reserva: en general las proteínas no tienen función de reserva energética, pero pueden utilizarse con este fin en algunos casos especiales como por ejemplo en el desarrollo embrionario: ovoalbúmina del huevo, caseína de la leche y gliadina del trigo. - Estructural: las proteínas constituyen muchas estructuras de los seres vivos. Las membranas celulares contienen proteínas. Por ejemplo: las glucoproteínas forman las membranas celulares, las histonas forman parte de la estructura de los cromosomas en las células eucariotas, el colágeno, que se encuentra en el tejido conjuntivo, forma los tendones, huesos, etc. - Enzimática: todas las reacciones que se producen en los organismos son catalizadas por moléculas orgánicas. Las enzimas son las moléculas que realizan esta función en los seres vivos. Todas las reacciones químicas que se producen en los seres vivos necesitan su enzima y todas las enzimas son proteínas. - Homeostática: ciertas proteínas mantienen el equilibrio osmótico del medio celular y extracelular. Curso 2024-25 5.12 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol - Transporte, de gases, como es el caso de la hemoglobina, o de lípidos, como la seroalbúmina. Ambas proteínas se encuentran en la sangre. Las permeasas, moléculas que realizan los intercambios entre la célula y el exterior, son también proteínas. - Movimiento: actúan como elementos esenciales en el movimiento. Así, la actina y la miosina, proteínas de las células musculares, son las responsables de la contracción de la fibra muscular. - Hormonal: las hormonas son sustancias químicas que regulan procesos vitales. Algunas proteínas actúan como hormonas, por ejemplo: la insulina, que regula la concentración de la glucosa en la sangre. - Inmunológica: los anticuerpos, sustancias que intervienen en los procesos de defensa frente a de los agentes patógenos, son proteínas. 5.5. ENZIMAS: Las enzimas son biocatalizadores específicos que aumentan la velocidad de las reacciones metabólicas, uniéndose a la molécula o que se va a transformar, el sustrato, para formar una nueva sustancia, el producto. Las enzimas cumplen las dos leyes comunes a todos los catalizadores: No se alteran durante la reacción. Favorecen que la misma cantidad de producto se obtenga en menos tiempo, sin desplazar la constante de equilibrio para que se obtenga más producto. Las enzimas, a diferencia de los catalizadores no biológicos, presentan una gran especificidad, actúan a temperatura ambiente y consiguen un aumento de la velocidad de reacción de un millón a un trillón de veces. Curso 2024-25 5.13 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol También existen otros biocatalizadores de naturaleza ribonucleoproteica llamados ribozimas, capaces de catalizar reacciones de corte y empalme de segmentos de ARN. 5.5.1. ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN DE LAS ENZIMAS: A excepción de las ribozimas, todas las enzimas son proteínas globulares, pudiendo estar formadas únicamente por cadenas polipeptídicas o contener, además, otro grupo no proteico. Según su composición, se pueden diferenciar dos tipos de enzimas: Holoproteínas, enzimas formadas solamente por polipéptidos. Holoenzimas, enzimas formadas por la asociación de una parte polipeptídica o apoenzima y de una parte no polipeptídica o cofactor. Los cofactores pueden ser: Cofactores inorgánicos, como los iones metálicos (Fe2+, Cu2+, Mn2+, Zn2+,…), que se encuentran en pequeñas cantidades (menos de un 0,1 por 100, por lo que son oligoelementos). Por ejemplo, el Zn en las carboxipeptidasas, el Mg en las quinasas, el K en la piruvatoquinasa, etc. También pueden ser cofactores orgánicos, como o Coenzimas, moléculas que actúan asociadas débilmente a enzimas, como, por ejemplo, el FAD+, el NAD+, las vitaminas, etc. Así pues, los oligoelementos y las vitaminas resultan imprescindibles para los organismos, ya que son cofactores de diversas enzimas. o Los grupos prostéticos, moléculas fuertemente unidas por enlaces covalentes a la cadena polipeptídica, como, por ejemplo, el grupo hemo en los citocromos, el grupo hemino en las peroxidasas, etc. Curso 2024-25 5.14 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol Distinguimos, entonces, en una holoenzima: La apoenzima, parte proteica que se encarga de proporcionar la estructura espacial específica que permite la unión a los sustratos, moléculas sobre las que actúan las enzimas en las reacciones químicas. El cofactor, parte no proteica que forma los componentes enzimáticos que llevan a cabo la reacción. 5.5. 2. EL CENTRO ACTIVO DE LAS ENZIMAS: El centro activo es la región de la enzima que se une al sustrato, y tiene las siguientes características: Es una parte muy pequeña del volumen total de la enzima. Tienen una estructura tridimensional en forma de hueco en el que encaja el sustrato. Están formados por aminoácidos que quedan próximos por los repliegues de la cadena polipeptídica, aunque estuvieran lejanos en la cadena original. Algunos aminoácidos tienen radicales con afinidad química por el sustrato, por lo que lo atraen y establecen enlaces débiles con él. Cuando se rompen estos enlaces, los productos se separan del centro activo. Las enzimas están formadas por tres tipos de aminoácidos: Aminoácidos estructurales, no tienen función dinámica. Aminoácidos de fijación, forman enlaces débiles con el sustrato. Constituyen el centro de fijación de la enzima. Aminoácidos catalizadores, que se unen al sustrato mediante enlaces covalentes, de forma que en dicho sustrato se debilita la estructura molecular favoreciendo su ruptura. Constituyen el centro catalítico de la enzima. El centro activo de la enzima está formado por el centro de fijación y el centro catalítico, que suelen estar juntos. Curso 2024-25 5.15 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 5.5.3. MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA: Todas reacciones químicas necesitan una energía de activación para poder romper los enlaces de unas sustancias iniciales, denominadas reactivos o sustratos (S), para transformarlas en unas sustancias finales o productos (P). Las enzimas, como el resto de catalizadores, aceleran la velocidad de las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación. Así, reaccionan un mayor número de moléculas y la reacción se acelera. La transformación de reactivo a producto no es directa, sino que hay un paso intermedio en el que el reactivo se activa, y sus enlaces se debilitan. Para llegar a este complejo activado es necesaria la energía de activación. Las enzimas se encargan de rebajar la energía de activación para llegar fácilmente al complejo activado y permitir que la reacción se realice. Sin la presencia de la enzima no sería posible alcanzar el estado de transición. Esta energía de activación es necesaria tanto en las reacciones endotérmicas como exotérmicas para llegar al complejo activado, aunque, globalmente, unas necesitan energía y otras la desprenden. En las reacciones espontáneas, la energía de activación es tan baja que se obtiene de la propia energía cinética de las moléculas o incluso de la luz que incide en el lugar de reacción. En las reacciones no espontáneas, es necesario aplicar calor para poder llegar a esa energía de activación, mucho más alta. Las enzimas pueden actuar de dos formas: Fijándose al sustrato mediante enlaces fuertes (covalentes), para debilitar sus enlaces y que no sea necesaria tanta energía para romperlos. Atrayendo a los sustratos hacia la enzima para que aumente la posibilidad de encuentro y facilitar la reacción. Curso 2024-25 5.16 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol En una reacción bioquímica catalizada por una enzima, siempre se produce la unión del sustrato a la enzima, formando el complejo enzima-sustrato, imprescindible para que la reacción química pueda llevarse a cabo. Se puede representar mediante la ecuación: E + S → ES → E + P Donde la E representa a la enzima, S al sustrato, P al producto de la reacción, y ES es el complejo intermedio enzima-sustrato. La enzima cataliza una reacción al unirse con el sustrato que puede resumirse en tres etapas: 1.- El sustrato se une a la apoenzima (parte proteica) formando el complejo enzima- sustrato (ES). Hay un alto grado de especificidad, de modo que para cada tipo de sustrato y de reacción se necesita una enzima concreta. La especificidad enzimática se debe a la forma del centro activo de la apoenzima donde se acopla el sustrato. Antes se comparaba con el acoplamiento que existe entre una llave y su cerradura (teoría de la llave-cerradura), en el que todos los salientes y entrantes tienen que coincidir exactamente. Actualmente, parece más acertado el “ajuste o acoplamiento inducido”, donde el centro activo puede adaptarse al sustrato, algo parecido a lo que ocurre con un guante y una mano. La mano (el sustrato) hace que el guante (el centro activo) se adapte al introducirse en él. La unión de la enzima al sustrato es reversible, pues una parte del complejo enzima sustrato (ES) se disocia y, debido precisamente a esa reversibilidad, esta primera etapa es más lenta. E + S ↔ ES Los radicales de los aminoácidos del centro activo se unen al sustrato debilitando sus enlaces, lo que hace pueda alcanzar más fácilmente el estado de transición. Curso 2024-25 5.17 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 2.- Una vez formado el complejo enzima-sustrato, el cofactor lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final (P). Esta etapa es muy rápida e irreversible. ES → E+P Si no hay cofactores, la acción catalítica la realizan algunos aminoácidos del propio centro activo. 3.- El producto se libera del centro activo y la apoenzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato. La coenzima puede liberarse intacta o liberarse quedando modificada. 5.5.4. CINÉTICA ENZIMÁTICA: La cinética enzimática estudia la velocidad a la que transcurren las reacciones catalizadas por enzimas y deduce, a partir de determinados parámetros cinéticos, la actividad de la enzima, su afinidad por el sustrato y los mecanismos a través de los cuales lleva a cabo la catálisis. La actividad enzimática se expresa como la cantidad de moléculas de sustrato que cada enzima es capaz de transformar por unidad de tiempo o la cantidad de moléculas de producto que es capaz de producir por unidad de tiempo. La determinación de la actividad de algunas enzimas se utiliza en medicina como prueba diagnóstica para ciertas patologías, por ejemplo, los niveles elevados de actividad de las transaminasas pueden indicar enfermedades hepáticas. Por regla general, la cinética de una reacción catalizada por enzimas responde a la ecuación de Michaelis-Menten. Esta ecuación corresponde a la siguiente gráfica: Curso 2024-25 5.18 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol En esta gráfica, se representa la variación de la velocidad de una reacción (v) conforme aumenta la concentración de sustrato [S]. A partir de la ecuación (y también mediante la gráfica) se puede calcular la constante de Michaelis-Menten (KM) que es un parámetro característico de cada enzima: se define como la concentración de sustrato a la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima (Vmáx) y hace referencia a la afinidad de la enzima por el sustrato. Una enzima con un valor de KM bajo significa que consigue una alta eficacia catalítica aun a bajas concentraciones de sustrato. 5.5.5. FACTORES QUE CONDICIONAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA: Las enzimas, como sustancias proteicas que son, van a ver condicionada su actuación por determinados factores físicos y químicos. Algunos de estos factores son: § La temperatura. Como toda reacción química, en las reacciones catalizadas enzimáticamente la velocidad aumenta al aumentar la temperatura. No obstante, las enzimas tienen una temperatura óptima. En el hombre, y en los animales homeotermos como el hombre, esta temperatura óptima coincide con la temperatura normal del organismo. Los enzimas, como proteínas que son, se desnaturalizan a elevadas temperaturas. § El pH, que al influir sobre las cargas eléctricas, podrá alterar la estructura del centro activo y por lo tanto también influirá sobre la actividad enzimática. § Influencia de la concentración de sustrato: Si aumenta la concentración de sustrato, manteniendo constante la concentración de la enzima, la velocidad de la reacción aumenta. Al haber más moléculas de sustrato, es más probable que se produzca el encuentro entre enzima y sustrato. Este aumento de la velocidad tiene un límite, ya que si la concentración de sustrato es excesiva, todas enzimas se encontrarán en forma de complejo E-S, estarán saturadas, y la velocidad de la reacción no aumentará. Si se disminuye la concentración de sustrato, la velocidad de la reacción química disminuirá. Curso 2024-25 5.19 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol § Los inhibidores: Los inhibidores son sustancias que disminuyen la actividad y la eficacia de una enzima o bien impiden completamente la actuación de la misma. La inhibición puede ser de dos tipos: irreversible y reversible. ü La inhibición irreversible o envenenamiento de la enzima tiene lugar cuando el inhibidor se fija permanentemente al centro activo de la enzima alterando su estructura y, por tanto, inutilizándola. ü La inhibición reversible tiene lugar cuando se impide temporalmente el normal funcionamiento de la enzima, sin inutilizar el centro activo. Existen dos formas: competitiva, no competitiva y acompetitiva. - La inhibición reversible competitiva se produce cuando el inhibidor es similar al sustrato, por lo que ambos pueden fijarse al centro activo de la enzima. Si se fija el sustrato a la enzima, se forman los productos. Si se fija el inhibidor, la enzima no puede actuar hasta que no se libera de dicho inhibidor. - La inhibición reversible no competitiva es debida a un inhibidor que se une al enzima por un sitio diferente al que lo hace el sustrato, alterando su conformación. - La inhibición acompetitiva se produce cuando el inhibidor se une al complejo enzima-sustrato e impide la formación del producto. Curso 2024-25 5.20 Biología 2º Bachillerato IES Santiago Apóstol 5.5.6. CLASIFICACIÓN: Según el tipo de reacción que catalizan las enzimas, se clasifican en seis grupos: a. Oxidorreductasas. Catalizan reacciones en las que tiene lugar una oxidación o reducción del sustrato. Son enzimas propias de la cadena respiratoria. Son las deshidrogenasas, oxidasas, peroxidasas, oxigenasas o reductasas. b. Transferasas. Transfieren radicales o grupos funcionales de un sustrato a otro. c. Hidrolasas. Actúan mediante reacciones de hidrólisis, rompiendo enlaces por introducción de los radicales –OH y –H procedentes de la ruptura de una molécula de agua. d. Liasas. Catalizan reacciones en las que se rompen enlaces C–C, C–N o C–O, con pérdida de grupos y, generalmente, con la aparición de enlaces dobles. e. Isomerasas. Son enzimas que catalizan reacciones de isomerización, en las que el sustrato se transforma en otra molécula isómera. f. Ligasas o sintetasas. Unen moléculas o radicales mediante la energía proporcionada por la desfosforilación de una molécula de ATP. Curso 2024-25 5.21