TEMA 4: LAS PROTEÍNAS Y LA ACCIÓN ENZIMÁTICA1

.                     Introducción

Las Proteínas constituyen el grupo de biomoléculas orgánicas más abundante. Suponen El 50% del peso seco de la materia viva. Su nombre proviene del griego “proteios” Que significa primero. Las proteínas Son biopolímeros (macromoléculas orgánicas), de elevado peso molecular, Constituidas básicamente por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y Nitrógeno (N); aunque pueden contener también azufre (S) y fósforo (P) y, en Menor proporción, hierro (Fe), cobre (Cu), magnesio (Mg), yodo (I), etc…

Estos Elementos químicos se agrupan para formar unidades estructurales (monómeros) llamados AMINOÁCIDOS,

2.         Aminoácidos

Son las unidades Básicas que forman las proteínas. Su denominación responde a la composición Química general que presentan, en la que un grupo amino (-NH₂) Y otro carboxilo o ácido (-COOH) se unen a un carbono (-C-). Las otras Dos valencias de ese carbono quedan saturadas con un átomo de hidrógeno (-H) y Con un grupo químico variable al que se denomina radical (-R).

A pH = 7 el grupo amino y el grupo Carboxilo están ionizados.

A.Clasificación

Los Radicales confieren al aminoácido unas carácterísticas propias. Por ello, estos Radicales se utilizan como criterio de clasificación de los aminoácidos.Formando Parte de las proteínas existen 20 aminoácidos. Existen otros muchos tipos de Aminoácidos, pero no se asocian formando macromoléculas.

a)        Aminoácidos con grupo R no polar (neutros apolares):
A pH=7 su Carga neta es 0. R hidrófoba (baja solubilidad). Son alanina*, valina*, Leucina*, isoleucina*, fenilalanina*, triptófano*, metionina y prolina.

b)         Aminoácidos con grupo R polar sin carga (neutros polares):
A pH=7 su Carga neta es 0. R hidrófila (alta solubilidad). Son serina, treonina*, Cisteína, tirosina, asparagina, glutamina y glicina.

c)         Aminoácidos con grupo R con carga positiva (básicos).
A pH=7 su carga Neta es +. R lleva un grupo amino ionizado. Son lisina*, arginina e histidina.

d)         Aminoácidos con grupo R con carga negativa (ácidos).
A pH =7 su carga Neta es -. R lleva un grupo carboxilo ionizado. Son glutámico y aspártico

b.                    PropiedadesLos aminoácidos Son compuestos de bajo PM, sólidos, incoloros, cristalizables, de elevado punto De fusión (habitualmente por encima de los 200 ºC) y solubles en agua. Además Presentan estereoisomería, actividad óptica y comportamiento anfótero.

4.ESTEREOISOMERÍA: Todos los aa, excepto la glicina, Tienen un carbono asimétrico (C ). Son posibles 2 estereoisómeros: D y L. Por Convenio se denominan D los que presentan el grupo amino a la derecha y L los Que lo presentan a la izquierda. Estos estereoisómeros son enantiómeros (imágenes especulares). La configuración natural de los aa es la L.

2.ACTIVIDAD ÓPTICA: La actividad óptica se manifiesta Por la capacidad de desviar el plano de luz polarizada que atraviesa una Disolución de aminoácidos, y es debida a la asimetría del carbono, ya que se Halla unido (excepto en la glicina) a cuatro radicales diferentes. Esta Propiedad hace clasificar a los aminoácidos en Dextrógiros (+) si desvían el Plano de luz polarizada hacia la derecha, y Levógiros (-) si lo desvían hacia La izquierda. La actividad óptica es independiente de que el aa sea D o L.

3.COMPORTAMIENTO ANFÓTERO: Los aminoácidos Presentan cargas. Los aminoácidos pueden captar o ceder protones al medio, Dependiendo del pH de la disolución en La que se encuentren. Si la disolución es ácida, los aminoácidos captan Protones y se comportan como una base. Si la disolución es básica, ceden Protones y se comportan como un ácido. Por tener este comportamiento, se dice Que los aminoácidos son anfóteros.

El punto isoeléctrico es el valor De pH al que el aminoácido presenta una Carga neta igual al cero. Es una propiedad específica de cada aa. El Comportamiento anfótero de los aa los capacita para actuar como amortiguadores Del pH o sistemas tampón.

3.                     Los péptidos y el enlace Peptídico

Los péptidos son cadenas lineales de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.

A) Oligopéptidos.- Si el nº de aminoácidos es menor 10

·                      Dipéptidos.- si el nº de Aminoácidos es 2.

·           Tripéptidos.- si el nº de aminoácidos Es 3.

·           Tetrapéptidos.- si el nº de Aminoácidos es 4.

·           etc…

b) Polipéptidos o cadenas Polipeptídicas.- si el nº de aminoácidos es mayor 10. Cada péptido se suele Escribir, convencionalmente, de izquierda a derecha, empezando por el extremo N-terminal que posee un grupo amino libre y finalizando por el extremo C-terminal en el que se encuentra un grupo carboxilo libre.

PÉPTIDOS DE IMPORTANCIA BIOLÓGICAoxitocina (que estimula las contracciones del útero durante el parto, o la bradiquinina)
, que inhibe la Inflamación de los tejidos. . Los venenos extremadamente tóxicos Producidos por algunas setas como Amanita phaloides también son Péptidos, al igual que muchos antibióticos.
El término proteína se Asigna a polipéptidos de elevado PM que suelen estar formados por más de una Cadena polipeptídica. Más de cien aminoácidos se considera una proteína.
Incluso, si el número de Aminoácidos es menor que cien, pero el peso molecular es mayor que 5.000 Daltons, la molécula sería una proteína.El enlace peptídico Es un enlace covalente y se establece entre el grupo carboxilo (-COOH) de un Aminoácido y el grupo amino (-NH₂) del aminoácido contiguo Inmediato, con el consiguiente desprendimiento de una molécula de agua.CarácterÍSTICAS DEL ENLACE PEPTÍDICO

0.Enlace Covalente tipo amida

1.Presenta Resonancia (carácter parcial de doble enlace), lo que le proporciona Rigidez ya que no permite giros

2. Los enlaces del C  sí se pueden girar

3.El O del grupo carbonilo y el H del grupo amino se sitúan en lados opuestos del Enlace (configuración trans)

4.Estructura de las proteínas

La estructura tridimensional de una proteína es un factor determinante en su Actividad biológica. Tiene un carácter jerarquizado, es decir, implica unos Niveles de complejidad creciente que dan lugar a 4 tipos de estructuras: primaria, Secundaria, terciaria y cuaternaria. Cada uno de estos niveles se construye a Partir del anterior.

La ESTRUCTURA PRIMARIA esta representada por la sucesión lineal de Aminoácidos que forman la cadena peptídica y por lo tanto indica qué Aminoácidos componen la cadena y el orden en que se encuentran.Esta estructura Define la especificidad de cada proteína.Si analizamos en detalle la estructura primaria de Una proteína observaremos, dado que el enlace peptídico implica a los grupos Amino y carboxilo de cada aminoácido, y que éstos están unidos a su vez al Mismo átomo de carbono (C_α), el esqueleto de la cadena Polipeptídica es una sucesión monótona de estos tres tipos de enlace

La ESTRUCTURA SECUNDARIA está representada por la disposición Espacial que adopta la cadena peptídica (estructura primaria) a medida que se Sintetiza en los ribosomas. Es debida a los giros y plegamientos que sufre como Consecuencia de la capacidad de rotación del Cy de la formación de enlaces débiles (puentes de hidrógeno). Las formas Que pueden adoptar son:

A)

– hélice

Es una estructura helicoidal dextrógira, es decir, que Las vueltas de la hélice giran hacia la derecha. Adquieren esta estructura Proteínas que poseen elevado número de aminoácidos con radicales grandes o Hidrófilos, ya que las cargas interactúan con las moléculas de agua que la Rodean. Cada vuelta sucesiva de la hélice α se mantiene unida a las vueltas adyacentes mediante Varios puentes de hidrógeno intracatenarios que, actuando Cooperativamente, proporcionan a la estructura una considerable estabilidad.

B)

Lámina-

También se denomina hoja Plegada o lámina plegada. Es una estructura en forma de zig-zag, forzada Por la rigidez del enlace peptídico y la apolaridad de los radicales de Los aminoácidos que componen la molécula. Se estabiliza creando puentes de Hidrógeno entre distintas zonas de la misma molécula, doblando su Estructura. De este modo adquiere esa forma plegada.

c) También existen secuencias en el polipéptido que no alcanzan una estructura Secundaria bien definida y se dice que forman enroscamientos aleatorios.

La ESTRUCTURA TERCIARIA esta representada por los superplegamientos Y enrollamientos de la estructura secundaria, constituyendo formas Tridimensionales geométricas muy complicadas que se mantienen por enlaces Fuertes (puentes disulfuro entre dos cisteínas) y otros débiles (puentes de Hidrógeno; fuerzas de Van der Waals; interacciones iónicas e interacciones Hidrofóbicas).La estructura terciaria es la forma que manifiesta en el espacio Una proteína. Depende de la estructura de los niveles de organización Inferiores. Puede ser una conformación redondeada y compacta, adquiriendo un Aspecto globular. También puede ser una estructura fibrosa y alargada. La Conformación espacial de la proteína condiciona su función biológica.A la Estructura terciaria se la denomina conformación y se distinguen dos Tipos:

Conformación Globular

La estructura secundaria se pliega y adopta una forma tridimensional compacta Más o menos esférica.
Proteínas solubles en agua (Mioglobina, muchos enzimas).

Conformación fibrosa

La estructura Secundaria no se pliega y la proteína tiene una forma alargada. Proteínas Insolubles idóneas para realizar funciones estructurales. Entre ellas, las más Conocidas son el colágeno de los huesos y del tejido conjuntivo; la queratina Del pelo, plumas, uñas, cuernos, etc…; la fibroína del hilo de seda y de las Telarañas y la elastina del tejido conjuntivo, que forma una red deformable por La tensión    ESTRUCTURA CUATERNARIA está representada por el acoplamiento de varias cadenas Polipeptídicas, iguales o diferentes, con estructuras terciarias (protómeros)
Que quedan autoensambladas por enlaces débiles, no covalentes. Esta estructura No la poseen todas las proteínas. Un ejemplo es la hemoglobina, formada por Cuatro protómeros  Como conclusión podemos afirmar que la Secuencia de aminoácidos (estructura primaria) contiene la información Necesaria y suficiente para determinar la conformación tridimensional de una Proteína a sus diferentes niveles de complejidad (estructuras secundaria, Terciaria y cuaternaria).

5.                     Propiedades de las Proteínas

Las Propiedades que manifiestan las proteínas dependen de los grupos radicales de Los aminoácidos que las componen.

Solubilidad

Los radicales de Los aminoácidos permiten a las proteínas interaccionar con el agua. Si abundan Radicales hidrófobos, la proteína será poco o nada soluble en agua. Si Predominan los radicales hidrófilos, la proteína será soluble en agua. Las proteínas son solubles en agua cuando adoptan una conformación globular. La Solubilidad es debida a los radicales (-R) libres de los aminoácidos que, al Ionizarse, establecen enlaces débiles (puentes de hidrógeno) con las moléculas De agua.,

Capacidad Amortiguadora

Las proteínas tienen un comportamiento anfótero y esto las hace capaces de Neutralizar las variaciones de pH del medio, ya que pueden comportarse como un ácido o una base y por tanto liberar o retirar protones (H⁺) del Medio donde se encuentran.

Especificidad

Es una de las Propiedades más carácterísticas y se refiere a que cada una de las especies de Seres vivos es capaz de fabricar sus propias proteínas (diferentes de las de Otras especies) y, aún, dentro de una misma especie hay diferencias proteicas Entre los distintos individuos. Esto no ocurre con los glúcidos y lípidos, que Son comunes a todos los seres vivos. La especificidad de las proteínas explica Algunos fenómenos biológicos como la compatibilidad o no de transplantes de órganos; injertos biológicos; sueros sanguíneos; etc… O los procesos Alérgicos e incluso algunas infecciones.

Desnaturalización

La Desnaturalización de una proteína se refiere a la ruptura de los enlaces que Manténían sus estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria, conservándose Solamente la primaria. En estos casos las proteínas se transforman en Filamentos lineales y delgados que se entrelazan hasta formar compuestos Fibrosos e insolubles en agua. Los agentes que pueden desnaturalizar a una Proteína pueden ser: calor excesivo; sustancias que modifican el pH; Alteraciones en la concentración; alta salinidad; agitación molecular; etc… El efecto más visible de éste fenómeno es que las proteínas se hacen menos Solubles o insolubles y que pierden su actividad biológica. Si el cambio de Estructura es reversible, el proceso se llama renaturalización.

Funciones de las proteínas    estructural ,enzimática ,hormoal, Reguladora, homeostática, defensiva, trasporte, contráctil, de reerva                                                  6.

Clasificación de las proteínas

Holoproteínas

Esferoproteínas Protaminas Histonas Albúminas  Globulinas        heteroproteinaa

        Escleroproteínas Colágenos Elastinas Queratinas  Fibroínas

Las holoproteínas Están constituidas exclusivamente por aa, mientras que las heteroproteínas Presentan una parte proteica unida covalentemente a otra de naturaleza distinta Y que recibe el nombre de grupo prostético. Las esferoproteínas Tienen estructura globular (solubles) y las escleroproteínas son Fibrosas (insolubles).  La actina Es una proteína globular que se ensambla formando filamentos4.Enzimas
Los enzimas son Moléculas de elevado PM y naturaleza proteica con actividad catalítica (biocatalizadores). La catálisis se define como la aceleración de una Reacción química por efecto de una sustancia o catalizador.En una reacción enzimática, las moléculas que Reaccionan reciben el nombre de sustratos, y las sustancias formadas se Denominan productos.
Los enzimas poseen las mismas propiedades que las Proteínas (solubilidad, capacidad amortiguadora, desnaturalización y Especificidad) y además las siguientes:

Gran Actividad catalítica

: Aceleran la reacción entre 10⁶ y 10¹⁴ veces.

Especificidad De sustrato

: Actúan sobre Uno o pocos sustratos catalizando un tipo de transformación concreto.

Actúan en Condiciones de pH y temperaturas suaves.

Pueden Regularse por estímulos intra o extracelulares.

según su naturaleza se clasifican en dos Grupos:
Holoproteínas (constituidos exclusivamente por aa)  y holoenzimas (presentan una parte no Proteica).

HOLOENZIMAS

Presentan una Parte proteica o apoenzima y una no proteica o cofactor.

El cofactor Puede ser un ión metálico o un coenzima (molécula orgánica Compleja: NAD+, FAD+, CoA).

Si el cofactor Se une permanentemente al apoenzima se denomina grupo prostético (heteroproteínas).

El apoenzima es Responsable de la especificidad de sustrato y el cofactor es necesario para que Se produzca la reacción. Por separado son inactivos.

9.La Acción enzimática

– Energía De activación

: Para que se Produzca una reacción química es necesario alcanzar un nivel mínimo de energía Que se denomina energía de activación. Los enzimas actúan bajando este nivel Formando una asociación pasajera con los sustratos de la reacción. De esta Forma consiguen que la reacción suceda más rápidamente.

– Centro Activo

: En las reacciones enzimáticas el enzima (E) se une al sustrato (S) para formar el complejo (ES). Tras la Reacción se obtienen los productos (P) y el enzima queda libre (E). La uníón Tiene lugar en una pequeña parte del enzima que se denomina centro activo.  El centro activo tiene forma de hueco y se Adapta perfectamente a la forma del sustrato. Se localizan dos tipos de aa:
de Uníón (con grupos hidrófobos o cargas que permiten la uníón del sustrato) y catalíticos (responsables de la transformación).En los holoenzimas el Cofactor se encuentra en el centro activo.

– Especificidad Enzimática

: Las Carácterísticas del centro activo y la necesaria complementariedad del sustrato Determinan la especificidad enzimática.

– De Acción

: Un enzima sólo realiza un tipo de Transformación (oxidación, reducción, descarboxilación, polimerización, etc.)

– De sustrato

: Cada enzima actúa sobre un solo tipo De sustrato o sobre un nº reducido de ellos.

§                       Absoluta:
Sobre Un único sustrato.        

De grupo

: Sobre un grupo de sustratos que Presentan un tipo de enlace concreto.

Estereoquímica

: Sobre un tipo de estereoisómero (D o L)

HIPÓTESIS DEL AJUSTE INDUCIDO

La uníón entre enzima y sustrato puede compararse Con la existente entre una mano y un guante.

Inicialmente, La forma del centro activo y del sustrato no son exactamente complementarias.

La cercanía del Sustrato provoca un cambio en la estructura del enzima que permite el Acoplamiento entre ellos.

El sustrato es Transformado, se liberan los productos y el enzima recupera su conformación Original.

Cinética Enzimática

Estudia la Velocidad de la catálisis. Esta velocidad depende de algunos factores como la Concentración de sustrato, el pH, la temperatura y los inhibidores.

Concentración De sustrato

Si la concentración de sustrato aumenta y se mantiene Constante la concentración del enzima, la velocidad de la reacción aumenta. Al Principio este aumento es exponencial y luego se hace más lento hasta alcanzar Una velocidad máxima que ya no varía aunque sigamos aumentando la concentración De sustrato.

Efecto de la temperatura

: Un pequeño incremento de Tª aumenta la Velocidad de la reacción. Valores superiores a 40ºC provocan la Desnaturalización del enzima.

Inhibidores

: Son sustancias químicas que disminuyen o bloquean La actividad enzimática. La inhibición puede ser irreversible o reversible. Cuando la inhibición es reversible pueden darse dos casos:

a.                    

Inhibición Competitiva

El inhibidor compite con el sustrato por el centro activo. Un Aumento de la concentración de sustrato aminora el efecto del inhibidor.

b.        

Inhibición No competitiva

El inhibidor se une al enzima por un lugar distinto al Centro activo provocando un cambio en su conformación que impide la uníón del Sustrato. Un aumento en la concentración de sustrato no afecta a la acción del Inhibidor.

5.Regulación de la actividad enzimática

Las células regulan la síntesis de los Productos que necesitan en cada momento evitando una sobreproducción que Supondría un desperdicio de energía y de materias primas. La regulación de la Actividad enzimática puede ejercerse de dos formas:

Sobre La síntesis del enzima

El enzima sólo se produce cuando hace falta y se Degrada rápidamente tras ejercer su acción.

2.        

Sobre La actividad enzimática:

El enzima presenta una forma inactiva y otra Activa que se consigue por la uníón de un ligando.

MODIFICACIÓN COVALENTE

Algunos enzimas sufren un proceso reversible de Fosforilación-defosforilación (sobre un residuo de serina) que regula su Estado de actividad o inactividad.Las quinasas son enzimas que Catalizan la uníón de un grupo fosfato y las fosfatasas catalizan la Separación del grupo fosfato.

ENZIMAS ALOSTÉRICOS

Enzimas regulados por la uníón no covalente de una Molécula (modulador o efector alostérico)
A un sitio distinto del centro Activo (sitio alostérico)
. Los moduladores pueden actuar como inhibidores (Véase inhibición no competitiva) o como activadores.
Los inhibidores Suelen ser los productos finales de las rutas metabólicas, de manera que cuando Aumenta su concentración se detiene la ruta que los produce.Los activadores Pueden ser los mismos sustratos, capaces de unirse tanto al centro activo como Al sitio alostérico                        12.        Las vitaminas

Son Sustancias orgánicas, de naturaleza y composición variada.Se necesitan En pequeñas cantidades, aunque su presencia es imprescindible para el Desarrollo normal del organismo. Tienen una función reguladora.
Las Necesidades vitamínicas varían según las especies, con la edad y con la Actividad.Los vegetales, hongos y microorganismos son capaces de Elaborarlas por sí mismos. Los animales, salvo algunas excepciones, carecen de Esta capacidad, por lo que deben obtenerlas a partir de los alimentos de la Dieta (son micronutrientes esenciales)
. En algunos casos los animales obtienen Algunas vitaminas a través de sus paredes intestinales, cuya flora bacteriana Simbionte las producen (vitamina
K en humanos)Ciertas vitaminas son Ingeridas como provitaminas (inactivas) y posteriormente el metabolismo Animal las transforma en activas (en el intestino, en el el hígado, en la piel, Etc.), tras alguna modificación en sus moléculas.Son sustancias Lábiles, ya que se alteran fácilmente por cambios de temperatura y pH, y También por almacenamientos prolongados.Los trastornos orgánicos en Relación con las vitaminas se pueden referir a:

Avitaminosis

Si hay carencia De una o varias vitaminas (enfermedades carenciales)

Hipervitaminosis

– si existe Un exceso por acumulación de una o varias vitaminas, sobre todo las que son Poco solubles en agua y, por tanto, difíciles de eliminar por la orina.Las Vitaminas se designan utilizando letras mayúsculas, el nombre de la enfermedad Que ocasiona su carencia o bien el nombre de su constitución Química.Clásicamente se establecen 2 grupos según su capacidad de disolución en Agua o en las grasas o disolventes de éstas. Así, se habla de: vitaminas  hidrosolubles Y liposolubles respectivamente.

VITAMINAS LIPOSOLUBLES

Son Vitaminas no solubles en agua y químicamente se trata de lípidos Insaponificables (TERPENOS O ESTEROIDES), caracterizados por su incapacidad Para formar jabones, ya que carecen en sus moléculas de ácidos grasos unidos Mediante enlaces éster.

VITAMINA A. Retinol. Antixeroftálmica.·             VITAMINA E. Tocoferol. Antiestéril.·        VITAMINA K. Naftoquinona. Antihemorrágica.

VITAMINA D. Calciferol. Antirraquítica.

VITAMINAS HIDROSOLUBLES

Son Sustancias solubles en agua. Se trata de coenzimas o precursores de coenzimas, Necesarias para muchas reacciones químicas del metabolismo.                   VITAMINA C. Ácido Ascórbico. Antiescorbútica.VITAMINA B1. Tiamina. Antiberibérica.VITAMINA B2. Riboflavina.                 VITAMINA B3. Niacina. Ácido Nicotínico. Vitamina PP. Antipelagrosa.VITAMINA B5. Ácido Pantoténico. Vitamina W. Forma Parte del CoA.              VITAMINA B6. Piridoxina.    VITAMINA B8. Biotina. Vitamina H.             VITAMINA B9. Ácido Fólico.                       VITAMINA B12. Cobalamina.