Proteínas III: las funciones de las proteínas

Las proteínas son el tipo de moléculas que llevan a cabo la mayor parte de las funciones de las células, gracias a gran variedad de estructuras tridimensionales que pueden adquirir. Entre tales funciones se cuentan:

• Función hormonal: las hormonas son sustancias que se encargan de transmitir una información de un órgano a otros, con el fin de que éstos produzcan una respuesta mantenida en el tiempo. La coordinación hormonal, a diferencia de la actividad del sistema nervioso, es lenta, pero duradera. En general hace que las células que reciben el "mensaje" sinteticen nuevas proteínas y modifiquen su actividad química. Existen, básicamente, dos tipos de hormonas según su naturaleza química: las lipídicas y las que derivan de aminoácidos o tienen naturaleza peptídica, como la insulina. Las hormonas peptídicas necesitan, además, unirse a moléculas concretas en la superficie de la célula (no pueden atravesar la membrana). Estas moléculas, específicas para cada hormona, reciben el nombre de receptores y son siempre proteínas.
• Reconocimiento e identificación celular: la identificación de los elementos propios y ajenos dentro del mismo organismo ocurre siempre por unión a proteínas expuestas en la superficie celular. Los elementos que se unen a organismos o células extrañas que pueden penetrar en nuestro organismo (los anticuerpos) son también proteínas.
• Función transportadora, tanto a través de las membranas biológicas como de sustancias no solubles en un medio acuoso.
• Función estructural: muchas proteínas son utilizadas por la célula para formar la base de diferentes elementos estructurales, como el citoesqueleto. También se usan proteínas para dar resistencia a algunos tejidos de sostén, como el colágeno en el tejido conjuntivo.
• Función defensiva: los anticuerpos, además de reconocer las moléculas propias y las ajenas, contribuyen a eliminar a los microorganismos invasores.
• Movimiento: todas las funciones de los seres vivos que tienen que ver con la motilidad y el movimiento, tanto en el interior de las células como de las células en su conjunto, son realizadas por diferentes tipos de proteínas.
• Función enzimática: posiblemente, la función más extendida de las proteínas sea actuar como enzimas, es decir, como catalizadores de las reacciones químicas que tienen lugar en el interior de las células.

Reacciones químicas, catalizadores y enzimas

La célula funciona como una fábrica química en la que se están produciendo simultáneamente miles de reacciones químicas diferentes. La cantidad de productos que se genera en cada una de ellas está perfectamente ajustada a la cantidad de sustratos que están presentes en la célula en un momento determinado, y a las necesidades que la célula tiene en ese preciso momento. Evidentemente, esta coordinación no ocurre por casualidad, sino que requiere del funcionamiento correcto de elementos celulares que sean capaces de realizar los ajustes precisos en las diferentes reacciones. Esos elementos son las enzimas, y consiguen mantener el equilibrio entre las reacciones celulares modificando su velocidad.

La mayoría de las enzimas se encuentran en el interior de las células, aunque hay algunas que son secretadas y realizan su acción en el torrente circulatorio, el tubo digestivo y otros espacios extracelulares, o incluso fuera del organismo en el caso de muchos microorganismos. Una célula animal "típica" puede contener entre 1000 y 4000 enzimas distintas, cada una de las cuales cataliza una única reacción o un conjunto de reacciones estrechamente relacionadas.

Ciertas enzimas catalizan reacciones comunes a la mayoría de los organismos, entre las que están la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos o fosfolípidos, las reacciones que convierten la glucosa y el oxígeno en dióxido de carbono y agua, proporcionando energía a la célula. Estas enzimas son bastante parecidas en todos los organismos. Por otra parte, existen también enzimas que solo están presentes en algunas de las células del organismo.

Las reacciones celulares siguen, evidentemente, los mismos principios que el resto de las reacciones químicas. Para entender el funcionamiento de las enzimas habrá que recordar algunos de ellos. Para eso, partiremos de una reacción hipotética que podríamos representar como

A ↔ B + C

En ella, un sustrato (A) se divide en dos productos, B y C.

La posibilidad de que ocurra una reacción química depende de la energía interna que posean los sustratos, por una parte, y los productos por otra; si los sustratos tienen más energía interna que los productos la reacción será espontánea, aunque eso no nos dice nada de la velocidad con la que ocurrirá: puede ser tan lenta que, en la práctica no ocurra nunca.

Casi todas las reacciones químicas son, además, reversibles. Esto significa que, a medida que el sustrato A se descompone en B y C, una parte de estos reaccionan entre sí regenerando el sustrato original, A. Las velocidades de ambas reacciones (directa e inversa) guardan una curiosa relación: conforme avanza la reacción, la velocidad de la reacción directa va disminuyendo, mientras que la de la reacción inversa va aumentando, hasta llegar a igualarse. En ese momento, se genera tanta cantidad de productos como de sustratos, de modo que las concentraciones de las sustancias que participan en la reacción permanecen constantes; se ha alcanzado el equilibrio químico. Estas variables (diferencia de energía entre sustratos y productos, velocidad de la reacción directa, velocidad de la reacción inversa y proporción de la concentración de sustancias en el equilibrio) caracterizan una reacción química, también en los seres vivos.

Las células pueden actuar, en distinto grado, sobre esas variables para controlar el transcurso de la reacción:

• Pueden modificar la diferencia de energía interna entre sustratos y productos, por ejemplo fosforilando uno de los sustratos. Este compuesto tiene una energía interna mayor que el original, facilitando el transcurso de la reacción. También pueden acoplar una reacción que proporcione energía a la original, en particular la hidrólisis de ATP. Acoplar dos reacciones entre sí consiste en hacer que ambas transcurran simultáneamente, y en el mismo lugar, de modo que una pueda utilizar los productos de la otra (tanto moléculas como energía).
• Pueden alterar las condiciones de equilibrio de la reacción, por ejemplo retirando los productos a medida que se van formando, con lo que nunca se alcanza la proporción entre sustratos y productos que caracteriza el equilibrio.
• Pero el mecanismo más utilizado para controlar el transcurso de las reacciones químicas es modificar la velocidad a la que transcurren mediante el uso de catalizadores.

Un catalizador es una sustancia química que modifica la velocidad de una reacción, recuperándose intacto al final de la misma. Los catalizadores no modifican el equilibrio de la reacción, ni priman un sentido sobre otro (hacen que aumente tanto la velocidad de la reacción directa como de la inversa), sino que actúan modificando la energía de activación.

Para que una reacción tenga lugar, aunque los sustratos tengan más energía que los productos, es necesario que se forme un intermedio de reacción con mayor energía que la de los sustratos.

Se interpreta esta energía de activación teniendo en cuenta que, para que un compuesto estable reaccione químicamente, es necesario que se encuentre en un estado en el que se haga posible la reacción. Si tienen que reaccionar entre sí dos sustancias, el estado activado supondría que las dos moléculas han chocado con la velocidad y orientación necesarias para que los enlaces existentes se rompan, y se formen nuevos enlaces. Si es un único compuesto que se descompone, se trata de que los enlaces entre los átomos estén suficientemente forzados para que lleguen a romperse.

Las enzimas son catalizadores biológicos. Prácticamente todos los compuestos bioquímicos que tienen actividad enzimática son proteínas, siendo las únicas excepciones algunos ácidos ribonucleicos que también tienen este tipo de función. A diferencia de los catalizadores no biológicos, las enzimas son totalmente específicas: cada enzima cataliza una reacción específica o, a lo sumo, unas pocas reacciones muy parecidas entre sí.

La acción enzimática consiste, como la de todos los catalizadores, en modificar la energía de activación necesaria para que la reacción tenga lugar. Para hacer esto, la enzima se une al (los) sustrato(s), formando un complejo enzima-sustrato que suele representarse como [ES], y que puede reaccionar requiriendo una menor energía de activación.

Lo que hace la enzima, como se ve en la animación anterior, es modificar la orientación del sustrato, o la posición de sus enlaces, para facilitar la reacción química.

El efecto macroscópico de un catalizador es, como se ha dicho, modificar la velocidad de las reacciones que cataliza. Para entender cómo el cambio en la energía de activación de las moléculas supone un cambio en la velocidad hay que tener en cuenta que cuando nos referimos a una reacción, aunque utilicemos el singular, en realidad estamos considerando un conjunto de moléculas que van a participar en el proceso. Cada una de esas moléculas tiene propiedades diferentes, por ejemplo su energía, de modo que algunas (normalmente unas pocas) poseen energía suficiente para alcanzar la energía de activación y, por lo tanto, reaccionar. Cuanto menor sea la proporción de moléculas con elevada energía, menor es la velocidad de la reacción (por eso calentar los sustratos suele acelerar las reacciones). Lo que consigue una enzima al reducir la energía de activación es que haya una mayor proporción de moléculas en condiciones de reaccionar, por lo que la velocidad de reacción es mayor.

Factores que determinan la acción enzimática

A continuación tienes una animación interactiva que muestra un modelo de reacción química en presencia de enzima. Antes de describir la actividad enzimática de modo teórico, es interesante que modifiques los parámetros de la animación y que vayas tratando de responderte algunas preguntas para que puedas comprender mejor cómo actúan las enzimas. La cuestión fundamental es la siguiente: ¿cómo se consigue una eficacia máxima de las enzimas a la hora de catalizar una reacción química?

Fíjate en la animación, y observa que en la parte derecha hay unas cuantas variables cuyos valores puedes modificar. Empezando por los dos primeros, que son los más importantes, cambia esos valores (uno de ellos cada vez) y responde a estas preguntas:

• ¿Como afecta la cantidad de sustrato a la velocidad de la reacción?
• ¿Cómo afecta la cantidad de enzima a la velocidad de la reacción?

Al aumentar la cantidad de enzima, la velocidad de la reacción también lo hace. Por otra parte, al aumentar la concentración de sustrato, la velocidad de la reacción se incrementa, pero solo hasta un determinado valor, por encima del cual la velocidad se hace constante. Estos resultados se resumen en la ecuación de Michaelis Menten:

En ella se observa que la velocidad inicial de la reacción (v₀) depende de la velocidad máxima a la que puede transcurrir la reacción (V_máx) y a la concentración de sustrato [S], y es inversamente proporcional de nuevo a la concentración de sustrato y a una constante característica de la enzima, K_M, llamada constante de Michaelis-Menten, que indica la afinidad que la enzima muestra por el sustrato. Cuando la concentración de sustrato es igual a la constante de Michaelis-Menten, la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima de la reacción.

La gráfica de la derecha, que muestra la variación de la velocidad de reacción en función de la concentración de sustrato, tiene algunos aspectos destacables:

• Cuando hay mucha más enzima que sustrato, es decir, cuando la concentración de sustrato es baja, la velocidad de la reacción es proporcional a la cantidad de sustrato.
• Cuando la cantidad de enzima y de sustrato son comparables, la velocidad de la reacción sigue aumentando al incrementar la cantidad de sustrato, pero lo hace mucho más lentamente.
• Por último, llega un momento en que aunque sigamos añadiendo sustrato la velocidad de la reacción permanece constante.

Esta gráfica describe una cinética de saturación. En esta situación, el principal determinante de la velocidad de la reacción es la disponibilidad de enzima. Cuando hay enzima disponible de sobra, la velocidad y la cantidad de sustrato son proporcionales; cuando la enzima está prácticamente ocupada, la velocidad de la reacción depende menos de la cantidad de sustrato, porque las moléculas de éste pueden llegar a tener que "esperar" a que la enzima quede desocupada para poder reaccionar. Por último, cuando hay un exceso de sustrato, la velocidad ha alcanzado su valor máximo, de forma que solo puede incrementarse añadiendo enzima.

Volvamos a la célula. El mantenimiento del equilibrio químico dentro de cada célula precisa que las reacciones químicas que ocurren en ella se produzcan coordinadamente, como si varios bailarines siguieran la misma danza. Para ello, la célula necesita regular y ajustar entre sí las velocidades de diferentes reacciones, lo que puede hacer cambiando la concentración de sustrato (lo que puede ser complejo, puesto que depende de la cantidad de nutrientes disponible) o cambiando la cantidad de enzima disponible, o su efectividad. La regulación de la actividad enzimática tiene, por lo tanto, una gran importancia.

Mecanismo de acción enzimática: fundamento molecular

Para catalizar una reacción química, la enzima se une al sustrato formando un complejo [ES]. Se trata de una unión reversible, ya que se debe a la formación de enlaces débiles entre enzima y sustrato, y altamente específica, porque la enzima y el sustrato presentan un elevado grado de complementariedad espacial: el sustrato encaja en la enzima como una mano en un guante. Para que el "encaje" se produzca suele ser necesario que las conformaciones (las formas tridimensionales instantáneas) de sustrato y enzima varíen hasta conseguir el mejor grado de complementariedad.

El sustrato se une específicamente a una región concreta de la enzima, llamada centro activo, donde se produce la reacción química. El centro activo es una zona tridimensional que puede estar formada por aminoácidos alejados entre sí en la estructura primaria de la proteína. Aunque suele ser solo una pequeña proporción del volumen total de la enzima, en general es necesario que toda la proteína esté intacta para que el centro activo pueda funcionar.

Regulación de las reacciones enzimáticas

En la célula, las reacciones químicas no se producen aisladas, sino interrelacionadas entre sí. En muchos casos, esa relación entre reacciones consiste en que el producto de una de ellas es el sustrato de la siguiente, cuyo producto es, por su parte, sustrato de una tercera reacción... Este conjunto de reacciones químicas encadenadas recibe el nombre de ruta metabólica.

Cuando la célula lleva a cabo una o varias rutas metabólicas, cada una de las reacciones que las forman tienen unas características diferentes, en particular en lo que se refiere a su cinética: unas ocurren más rápidamente que las otras, lo que puede provocar desajustes en el transcurso de la ruta: se pueden acumular cantidades excesivas de un producto intermedio, o bien alguno de ellos puede llegar a agotarse. En ambos casos, se produce un desajuste que dificulta el funcionamiento ordenado de la célula. Para evitarlo, la célula trata de ajustar las velocidades de las diferentes reacciones químicas que ocurren en ella, lo que se conoce como regulación enzimática.

Los organismos pueden ajustar la cantidad de sustancias mediante diferentes mecanismos:

• Regulando la expresión génica, es decir, los genes que se expresan (producen proteínas) en un momento dado. Una buena parte de los genes de cada célula no se expresan normalmente, sino solo cuando son estrictamente necesarios, en general como respuesta a un estímulo.
• Regulando la concentración de sustratos y productos, lo que la célula hace, por ejemplo, separándolos físicamente en orgánulos distintos.
• Regulando la actividad enzimática, mediante la unión a las enzimas de ciertas moléculas que modifican su estructura terciaria.
  

Muchas de las enzimas presentes en la célula pueden modificar su eficacia como resultado de factores de su entorno químico o por la acción de ciertas sustancias que la célula utiliza, precisamente, con ese propósito. Los factores que modifican la actividad enzimática son todos aquellos que son capaces de alterar la estructura tridimensional de las proteínas. Entre ellos, los más importantes son la temperatura, el pH o la fuerza iónica. En cuanto a las sustancias químicas que alteran la actividad enzimática, la mayor parte la reducen, por lo que reciben el nombre de inhibidores enzimáticos. Algunos inhibidores son toxinas o venenos, cuyo mecanismo de acción consiste, precisamente, en impedir la acción de las enzimas correspondientes. Sin embargo, existen también inhibidores enzimáticos que tienen una función importante en el funcionamiento de la célula. Su existencia es importante, porque la célula no solo necesita conseguir que las enzimas funcionen, sino que lo hagan de forma coordinada con el resto de los procesos celulares.

La inhibición enzimática ocurre siempre porque el inhibidor se une físicamente a alguno de los elementos que intervienen en la reacción, modificando su estructura tridimensional e impidiendo que la reacción prosiga. Según donde se produzca la unión del inhibidor se distinguen varios tipos distintos de inhibición:

• Inhibición competitiva: el inhibidor se une a la enzima en el centro activo, compitiendo por él con el sustrato natural e impidiendo que se forme el complejo [ES].
• Inhibición acompetitiva: el inhibidor se une en una zona diferente al centro activo, una vez formado el complejo [ES], impidiendo que evolucione hacia la formación de los productos.
• Inhibición no competitiva: el inhibidor se une fuera del centro activo, pero puede hacerlo tanto a la enzima libre como al complejo [ES].

Los tres tipos de inhibición producen efectos distintos sobre la actividad enzimática, y pueden diferenciarse por los cambios que inducen en la velocidad de la reacción.

También existen algunos compuestos que se unen irreversiblemente a las enzimas, provocando su inactivación definitiva. En estos casos, los inhibidores no son compuestos habituales en la célula, sino que actúan como venenos. Este es, por ejemplo, el caso del DDT, un insecticida que actúa inhibiendo de forma irreversible la acetilcolinesterasa, una enzima relacionada con la transmisión de la información en el sistema nervioso.

Regulación alostérica

Las células aprovechan los mecanismos de inhibición enzimática para regular la actividad de las enzimas, con el objetivo de ajustar los procesos químicos que ocurren en su interior de modo que disponga en todo momento de la cantidad apropiada de cada una de las sustancias que precisa. Para ello, existen muchas proteínas que poseen más de un lugar de unión a diferentes moléculas: el centro activo, para la unión del sustrato, y otro lugar donde se unen compuestos que van a modular la acción de la enzima, ya sea activándola o inhibiéndola. Los lugares de unión de estos otros compuestos reciben el nombre de sitios alostéricos (del griego, con el significado de "otro lugar"), y el mecanismo por el que los moduladores (activadores o inhibidores) alteran la acción de la proteína se denomina regulación alostérica.

Los reguladores alostéricos actúan del mismo modo que los inhibidores no competitivos y acompetitivos: su unión a la enzima, o al complejo enzima-sustrato, modifica la estructura terciaria de la proteína en su conjunto, modificando la afinidad de la enzima por el sustrato y, como consecuencia, la velocidad de la reacción.

En general, la regulación no ocurre sobre todas las enzimas, sino solo sobre algunas que juegan un papel clave dentro del conjunto de reacciones metabólicas que se producen en la célula, bien porque formen parte de varias rutas metabólicas, bien porque sean las que condicionan la velocidad de toda la ruta metabólica (las más lentas), bien por alguna otra razón.

Otro aspecto interesante de la regulación alostérica es cuáles son los compuestos que la célula utiliza como reguladores. En general, se trata de sustancias que forman parte de la ruta metabólica que se está regulando, lo cual tiene mucho sentido desde el punto de vista de la eficacia de la regulación.

• Los activadores alostéricos suelen ser precursores del sustrato de la enzima regulada. De este modo se consigue que, cuando se acumulan en la célula, la enzima funcione más rápidamente, consumiéndolos. A medida que se reduce la concentración del activador, la enzima va reduciendo su velocidad, con lo que consigue ajustar su actividad a la disponibilidad de precursor.
• Los inhibidores alostéricos suelen ser los productos finales de la ruta metabólica regulada. Con esto se consigue que, si se acumulan los productos, éstos frenen la acción de la enzima, con lo que se van produciendo más lentamente. A medida que los productos finales van siendo utilizados, la reacción regulada vuelve a aumentar su velocidad, impidiendo que los productos se consuman por completo.

Ambas situaciones caracterizan un sistema de regulación por retroalimentación negativa, que tiene como principal ventaja que puede mantener los elementos que participan en él en una situación de equilibrio dinámico: nunca se acumulan en exceso los precursores, ni se agotan los productos, porque la velocidad de la enzima se ajusta para evitarlo.

Animación: regulación alostérica de una ruta metabólica

Actividad enzimática y elementos no proteicos

Muchas enzimas necesitan para realizar su función la presencia de otro tipo de moléculas que son las que realmente participan en la reacción catalizada por la enzima, mientras que la parte proteica (que recibe el nombre de apoenzima), les proporciona un entorno adecuado para facilitar que transcurra la reacción. La parte no proteica recibe diferentes nombres, en función de su naturaleza química y de su grado de unión a la proteína:

• Las moléculas no proteicas unidas covalentemente a la parte proteica de la enzima se denominan cofactores.
• Los grupos no unidos covalentemente, de naturaleza inorgánica reciben el nombre de grupos prostéticos.
• Los grupos no unidos covalentemente, de naturaleza orgánica, se denominan coenzimas.

De este modo se tiene que el NADH es una coenzima de oxidación reducción, porque se mantiene unido débilmente a las proteínas que lo utilizan, mientras que el FADH₂, que realiza esa misma función, es un cofactor porque se une covalentemente a las enzimas que lo emplean. Por el contrario el hierro, que es necesario por ejemplo para el transporte de oxígeno por la hemoglobina, es un grupo prostético, porque es una molécula inorgánica.