Enzimas: naturaleza química y estructura

La inmensa mayoría de las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos ocurren de modo regulado, es decir, su progreso se ajusta a las necesidades metabólicas de la célula en cada momento. Para que esto sea posible, es necesario que la velocidad a la que suceden tales reacciones pueda ser modificada, de modo que se retarden cuando los productos de la reacción no sean necesarios, o que se aceleren cuando haga falta producir más productos.

El control de la velocidad de una reacción química puede llevarse a cabo mediante la actividad de catalizadores. Precisamente, un catalizador es una sustancia que modifica la velocidad de una reacción química sin alterar otros parámetros de la misma (equilibrio, dirección de progreso, balance energético...), recuperándose al final de la reacción, como si no hubiera intervenido en ella.

Los catalizadores biológicos por excelencia son las enzimas. En general, las enzimas son proteínas globulares que participan en el metabolismo de los organismos modificando la velocidad de reacciones específicas. Como excepción a esta norma, se conocen algunos ácidos ribonucleicos que también tienen actividad catalítica, y que reciben el nombre de ribozimas.
Mientras que en muchos casos las enzimas están formadas exclusivamente por aminoácidos, en otros muchos la proteína se encuentra asociada, además, a otro tipo de moléculas que resultan imprescindibles para que puedan desarrollar su función. Cuando esto ocurre, la enzima funcional, incluyendo la parte no proteica, recibe el nombre de holoenzima, la parte proteica se denomina apoenzima y la no proteica recibe el nombre genérico de cofactor.

Los cofactores pueden ser iones metálicos o moléculas orgánicas de pequeño tamaño.

• Las proteinas que incluyen iones metálicos en su estructura reciben el nombre de metaloproteínas, y representan aproximadamente entre la cuarta parte y la tercera parte de todas las proteínas conocidas. Los iones metálicos pueden unirse a la proteína directamente, mediante su coordinación con átomos de nitrógeno, oxígeno o azufre de los aminoácidos, o indirectamente, "atrapados" en un grupo formado por varios ciclos, en cuyo centro se encuentra el metal, como el grupo hemo. Entre los iones metálicos más comunes en las metaloproteínas se encuentran: Zn⁺², Mg⁺², Mn⁺²,Fe⁺², Fe⁺³, Cu⁺, Cu⁺², K⁺ y Na⁺. Estos iones participan en procesos como la expresión génica (cinc), la fotosíntesis (magnesio), o el transporte de electrones o de oxígeno (hierro), entre otros muchos. El papel concreto que desarrolla el metal dentro de la enzima es variable; en algunos casos, en  particular en las reacciones de oxidación-reducción, el metal participa directamente en la reacción química (función catalítica primaria), mientras que en otras enzimas su papel consiste en establecer la unión entre el sustrato y la enzima, o en contribuir a la estabilización del centro activo.
• Las moléculas orgánicas que actúan como cofactores suelen ser derivados de bases nitrogenadas (tiamina, biotina, piridoxal) o de nucleótidos (FMN, FAD, NAD o NADP), aunque también hay algunas de naturaleza lipídica (coenzima A, coenzima Q, lipoamida). Generalmente estas moléculas actúan como intermediarios en la transferencia de grupos químicos, desde electrones a grupos funcionales. Es decir, el sustrato cede el grupo químico al cofactor y éste lo traspasa a una segunda molécula para formar el producto. Así pues, tienen fundamentalmente un papel catalítico primario. Muchas de estas moléculas no pueden ser sintetizadas por los animales superiores, por lo que tienen carácter esencial, razón por la cual se han incluido tradicionalmente en la categoría de "vitaminas".

 Según el grado de unión entre el cofactor y la enzima se distinguen los grupos prostéticos, que están firmemente unidos a las proteínas, como ocurre con el FAD y las coenzimas, que se asocian a las enzimas de forma débil y transitoria, hasta el punto de que pueden moverse de una enzima a otra, portando el grupo que transfieren, como es el caso del NAD.

El centro activo de las enzimas

Desde el punto de vista químico, la actividad de las enzimas consiste en modificar la energía de activación necesaria para que la reacción química tenga lugar. De ese modo se consigue que cambie la proporción de moléculas de sustrato que tienen suficiente para reaccionar. Para lograrlo, las enzimas forman un complejo con los sustratos, que actúa como intermediario de la reacción, que necesita una energía de activación menor para formarse, lo que significa que hay una mayor proporción de moléculas que pueden alcanzar ese nivel energético.


La unión entrela enzima y el sustrato ocurre en una región concreta de la enzima, que recibe el nombre de centro activo. Esta zona, que suele ser de pequeño tamaño respecto al volumen total de la proteína, está configurada por aminoácidos que pueden estar alejados entre sí en la secuencia primaria, pero que se encuentran próximos en la estructura terciaria, como consecuencia de los procesos de plegamiento. El resultado final de este plegamiento suele ser un "bolsillo" en cuyo interior encaja el sustrato de la enzima, gracias tanto a la complementariedad espacial entre sustrato y centro activo como al entorno químico que crean los aminoácidos de éste, que permite el establecimiento de interacciones débiles con la molécula de sustrato. El centro activo también incluye los cofactores cuando éstos forman parte de la enzima.

Los aminoácidos que se sitúan en el centro activo de la enzima desempeñan en él funciones diferentes:

• La mayoría de ellos participan en el establecimiento de la forma del centro activo, haciendo que sea complementaria del sustrato. Son, por lo tanto, aminoácidos estructurales.

• Un segundo grupo de aminoácidos contribuye a mantener el sustrato enlazado al centro activo. Para ello establece enlaces débiles con el sustrato, en lo que participan tanto sus cargas (aminoácidos ácidos o básicos) como su carácter químico (aminoácidos polares, aminoácidos hidrófobos). Estos grupos reciben el nombre de aminoácidos fijadores.
• Los aminoácidos ambientadores son los que contribuyen a crear un cierto entorno químico dentro del centro activo. Muchos sitios activos de las enzimas son bolsillos apolares, de modo que en esos casos los aminoácidos ambientadores tendrán esa naturaleza química.
• Los aminoácidos catalíticos son los que llevan a cabo la actividad enzimática. Para ello, participan activamente en la reacción química que ocurre dentro del centro activo, normalmente reaccionando con el sustrato y formando un compuesto intermedio, diferente al que se formaría en la reacción no catalizada. Al finalizar el proceso, los aminoácidos catalíticos recuperan su estructura.

Las enzimas se definen como biocatalizadores específicos, pero esta especificidad tiene dos facetas diferentes: por una parte, presentan especificidad de sustrato, es decir, una enzima se une a una molécula, pero no a otra similar a la primera. Este fenómeno se debe a la actuación de los aminoácidos estructurales y fijadores, que son los que se encargan de impedir que sustratos diferentes puedan encajar en el centro activo. El segundo tipo de especificidad es la especificidad de reacción, que consiste en que una enzima, una vez que se ha unido a su sustrato, cataliza una única reacción de todos los posibles cambios químicos que puede sufrir esa molécula. La especificidad de reacción se produce gracias a la acción de los aminoácidos ambientadores y catalíticos. Los primeros son los que se encargan de distorsionar la molécula de sustrato, haciéndola más susceptible a la reacción. Los aminoácidos catalíticos reaccionan directamente con el sustrato.

La traducción del ARN

El último paso en la expresión de la información genética es la elaboración de proteínas, las moléculas que realizan la práctica totalidad de las funciones celulares. La célula tiene miles de proteínas distintas, cada una de las cuales es capaz de llevar a cabo un proceso biológico (catálisis de una reacción química, reconocimiento de señales, transporte de sustancias...) gracias a que su estructura tridimensional se adapta a dicho proceso y, a su vez, esa adaptación entre estructura y función es posible porque la estructura de cada proteína está perfectamente establecida, de modo que cuando se elabora una nueva molécula de esa sustancia existe la seguridad de que va a ser idéntica a todas las demás moléculas de ese tipo que existen en la célula.

Para que eso sea posible es necesario contar con dos elementos que garanticen el proceso: un sistema que almacene la información y la transmita de forma segura y fiable y otro que permita utilizar esa información, "leerla", para elaborar la proteína concreta. El primer sistema es la replicación del ADN. El segundo incluye, a su vez, dos pasos: la transcripción, que transfiere la información al ARN, y la traducción, que es el proceso concreto mediante el cual la célula utiliza la información contenida en el ARN mensajero para producir una proteína determinada.

El proceso de traducción, que "concluye" la expresión genética, resulta de importancia vital para el funcionamiento de los organismos. Cada célula necesita tener, en cada momento, un subconjunto concreto de las proteínas que es teóricamente capaz de producir, en una cantidad concreta, ni más ni menos, y cada una de esas proteínas debe poseer la secuencia precisa de aminoácidos para ser funcional. Cualquier error en ese proceso supone consecuencias negativas para la célula; en el rango más bajo, que la proteína errónea no sirva para nada, con lo que la célula habrá desperdiciado recursos y energía en la elaboración de una molécula inútil. En el peor de los casos, el mal funcionamiento de una o unas pocas proteínas puede hacer que la célula en su conjunto trabaje de forma errónea, lo que puede llevarle al suicidio celular (la apoptosis es un proceso programado mediante el cual una célula que funciona de modo incorrecto se autodestruye) o a su transformación en una célula maligna, que puede ser el inicio de un tumor.

Traducción e información

La síntesis de una proteína determinada necesita, como ya se ha comentado muchas veces, información. A diferencia de lo que ocurre con los homopolímeros, cada monómero que se incorpora a la cadena puede ser diferente. El proceso también es diferente a lo que ocurre en la formación de heteropolímeros "regulares", como los heteropolisacáridos, en los que existe una pauta que se repite regularmente. En su lugar, en la síntesis de proteínas es necesario que se incorpore en cada posición un aminoácido concreto, sin que exista ningún patrón regular que determine cuál debe ser para conseguir que la proteína alcance su estructura primaria correcta, de la que dependerán el resto de los niveles estructurales y, finalmente, su función. Por ello, hace falta un "modelo" cuya información seguir. Este modelo es, precisamente, el ácido ribonucleico mensajero.

La información que contiene el ARN mensajero está codificada en un lenguaje de cuatro símbolos, las cuatro bases que varían en él, mientras que cada proteína puede necesitar hasta veinte tipos distintos de aminoácidos para formarse. Los símbolos del ARN se agrupan de tres en tres formando "palabras", con lo que existen 64 combinaciones distintas, cada una de las cuales puede dar lugar a un único aminoácido. La relación que existe entre las diferentes "palabras" de ARN, más propiamente llamadas tripletes de bases o codones, y los aminoácidos a cuya incorporación en la proteína corresponden constituye el código genético.

Resumiendo: la célula utiliza dos lenguajes diferentes para gestionar su información: uno, el de los ácidos nucleicos, posee cuatro símbolos distintos combinados para formar "palabras" de tres unidades cada una, por lo que cuenta con un total de 64 elementos diferentes. El nombre que recibe cada uno de esos elementos es distinto en función de en qué molécula se encuentren: se denominan codógenos cuando hablamos del ADN, codones si nos referimos al ARN mensajero y sus moléculas complementarias en el ARN transferente reciben el nombre de anticodones. El otro lenguaje es el de las proteínas, que utiliza veinte "palabras" unitarias, los aminoácidos. Existe, por último, una relación, una "tabla de equivalencias" entre las palabras de los dos idiomas, que recibe el nombre de código genético.

La diferencia en el número de elementos entre los dos lenguajes no es demasiado grave; por una parte, tres de los codones no tienen "traducción" en el lenguaje de las proteínas, y reciben el nombre de codones "sin sentido", aunque en realidad juegan un papel fundamental: el de indicar que se ha alcanzado el final del mensaje, por lo que reciben también el nombre, mucho más apropiado, de "codones stop". Por otra parte, puede darse el caso de que varios codones "signifiquen" lo mismo en el lenguaje de las proteínas, por lo que se habla de "codones sinónimos". Hay que destacar que esto no "degrada" el mensaje, porque la información necesaria para llevar a cabo los procesos celulares es la que está codificada en las proteínas, y la existencia de codones sinónimos no supone ninguna ambigüedad. La existencia de codones sinónimos, es decir, de combinaciones diferentes de bases que dan lugar al mismo aminoácido, es una de las características del código genético. Para referirse a ella se suele decir que el código genético está degenerado.

El código tiene otras características fundamentales para comprender el funcionamiento de la expresión genética. Tales características son las siguientes:

• Es un código lineal, lo que significa que las "palabras" en lenguaje de ácidos nucleicos son leidas secuencialmente, y traducidas también secuencialmente al lenguaje de las proteínas. Esto establece una equivalencia "uno a uno": un codón es responsable de la inclusión de un aminoácido en la proteína en formación.
• Es continuo, lo que significa que no hay "espacios" entre palabra y palabra: todas las bases nitrogenadas de un fragmento de ARN mensajero se utilizan en la síntesis de proteínas, de modo que no queda ninguna entre la última de un codón y la primera del siguiente.
• Es universal (o casi): todos los seres vivos utilizan el mismo código genético. Esto es una muestra de la antigüedad y de la importancia del código. De su antigüedad, porque todos los seres vivos lo comparten, lo que significa que todos ellos proceden del mismo antepasado común que ya lo utilizaba. De su importancia, porque demuestra que las mutaciones que, a lo largo del proceso evolutivo, necesariamente ha tenido que sufrir, no han podido mantenerse en los organismos, debido a que sus efectos negativos lo impedían.

En realidad, el análisis de la degeneración del código, y de pequeñas modificaciones del mismo que se dan en bacterias, mitocondrias y cloroplastos, ha llevado a formular una hipótesis acerca de su posible evolución. Se supone que, en un pasado muy remoto, debieron existir organismos que necesitaban un menor número de aminoácidos para producir sus proteínas, por lo que el código genético podría haber sido más sencillo, concretamente de dos bases por aminoácido. Sin embargo, el incremento de la complejidad de los organismos debió forzarles a incorporar un mayor número de aminoácidos por proteína, razón por la cual el código debió pasar de tener dos bases por aminoácido a tener tres bases por aminoácidos. Esto explicaría el hecho de que prácticamente todos los codones sinónimos compartan las dos primeras bases (las que habrían servido para uno de los aminoácidos en la primera fase de la evolución) y difieran en la tercera.

El proceso de traducción

Como todos los procesos bioquímicos, la traducción necesita un aparataje molecular, es decir, cada uno de los pasos que ocurren durante el proceso global de síntesis de una proteína suceden gracias a la intervención física de un grupo de moléculas. En este caso, como cabe esperar de un proceso tan complejo, el aparato molecular que interviene también lo es, e incluye los precursores de la proteína que se va a sintetizar (aminoácidos, nucleótidos trifosfato para proporcionar energía), un grupo amplio de proteínas y diferentes tipos de ácidos ribonucleicos, algunos de ellos integrados en un complejo macromolecular de gran tamaño que es el que desarrolla la síntesis: el ribosoma.

En la síntesis de proteínas intervienen los tres tipos de ARN que se encuentran en la célula: el ARN mensajero es el que lleva la información genética a partir de la cual se copiará la proteína, el ARN ribosómico, unido a varias proteínas, constituye la "maquina" que lleva a cabo físicamente la síntesis, y el ARN transferente establece la relación entre la información del mensajero y el aminoácido que corresponde a cada codón.

En la célula existen 61 tipos de ARNt, todos ellos con una estructura similar (aproximadamente en forma de "L") pero con secuencias de nucleótidos distintas. En particular, todos ellos se diferencian en uno de sus "lazos", zonas en las que no se da complementariedad de bases intramolecular. Ese lazo, llamado lazo anticodón, incluye tres nucleótidos que van a ser complementarios de los codones del ARN mensajero. En el extremo 3' del ARNt puede unirse un aminoácido, que será distinto según sea la secuencia del brazo anticodón.

Para que los aminoácidos puedan incorporarse a la proteína deben estar unidos al ARN transferente que le corresponde. La unión se lleva a cabo por la acción de enzimas llamadas aminoacil-ARNt transferasas, que son específicas para el aminoácido y para el ARNt, y requiere energía que es proporcionada por el ATP.

El proceso de traducción ocurre en el ribosoma, un complejo nucleoproteico formado por ARN ribosómico y proteínas. Estructuralmente, consta de dos subunidades que están separadas cuando el ribosoma está inactivo. Para que se inicie la síntesis de la proteína el ARN mensajero debe unirse a la subunidad pequeña, y una vez formado este complejo ambos elementos se unen a la subunidad grande.

Cuando el ribosoma está ensamblado se forman en él tres "sitios", en los que se van a producir los diferentes procesos que permiten la formación de la proteína:

• El Sitio P es el lugar por donde la proteína en formación permanece unida al ribosoma.
• El Sitio A es la parte del ribosoma por donde se incorpora el nuevo aminoácido que se va a unir a la proteína.
• El Sitio E es el lugar por donde el ARNt abandona el ribosoma una vez que ha liberado el aminoácido y que éste se ha unido a la cadena creciente.

A medida que la proteína va creciendo, el ribosoma avanza a lo largo de la molécula de ARN mensajero. Es muy frecuente que cada molécula de ARN mensajero sea leida sucesivamente por varios ribosomas, de modo que se sintetizan casi simultáneamente varias copias de la misma proteína.

El conjunto formado por un ARN mensajero y varios ribosomas que lo leen simultáneamente se denomina polirribosoma, y puede observarse con frecuencia en micrografías electrónicas. Esta es una estrategia que permite la obtención de una gran cantidad de una proteína antes de que el ARN mensajero sea degradado, lo que ocurre con mucha rapidez.

Las fases de la traducción

1. Iniciación: Incluye la unión entre el ARN mensajero y el ribosoma, la unión de las dos subunidades y la incorporación del primer aminoácido.
2. Elongación: Consiste en la incorporación sucesiva de los aminoácidos.
3. Terminación: Se produce cuando el ribosoma lee un codón de stop. En ese momento, la proteína formada abandona el ribosoma y sus subunidades se separan.

 Iniciación

 En procariotas en esta fase intervienen tres proteínas llamadas factores de iniciación (IF 1, 2 y 3) que deben unirse a los otros elementos para que el proceso tenga lugar. Antes de empezar la traducción las subunidades del ribosoma se encuentran separadas entre sí. El primer paso de la traducción es la unión de la subunidad pequeña (30S) del ribosoma con dos de los factores de iniciación, IF1 e IF3. Este grupo de moléculas se une al ARN mensajero en una secuencia específica, que se localiza antes (más cerca del extremo 5' de la molécula) del codón de iniciación.

En los organismos procariotas el primer aminoácido que se introduce en la cadena es siempre la metionina, que corresponde al codón AUG (codón de iniciación), aunque cuando la proteína está terminada este aminoácido se elimina. La metionina, unida a su ARNt correspondiente, debe unirse al otro factor de iniciación (IF2) y las tres moléculas se asocian al complejo formado por los otros factores de iniciación, el ARNm y la subunidad pequeña del ribosoma.

Finalmente, la subunidad grande se une a todas estas moléculas, dejando al ARNt+metionina en el sitio P del ribosoma recién formado, y forzando la salida de los factores de iniciación. La estructura formada, compuesta por el ribosoma, el ARN mensajero y el ARNt con la metionina en el sitio P recibe el nombre de complejo de iniciación.

El desarrollo de este proceso requiere energía, que es aportada por la hidrólisis de GTP.

Elongación

La elongación es un proceso que se repite tantas veces como aminoácidos tenga la proteína (menos el de iniciación). Globalmente consiste en añadir un aminoácido a la cadena que se está formando, y dejar el ARNt junto con la cadena creciente en el sitio P del ribosoma, para permitir la entrada del siguiente aminoácido.

El proceso se inicia con un ARNt unido químicamente a un aminoácido o a una cadena, y situado en el sitio P. El siguiente ARNt en incorporarse se acerca al sitio A, que está libre; si su brazo anticodón es complementario del codón situado frente al sitio A, y si lleva el aminoácido correspondiente en su extremo 3', el ARNt se queda fijado en el ribosoma. La cadena de aminoácidos del sitio P se libera de su ARNt y forma un enlace con el nuevo aminoácido, con lo que el ARNt "descargado" puede abandonar el ribosoma. Por último, el ribosoma en su conjunto avanza la distancia de un codón sobre el ARN mensajero, dejando en el sitio P al ARNt "cargado" con la cadena de proteína creciente.

La energía consumida en este proceso es aportada, de nuevo, por el GTP.

La elongación de la proteína ocurre desde el extremo N-terminal (primer aminoácido que se incorpora) hacia el C-terminal.

Terminación

El proceso de elongación se produce repetidamente hasta que el sitio A del ribosoma queda situado frente a un codón stop (UGA, UAG o UAA). La célula no posee ningún ARNt con un brazo anticodón complementario de estos codones, por lo que el sitio A queda vacío hasta que se une a él una proteína, el factor de liberación. El grupo carboxilo del último aminoácido reacciona con el agua, con lo que la proteína, ya completa, se separa del ARNt y abandona el ribosoma.

Cuando la proteína abandona el ribosoma, éste se descompone en sus partes constituyentes, separándose sus subunidades, que pueden volver a ser utilizadas. El ARN mensajero, por su parte, es degradado y sus nucleótidos son reciclados en la elaboración de otras moléculas.

Esta fase también obtiene la energía que necesita de la hidrólisis del GTP.

Diferencias en la traducción entre procariotas y eucariotas

El proceso de traducción es relativamente diferente en los eucariotas,  empezando por las características de las propias moléculas de ARN: en eucariotas, cada molécula de ARN mensajero codifica para una sola proteínas (son monocistrónicos), mientras que en procariotas es frecuente que una única molécula de ARNm lleve información correspondiente a varias proteínas (genes policistrónicos). También es diferente la estabilidad de la molécula, mayor en los eucariotas que en los procariotas.

El primer aminoácido que se incorpora a la proteína también cambia entre procariotas y eucariotas: en los procariotas se incorpora inicialmente una molécula de metionina, pero está modificada químicamente (es, en realidad, formil-metionina), mientras que en eucariotas se incorpora como primer aminoácido una metionina no modificada.

Por último, también son distintos los elementos que constituyen el complejo de iniciación, y hasta el orden en el que se forma dicho complejo.

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.

Las proteínas II: estructura

Si definimos estructura como la "disposición y orden de las partes dentro de un todo" podríamos considerar que la secuencia de aminoácidos de una proteína nos basta para determinar su estructura porque nos informa, precisamente, del orden en el que están dispuestos sus elementos. Sin embargo, aunque esto es cierto, también es insuficiente.

Como se comentaba en la entrada anterior, una proteína es una especie de varilla articulada rígida, de la que "cuelgan" fragmentos de moléculas. Ahora bien, esos fragmentos de moléculas, las cadenas laterales de los aminoácidos que forman la proteína, tienen características químicas que les hacen interactuar entre sí: los aminoácidos polares tienden a formar puentes de hidrógeno entre ellos, mientras que los aminoácidos hidrófobos tienden a alejarse de los polares, y a atraerse entre sí mediante interacciones hidrofóbicas. Los aminoácidos ácidos serán atraídos electrostáticamente por los básicos... En resumen, cada proteína es un pequeño "mundo" de fuerzas atractivas y repulsivas que, al sumarse "empujan" a los aminoácidos a ocupar determinada posición en el espacio, haciendo que las proteínas adopten una determinada forma tridimensional.

Así que tenemos, al menos, dos "niveles" en la descripción de la estructura de las proteínas: por una parte, su secuencia de aminoácidos. Por otra, la forma tridimensional de la proteína, que depende de su secuencia de aminoácidos, pero que no queda totalmente determinada por esa secuencia.

En realidad, el problema se complica aún más; se sabe desde hace tiempo que ciertas combinaciones de aminoácidos se ordenan en el espacio, adquiriendo formas geométricas regulares (hélices, láminas) y que, en muchos casos, fragmentos de una proteína que presentan esa forma regular actúan como "piezas" de construcción de la proteína, como "motivos estructurales" que se presentan en diferentes proteínas, para ayudarles a realizar funciones similares. Además, hay algunas proteínas que solo son funcionales cuando se asocian varias cadenas de aminoácidos producidas por separado.

En resumen, podemos establecer distintos "niveles" de estructura en el estudio de las proteínas. El primero de ellos, la estructura primaria, se refiere a la secuencia de aminoácidos que constituye la proteína. La estructura secundaria, que puede presentarse o no, corresponde a la existencia de partes de la proteína que poseen formas geométricas regulares. La estructura terciaria describe la forma que la proteína en su conjunto adopta en el espacio, mientras que la estructura cuaternaria, por último, describe si la proteína funcional consta de una o de varias cadenas de proteínas, y de cuáles son esas cadenas.

Hay una razón fundamental para preocuparse por el conocimiento de la estructura de las proteínas. Una de las "grandes ideas de la Biología", recogidas en otra entrada de este blog, es que los procesos que ocurren en las células necesitan que se produzcan interacciones entre moléculas con una gran especificidad, hasta el punto de que las moléculas que participan en tales procesos deben encajar perfectamente entre sí. (A menudo se usa la comparación con una mano y un guante). Las proteínas son las responsables de que ocurran la mayor parte de las interacciones moleculares dentro de la célula, por lo que la forma tridimensional que adquiera una proteína, así como las alteraciones que esa proteína pueda sufrir, son fundamentales para entender el funcionamiento de las proteínas.

Estructura primaria de las proteínas

La estructura primaria de las proteínas está determinada por la secuencia de los aminoácidos que forman la molécula, ordenados desde el aminoácido N-terminal hasta el C-terminal. La estructura primaria de las proteínas está determinada por los enlaces covalentes que se establecen entre sus aminoácidos, lo que incluye también a los enlaces que pueden establecerse entre cisteínas que se encuentran separadas en la secuencia de aminoácidos.

Los puentes disulfuro entre aminoácidos alejados en la estructura primaria contribuyen en una medida importante a que las proteínas consigan alcanzar su estructura tridimensional definitiva y a que la conserven una vez que la han alcanzado.

Estructura secundaria

En la mayoría de las proteínas existen algunos fragmentos cuyos aminoácidos se disponen forma regular, con una estructura geométrica concreta. Es necesario destacar dos aspectos de la estructura secundaria: en primer lugar, no se presenta en todas las proteínas. En segundo lugar, cuando aparece, no afecta a toda la proteína, sino solo a ciertas regiones de la misma.

Existen dos tipos fundamentales de estructuras secundarias en las proteínas: la hélice α y la hoja plegada o lámina β.

En la hélice α participan aminoácidos pequeños y polares, capaces de establecer entre sí enlaces por puente de hidrógeno que estabilizan la estructura. La cadena de aminoácidos gira en dirección dextrógira, quedando el esqueleto de la proteína hacia el interior mientras que las cadenas laterales se proyectan hacia el exterior de la hélice. La hélice da una vuelta completa cada 3,6 aminoácidos.

Los aminoácidos que forman parte de la hélice alfa siempre son contiguos en la estructura primaria de la proteína.

La lámina u hoja plegada β es el otro tipo de estructura secundaria que aparece en muchas proteínas. Se caracteriza porque varios segmentos de la proteína, separados entre sí en la estructura primaria, se disponen paralelos entre sí formando una "plancha" en la que los aminoácidos se encuentran prácticamente en un plano. Los diferentes fragmentos de la lámina se mantienen unidos entre sí mediante puentes de hidrógeno, y las cadenas laterales se proyectan por encima y por debajo del plano de la lámina.

En muchos casos varias estructuras secundarias se agrupan dentro de la misma proteína formando estructuras más complejas, llamadas "estructuras supersecundarias" o "motivos". Existen varios tipos de motivos más o menos complejos, como los que se recogen en las siguientes figuras:

Estructura terciaria

La forma tridimensional de las proteínas, es decir, su estructura terciaria, es el factor que determina su funcionamiento: sea cual sea la función que realiza una proteína, su acción necesita que se produzca un contacto íntimo entre la molécula de proteína y otro compuesto o estructura, para lo cual la forma de ambas moléculas tiene que ser complementaria. Esta complementariedad de la forma de ambas moléculas se describe, en muchas ocasiones, comparándola con la relación que existe entre una mano y un guante; al igual que ocurre cuando nos ponemos una de estas prendas, el guante y la mano pueden cambiar de posición (y ligeramente de forma) hasta acoplarse perfectamente. Lo mismo ocurre cuando una proteína se une a su sustrato. La forma tridimensional en la que una proteína es activa es su conformación nativa.

La adquisición y el mantenimiento de la estructura terciaria de una proteína ocurre gracias al establecimiento de enlaces débiles entre los aminoácidos que la forman. Entre estas interacciones destacan los enlaces por puente de hidrógeno, que se forman entre aminoácidos polares, pero también son muy importantes las interacciones hidrofóbicas que se establecen entre los aminoácidos apolares. En este caso, además de las débiles fuerzas de atracción que tienden a atraer a estos aminoácidos entre sí, resulta también importante la repulsión que experimentan hacia el medio celular, de naturaleza acuosa y, por lo tanto, polar: los aminoácidos apolares tienden a mantenerse lo más alejados posibles del medio polar, lo que hace que se orienten hacia el interior de la proteína, mientras que los aminoácidos cargados o polares se sitúan en el exterior.

Proteínas fibrilares y globulares

Según la forma que adopta una proteína suele distinguirse entre proteínas fibrilares, que tienen forma alargada, similar a un hilo o un cable, y proteínas globulares, más o menos redondeadas. Usando el gadget que tienes a la derecha de este blog puedes ver la estructura terciaria de diferentes proteínas, siempre que conozcas el código que se usa para identificarlas (el código PDB). Puedes probar, por ejemplo, las siguientes:

Proteínas fibrilares		Proteínas globulares
Nombre	Código PDB	Nombre	Código PDB
Tropomiosina Colágeno	1C1G 2KLW	Mioglobina Triosa fosfato isomerasa	3H57 3GVG

Estructura cuaternaria

Existen algunas proteínas que, en su forma funcional, están formadas por varias cadenas de aminoácidos unidas entre sí mediante enlaces débiles. Cada una de estas cadenas es una subunidad de la proteína completa. Las proteínas que poseen varias subunidades suelen denominarse proteínas oligoméricas.

Cada una de las cadenas que componen la proteína se forma por separado, y la unión ocurre solo después de que se hayan sintetizado. En muchos casos, además, esa unión es reversible y temporal: las subunidades pueden encontrarse separadas, con lo que la proteína no es activa, y solo cuando se da un estímulo determinado se produce la unión entre ellas (el ensamblaje) de la proteína, momento en el que la proteína comienza a realizar su función. El ensamblaje de las subunidades es, por lo tanto, un mecanismo que permite controlar la actividad de este tipo de proteínas.

La estructura cuaternaria de las proteínas oligoméricas describe el conjunto de subunidades que las forman: el número y tipo de cada una de las cadenas. Por ejemplo, la hemoglobina, la proteína que se encarga del transporte del oxígeno en la sangre, es una proteína oligomérica formada por cuatro subunidades, iguales dos a dos: dos reciben el nombre de alfa y las otras dos se llaman beta. Así pues, la estructura cuaternaria de la hemoglobina se describe, brevemente, indicando que es una proteína con estructura cuaternaria (α₂β₂). Algunas proteínas pueden estar constituidas por un número muy elevado de subunidades.

Ciclo de vida de una proteína

Las proteínas, como todas las moléculas, están sujetas a procesos de degradación que pueden hacer que se estropeen con el paso del tiempo, de modo que la célula tiene la necesidad de sustituirlas por otras copias en buen estado. El ciclo de vida de una proteína comprende todos los procesos que tienen lugar desde su síntesis hasta su eliminación y el reciclaje de los aminoácidos.

La síntesis de proteínas es un proceso complejo, que se produce en el ribosoma. Este proceso se analizará en profundidad en otro momento, pero hay que saber de él que la proteína adquiere en el ribosoma su estructura primaria, y que va abandonando esta estructura a medida que se va formando.

La estructura tridimensional es fundamental para que la proteína funcione. El gran número de interacciones posibles que pueden establecerse entre los aminoácidos hace que el plegamiento sea un proceso complicado, que empieza a producirse incluso antes de que termine la síntesis de la proteína.

Conforme la proteína va saliendo del ribosoma, debido a los movimientos de sus aminoácidos, se van estableciendo entre ellos los enlaces débiles que permitirán la formación de las estructuras de orden superior: secundaria y terciaria, así como (cuando existen), los puentes disulfuro entre cisteínas. El ambiente químico en el que ocurre este proceso es fundamental para el mismo, de modo que los aminoácidos hidrófobos tienden a atraerse entre sí, al tiempo que tratan de situarse lo más lejos posible del entorno polar del citoplasma (o del retículo endoplásmico), mientras que los aminoácidos polares y cargados tienden a situarse en el exterior.

En ocasiones, no es suficiente con el entorno celular para que la proteína adquiera su estructura terciaria adecuada. En esos casos intervienen las chaperonas, una familia de proteínas que se unen a los aminoácidos hidrófobos y ayudan a que la proteína se pliegue. Como los aminoácidos hidrófobos de las proteínas ya plegadas se encuentran en el interior de la proteína, las chaperonas solo se unen a las proteínas en formación.

Otra posibilidad que también puede tener lugar es la participación de las chaperoninas. En este caso, se trata de complejos multiproteicos que tienen forma aproximada de barril. En su interior se crea un entorno adecuado para que se produzca el plegamiento de las proteínas. Las chaperonas se unen a la proteína en formación y la transportan hasta el interior de la chaperonina, donde se consigue el entorno adecuado para el plegamiento de la proteína. Una vez terminado, la proteína, en su conformación nativa (la funcional) abandona la chaperonina.

En general, las proteínas son funcionales al terminar su proceso de plegamiento. En ese caso, se dice que la proteína ha alcanzado su conformación nativa, que es la estructura tridimensional en la que la proteína puede desarrollar sus funciones. Sin embargo, existen algunas proteínas que solo deben ser activarse tras un estímulo determinado. Por ejemplo, los factores de coagulación sanguínea, que solo deben alcanzar su conformación nativa después de que se haya producido una herida, o las enzimas digestivas, que solo deben activarse fuera de la célula, para ayudar a romper las macromoléculas ingeridas por la dieta.

En estos casos, la proteína sintetizada y plegada es un zimógeno, un precursor inactivo de la proteína funcional, con un fragmento de cadena que impiden que la proteína realice su función. Ese fragmento es eliminado cuando ocurre un evento desencadenante, por acción de otra proteína o de algún cambio químico que provoca la rotura del enlace correspondiente.

Las proteínas funcionales pueden perder su estructura tridimensional de forma accidental o programada. La pérdida de la conformación nativa de una proteína recibe el nombre de desnaturalización, y puede ocurrir por la acción de cualquier agente que sea capaz de alterar los enlaces débiles que fundamentan esta estructura: cambios en el entorno químico de la proteína (temperatura, pH, fuerza iónica) o en la propia proteína (oxidación, glicosilación...).

Por otra parte, las proteínas mal plegadas o desnaturalizadas son eliminadas por la célula, que recicla sus aminoácidos en la medida de lo posible. El proceso de rotura de una proteína recibe siempre el nombre de proteolisis. En la célula existen varios sistemas que permiten la proteolisis de las proteínas no funcionales: el lisosoma, un orgánulo en cuyo interior se encuentran varios tipos de proteínas hidrolíticas, incluyendo las que rompen proteínas, la ubiquitinación, proceso de reconocimiento e identificación de las proteínas que deben ser degradadas, las calpaínas, proteínas que se encargan de degradar a otras proteínas y los proteasomas, complejos de proteínas donde se degradan las proteínas unidas a la ubiquitina.

Algunas enfermedades importantes parecen ser debidas al plegamiento incorrecto de ciertas proteínas. Esto ocurre, por ejemplo, en el Alzheimer o en la enfermedad de las vacas locas.

Holoproteínas y heteroproteínas

Se denominan holoproteínas a las que están formadas exclusivamente por cadenas de aminoácidos, a diferencia de las heteroproteínas que incluyen, además, otros tipos de compuestos. Existen diferentes tipos de heteroproteínas, en función del tipo de compuesto que se une a las cadenas de aminoácidos: las lipoproteínas están formadas por lípidos y cadenas proteicas. Hemos hablado de ellas en el apartado de lípidos. Las glucoproteínas tienen glúcidos en su estructura. Incluyen proteínas expuestas en la superficie celular, proteínas que se encuentran en el sistema circulatorio y las proteínas de secreción. Las nucleoproteínas están formadas por la unión de proteínas y ácidos nucleicos. Forman parte del material genético en los organismos eucariotas. Por último, las cromoproteínas están formadas por la unión de una proteína y un pigmento, que les ayuda a realizar su función. Un ejemplo de este tipo de compuestos es la hemoglobina, que contiene un pigmento llamado tetraporfirina (con hierro), molécula que se encarga del transporte de oxígeno.

Las proteínas I: los aminoácidos

La tercera gran familia de compuestos orgánicos que forman parte de los organismos vivos son las proteínas. La importancia que estos compuestos tienen para los seres vivos es inmensa. Si en otras ocasiones se ha comparado una célula con una fábrica química, en la que los glúcidos serían, fundamentalmente, combustibles y materias primas y los lípidos actuarían como reservas de energía y piezas estructurales (sobre todo de la membrana), las proteínas serían, a la vez, los productos de la fábrica, piezas estructurales de la misma y, sobre todo, las máquinas y las herramientas que permitirían el funcionamiento de la propia fábrica.

Desde el punto de vista de su naturaleza química, las proteínas son un tipo de macromoléculas, heteropolímeros lineales no ramificados de aminoácidos. Analizando esta descripción podemos apreciar que:

• Son moléculas de gran peso molecular (macromoléculas), aunque algunas de ellas, llamadas más propiamente péptidos, pueden ser relativamente pequeñas.
• Están formadas por la unión de unidades más pequeñas (polímeros), concretamente de un tipo de compuestos denominados aminoácidos.
• Los aminoácidos que forman cada proteína pueden ser distintos entre sí (heteropolímeros), lo que significa que unas proteínas se diferenciarán de las demás en función de los aminoácidos que formen cada una de ellas.
• Su estructura consiste en una cadena de aminoácidos unidos uno tras otro, como un collar (son lineales, y no presentan ramificaciones).

Aminoácidos

Antes de seguir estudiando las proteínas es importante saber algo más de sus constituyentes, los aminoácidos. En primer lugar, como su propio nombre indica, se trata de un grupo de compuestos que comparten una característica química: la presencia de un grupo amino y de un grupo ácido en la misma molécula. En concreto, en los seres vivos ambos grupos funcionales siempre se encuentran unidos al mismo carbono (el primero después del carboxilo, es decir, el α, motivo por el que se denominan α-aminoácidos). A ese mismo carbono se une también un hidrógeno, y un cuarto grupo que varía de un aminoácido a otro. Su fórmula general es, por lo tanto, la siguiente:

Excepto si el grupo R es otro átomo de hidrógeno, el carbono α de los aminoácidos es asimétrico, y puede presentarse en una configuración D o en configuración L. Los aminoácidos que forman parte de las proteínas en todos los seres vivos son siempre de la forma L.

Tanto el grupo carboxilo como el grupo amino son ionizables, es decir, tienen tendencia a perder (el carboxilo) o a ganar (el amino) protones, en función de la concentración de protones en el medio en que se encuentren. Esto hace que un mismo aminoácido pueda tener carga positiva, neutra o negativa dependiendo del pH.

El valor del pH del medio en el que un determinado aminoácido tiene carga neutra es su punto isoeléctrico. El punto isoeléctrico de los aminoácidos presenta bastante interés, porque permite su identificación y su separación de entre una mezcla.

En las proteínas aparecen hasta 20 aminoácidos distintos, que se diferencian entre sí por su grupo R. El más sencillo de todos ellos es la glicina o glicocola, en el que la cadena lateral (-R) es, simplemente, otro átomo de Hidrógeno. El resto, se suelen clasificar en grupos según las características de su cadena lateral.

Como se aprecia en la imagen, se suelen clasificar los aminoácidos en varios grupos:

• Los polares se disuelven bien en el agua, y suelen situarse en las partes de la proteína que van a estar en contacto con el medio hidrófilo. Incluyen la glicina (gly), serina (ser), treonina (thr), cisteína (cys), asparragina (asn), glutamina (gln) y tirosina (tyr).
• Los aminoácidos apolares, por el contrario, se disuelven muy mal en el agua, con la que no forman enlaces por puentes de hidrógeno. Esto hace que tiendan a agruparse entre sí, y a orientarse hacia el interior de la proteína o hacia entornos de naturaleza apolar. Por ejemplo, las proteínas que se integran dentro de la membrana celular tienen aminoácidos apolares en la zona hidrófoba de la bicapa. En las proteínas aparecen alanina (ala), valina (val), leucina (leu), isoleucina (ile), prolina (pro), metionina (met), fenilalanina (phe) y triptófano (trp).
• Los aminoácidos ácidos tienen un segundo grupo carboxilo en su estructura. Son dos: el ácido glutámico (glu) y el ácido aspártico (asp).
• Los aminoácidos básicos, de modo similar, tienen al menos dos grupos amino en su estructura. En las proteínas aparecen tres aminoácidos básicos: lisina (lys), histidina (his) arginina (arg).

Dos de estos aminoácidos incluyen un átomo de azufre en su composición: la metionina y la cisteína. Este último, además, es de gran importancia porque su átomo de azufre está en el extremo de la cadena lateral, lo que hace que pueda reaccionar con el átomo de azufre de otra cisteína, formando un enlace disulfuro. La formación de puentes disulfuro entre aminoácidos de la misma proteína es fundamental para que estas moléculas adquieran su forma tridimensional, que constituye la base de su actividad.

La formación de las proteínas: el enlace peptídico

Aparte de los grupos que constituyen sus cadenas laterales, todos los aminoácidos poseen dos grupos capaces de reaccionar químicamente y de hacerlo, además, el uno con el otro: el carboxilo (de carácter ácido) y el amino (de carácter básico). Así que dos aminoácidos, cualquiera de ellos, pueden reaccionar entre sí en una reacción ácido-base para formar una sal, con liberación de una molécula de agua. La nueva molécula formada es un péptido (más concretamente un dipéptido) y el enlace formado recibe el nombre de enlace peptídico.

El nuevo grupo químico formado, en el que un carbono carbonílico (unido a un oxígeno mediante un doble enlace) se une directamente a un nitrógeno es una amida.

El enlace peptídico se estabiliza por resonancia entre formas diferentes de organización de los electrones entre los átomos que lo establecen. Esta resonancia hace que dicho enlace sea algo más rígido que un enlace simple "normal", y presente ciertas características más parecidas a un doble enlace.

En cualquier caso, la particularidad más importante de la formación de un enlace peptídico entre dos aminoácidos es que el dipéptido formado tiene, de nuevo, un grupo carboxilo y un grupo amino libres, de forma que puede participar en la formación de nuevos enlaces de este tipo. Así, es posible la formación de cadenas, que reciben el nombre de péptidos cuando son cortas y de proteínas cuando son largas, de un número variable de aminoácidos, unidos entre sí mediante enlaces peptídicos, con un grupo carboxilo en un extremo y un grupo amino en el otro.

En una cadena de aminoácidos, el que presenta el grupo carboxilo no enlazado se denomina extremo carboxilo terminal (o, de modo más abreviado, C-terminal), y el que presenta el grupo amino libre se denomina extremo Amino terminal (o N-terminal). Debido al orden en que se produce la síntesis de proteínas en los seres vivos, se considera que el N-terminal es el primer aminoácido de la cadena. La relación ordenada de los aminoácidos que forman un péptido o una proteína, desde su extremo N-terminal a su extremo C-terminal es la secuencia de aminoácidos de esa proteína.

Los enlaces peptídicos son planos y rígidos, lo que hace que las proteínas se comporten como cadenas formadas por piezas rígidas articuladas entre sí. Por otra parte, los enlaces que forman los grupos laterales de los aminoácidos son, en su gran mayoría, sencillos y por lo tanto flexibles. La consecuencia de eso es que podemos imaginar una proteína como una varilla rígida pero articulada, que puede doblarse por multitud de puntos, y de la que "cuelgan" grupos que pueden moverse libremente en el espacio. Eso proporciona una gran variedad de formas tridimensionales posibles para este tipo de sustancias.