PROPIEDADES DE LAS
ENZIMAS
Las enzimas son catalizadores biológicos selectivos de una
eficiencia extraordinaria. Toda célula viva dispone de cientos de enzimas
distintas que catalizan las reacciones esenciales para la vida. Aun los
organismos vivos más simples contienen múltiples copias de cientos de enzimas
diferentes. En los organismos multicelulares, el complemento de las enzimas
varía de un tipo celular a otro.
Estas enzimas catalizan las reacciones de las rutas
metabólicas centrales, necesarias para mantener la vida.
Un catalizador es una sustancia que acelera la llegada a un
equilibrio. Un catalizador puede cambiar en forma temporal durante la reacción,
pero no cambia en el proceso general, porque se recicla para participar en
varias reacciones. Los reactivos se unen a un catalizador y los productos se
disocian de él. Un catalizador no cambia la posición del equilibrio de la
reacción.
Las enzimas son muy específicas para los reactivos o
sustratos sobre los que actúan, y varía el grado de especificidad hacia el
sustrato.
Muchas enzimas poseen estereoespecificidad ya que sólo
actúan sobre un estereoisómero del sustrato. Quizá el aspecto más importante de
la especificidad de una enzima es la especificidad de reacción, esto es, la
falta de formación de subproductos como desperdicios.
Las enzimas pueden hacer más que sólo aumentar la velocidad
de una sola reacción muy específica.
Las reacciones acopladas son una propiedad común de muchas
enzimas; por ejemplo, la hidrólisis del ATP se acopla con frecuencia a
reacciones metabólicas menos favorables.
El nombre enzima deriva de una palabra griega que significa
“en la levadura”. Indica que dichos catalizadores están presentes en el
interior de las células. A finales del siglo XIX se estudió la fermentación de
los azúcares por acción de células de levadura.
El nombre enzima deriva de una palabra griega que significa
“en la levadura”. Indica que dichos catalizadores están presentes en el
interior de las células. A finales del siglo XIX se estudió la fermentación de los
azúcares por acción de células de levadura.
Las seis clases de
enzimas
1- oxidorreductasas catalizan las reacciones de
oxidación-reducción. La mayor parte de esas enzimas se llaman, en general,
deshidrogenasas. También hay otras enzimas en esta clase que se llaman
oxidasas, peroxidasas, oxigenasas o reductasas. Un ejemplo de una
oxidorreductasa es la lactato deshidrogenasa.
2-Las transferasas catalizan las reacciones de transferencia
de un grupo y pueden necesitar la presencia de coenzimas. Este grupo incluye
las cinasas, enzimas que catalizan la transferencia de un grupo fosforilo del
ATP.
3-Las hidrolasas catalizan hidrólisis. Son una clase
especial de transferasas donde el agua sirve como aceptor del grupo
transferido. La pirofosfatasa es un ejemplo sencillo de una hidrolasa.
4-Las liasas catalizan la lisis de un sustrato, al generar
un enlace doble; son reacciones de eliminación, no hidrolíticas y no oxidantes.
La piruvato descarboxilasa pertenece a esta clase de enzimas ya que descompone
al piruvato en acetaldehído y dióxido de carbono.
5-Las Isomerasas catalizan cambios estructurales dentro de
una misma molécula (reacciones de isomerización). La alanina racemasa (EC
5.1.1.1) es una isomerasa que cataliza la interconversión de L-alanina y
D-alanina. El nombre común es igual al nombre sistemático.
6-Las ligasas catalizan la ligadura o unión de dos
sustratos. Estas reacciones necesitan un suministro de energía potencial
química de un nucleósido trifosfato, como el ATP. Las ligasas son usualmente
llamadas sintetasas. La glutamina sintetasa, o L-glutamato:amoniaco ligasa
(formadora de ADP) (EC 6.3.12) usa la energía de la hidrólisis del ATP para
unir glutamato y amoniaco para producir glutamina.
Experimentos cinéticos revelan propiedades de las enzimas
El estudio de las propiedades de las enzimas se iniciará
examinando las velocidades de reacciones catalizadas por las mismas.
A. Cinética química
En los experimentos cinéticos se examina la relación entre
la cantidad de producto (P) que se forma en una unidad de tiempo (
[P]/∆t) y las condiciones
experimentales bajo las que se efectúa la reacción. La base de la mayor parte
de las mediciones cinéticas es la observación de la rapidez, o velocidad (v),
de una reacción, la cual varía en forma directa con la concentración de cada
reactante.
[P]/∆t) y las condiciones
experimentales bajo las que se efectúa la reacción. La base de la mayor parte
de las mediciones cinéticas es la observación de la rapidez, o velocidad (v),
de una reacción, la cual varía en forma directa con la concentración de cada
reactante.
B. Cinética enzimática
Uno de los primeros y grandes avances en bioquímica, fue el
descubrimiento de que las enzimas se unen en forma transitoria a los sustratos,
resultado de la investigación de la cinética enzimática. Emil Fischer, en 1894,
propuso que una enzima presenta una plantilla rígida, o cerradura, y que el
sustrato es la llave que le corresponde. Sólo los sustratos específicos se
pueden ajustar a determinada enzima. Los primeros estudios de cinética
enzimática confirmaron que una enzima (E) se une a un sustrato para formar un
complejo enzima-sustrato (ES). Los complejos ES se forman cuando los ligandos
se unen de manera no covalente a sus lugares adecuados en el sitio activo. El
sustrato reacciona en forma transitoria con la proteína catalizadora (y con
otros sustratos, en una reacción
multisustratos) para formar el producto de la reacción.
La cinética enzimática se diferencia de la cinética química
simple porque las velocidades de reacciones catalizadas por enzimas dependen de
la concentración de la enzima y ésta nunca es un producto ni un sustrato de la
reacción. Las velocidades también difieren porque el sustrato debe unirse a la
enzima para poder convertirse en el producto.
Ecuación de Michaelis-Menten
El primer paso es una
interacción bimolecular entre la enzima y el sustrato para formar un complejo
ES. A altas concentraciones de sustrato. la velocidad inicial no cambia mucho
cuando se agrega más S. Ello indica que la cantidad de enzima ha llegado a ser
limitante de la velocidad de esta reacción. La concentración de la enzima es
una parte importante de la reacción general, como es de esperarse para la
formación de un complejo ES. A bajas concentraciones de sustrato, la velocidad
inicial es muy sensible a cambios de concentración de sustrato. Bajo esas
condiciones, la mayor parte de las moléculas de enzima todavía no se han unido
al sustrato y la formación del complejo ES depende de la concentración de
sustrato. La pendiente de la curva de y 0 en función de [S] es la de una
hipérbola rectangular. Las curvas hiperbólicas son indicativas de procesos
donde hay una disociación simple, como se pudo apreciar en la disociación del
oxígeno desde la oximioglobina. Esta es una evidencia más de que la reacción
sencilla que se estudió es bimolecular, implicando la asociación de E y S para
formar un complejo ES.
La ecuación de Michaelis-Menten describe la relación entre
la velocidad inicial de una reacción y la concentración del sustrato.
A. Deducción de la ecuación de Michaelis-Menten
Una deducción común de la ecuación de Michaelis-Menten,
debida a George E. Briggs y J. B. S. Haldane, es llamada la derivación del
estado estable. Esta deducción postula que hay un intervalo de tiempo (llamado
estado estable, o estado estacionario) durante el cual se forma el complejo ES
a la misma velocidad con la que se descompone, de modo que la concentración de
ES es constante. La velocidad inicial se usa en la derivación del estado
estable porque se asume que la concentración de producto ([P]) es insignificante.
Tal estado estable es una condición común para las reacciones metabólicas en
las células. Al suponer que la concentración de ES en estado estable es
constante, entonces la velocidad de formación de producto depende de la
velocidad de la reacción química y de la velocidad de disociación de P para
abandonar la enzima. El paso limitante de la velocidad es hacia el lado derecho
de la reacción 5.11 y la velocidad depende de la constante de velocidad k2 y de
la concentración de ES.
B. Constante catalítica kcat Cuando la concentración de
sustrato es alta, la velocidad total de la reacción es Vmáx y está determinada
por la concentración de la enzima. La constante de velocidad observada bajo
estas condiciones se llama constante catalítica, donde kcat representa la
cantidad de moles de sustrato convertidos en producto, por segundo y por mol de
enzima (o por mol de sitio activo, para una enzima con multisubunidades) bajo
condiciones de saturación. En otras palabras, kcat indica la cantidad máxima de
moléculas de sustrato convertidas en producto cada segundo por cada sitio
activo. A eso se le llama con frecuencia número de recambio. La constante
catalítica mide la rapidez con que determinada enzima puede catalizar una
reacción específica; es una forma muy útil para describir la eficacia de una
enzima. La unidad de kcat es s-1.
C. Significados de Km La constante de Michaelis tiene varios
significados. La ecuación 5.16 define a Km como la relación de las constantes
de velocidad combinadas para la descomposición de ES dividida entre la
constante para su formación. Si la constante de velocidad para la formación de
producto (k2) es mucho menor que k1 o que k-1, como es el caso frecuente, se
puede despreciar k2 y Km equivale a k-1/k1. En este caso, Km es igual a la constante
de equilibrio de disociación de ES para dar E + S. Así, Km es una medida de la
afinidad de E hacia S. Mientras menor sea el valor de Km, el sustrato está más
fuertemente unido. Km también es uno de los parámetros que determina la forma
de la curva de y0 en función de [S].
Medición de Km y Vmáx
Los parámetros clave son Km y Vmáx ya que kcat se puede
calcular si se conoce Vmáx. Los datos de Km y Vmáx para una reacción catalizada
por enzima se pueden determinar de diversas maneras. Es posible obtener ambos
valores por análisis de las velocidades iniciales en una serie de
concentraciones de sustrato y una concentración fija de enzima. Para obtener
valores fiables de las constantes cinéticas, los puntos de [S] se deben
extender por abajo y por arriba de Km para producir una hipérbola.
Se pueden obtener valores de kcat con mediciones de Vmáx
sólo cuando se conoce la concentración absoluta de la enzima. Se pueden
determinar los valores de Km aun con enzimas que no hayan sido purificadas
siempre y cuando sea una sola la enzima en la preparación impura la que pueda
catalizar la reacción observada.
INHIBICIÓN REVERSIBLE DE ENZIMAS
Un inhibidor de enzimas es un compuesto que se enlaza con
una enzima e interfiere con su actividad.
Los inhibidores son moléculas pequeñas que se unen en forma
reversible con la enzima que inhiben. Las células contienen muchos inhibidores
enzimáticos naturales que juegan papeles importantes en la regulación del
metabolismo. Los inhibidores artificiales se usan en experimentos para investigar
los mecanismos enzimáticos y para descifrar las rutas metabólicas. Algunas
medicinas y muchos venenos son inhibidores de enzimas. Algunos inhibidores se
unen en forma covalente con las enzimas y causando que la inhibición sea
irreversible. La mayor parte de la inhibición de relevancia biológica es
reversible. Los inhibidores reversibles se unen a las enzimas con las mismas
fuerzas no covalentes que enlazan a sustratos y productos. Los inhibidores
reversibles se diferencian de los irreversibles por su fácil eliminación de
soluciones de enzima por métodos como diálisis o filtración en gel (sección
3.6). El equilibrio entre la enzima libre (E) más el inhibidor (I) y el
complejo EI se caracteriza por una constante de disociación. En este caso, a la
constante se le llama constante de inhibición, Ki.
A. Inhibición competitiva
Los inhibidores competitivos son los que se encuentran con
más frecuencia en bioquímica. En la inhibición competitiva, el inhibidor sólo
se puede unir a moléculas de enzima libre que no estén unidas a sustrato
alguno.
B. Inhibición acompetitiva
Los inhibidores acompetitivos sólo se unen al ES y no a la
enzima libre . En la inhibición acompetitiva disminuye la Vmáx (aumenta 1/Vmáx)
por conversión de algunas moléculas de E en la forma inactiva ESI. Ya que es el
complejo ES el que se enlaza con I y la disminución de Vmáx no se revierte por
la adición de más sustrato. También, los inhibidores acompetitivos hacen
descender la Km (vista como un aumento del valor absoluto de 1/Km en una gráfica
de doble recíproco) ya que los equilibrios de formación de ES y de ESI son
desplazados hacia los complejos, por la unión de I.
C. Inhibición no competitiva
Los inhibidores no competitivos se pueden unir a la E o al
ES y formar complejos inactivos EI o ESI, respectivamente . Esos inhibidores no
son análogos del sustrato y no se enlazan en el mismo sitio que el S. El caso
clásico de inhibición no competitiva se caracteriza por una disminución
aparente de Vmáx (1/Vmáx parece aumentar) sin cambiar de la Km. En una gráfica
de doble recíproco, las líneas de la inhibición no competitiva clásica se
cruzan en el punto del eje x que corresponde a –1/Km . Esta ordenada al origen
común indica que Km no se afecta. El efecto de la inhibición no competitiva
está dada por la interacción del I con la
E y el ES en forma reversible,
eliminando las moléculas de enzima activa en la solución. Esta
inhibición no se puede compensar agregando S. Es rara la inhibición no
competitiva clásica, pero se conocen ejemplos entre las enzimas alostéricas. En
esos casos, es probable que el inhibidor no competitivo altere la conformación
de la enzima, cuya forma todavía le permita seguir uniéndose al S pero sin
poder catalizar reacción alguna.
D. Usos de la inhibición enzimática
La inhibición enzimática reversible permite contar con un
método poderoso para determinar la actividad enzimática y para alterarla en el
tratamiento de enfermedades.
La industria farmacéutica recurre a estudios de inhibición
enzimática para diseñar medicamentos de uso clínico. En muchos casos se usa un
inhibidor natural de una enzima como punto de partida para diseñar un
medicamento.
Los progresos en la síntesis de fármacos o medicamentos se
ejemplifican por el diseño de una serie de inhibidores de la enzima purina nucleósido
fosforilasa.
Inhibición enzimática irreversible
En contraste con un inhibidor enzimático reversible, un
inhibidor enzimático irreversible forma un enlace covalente estable con una
molécula de enzima y elimina así las moléculas del sitio activo en la población
enzimática. Típicamente, la inhibición irreversible ocurre por alquilación o
acilación de la cadena lateral de un residuo de aminoácido en el sitio activo.
Hay muchos inhibidores irreversibles naturales, al igual que hay ejemplos
sintéticos que se describirán aquí. Una aplicación importante de los
inhibidores irreversibles es la identificación de residuos de aminoácidos en el
sitio activo, por sustitución específica de sus cadenas laterales reactivas.
Enzimas alostéricas
Las enzimas alostéricas son enzimas cuyas propiedades son
afectadas por cambios en la estructura. Los cambios estructurales son
ocasionados por interacción con moléculas pequeñas. Se planteó un ejemplo de
alosterismo en el capítulo anterior al examinar la unión del oxígeno a la hemoglobina.
Con frecuencia, las enzimas alostéricas no presentan cinética clásica de
Michaelis-Menten debido a su unión cooperativa del sustrato, como el caso de la
hemoglobina, que no es enzima.
Mecanismos de las
enzimas
Los mecanismos de muchas enzimas están bien establecidos y
dan un cuadro general del funcionamiento de las enzimas como catalizadores. Se
comenzará este capítulo con un repaso de los mecanismos químicos sencillos, y
se seguirá con una breve descripción de la catálisis.
A. Sustituciones nucleofílicas
Muchas reacciones químicas tienen compuestos intermedios
iónicos. Hay dos tipos de intermedios iónicos: unas especies son ricas en
electrones o nucleofílicas, y otras especies son pobres en electrones, o
electrofílicas. Un nucleófilo tiene una carga negativa o un par de electrones
no compartido. Suele imaginarse que el nucleófilo ataca al electrófilo, y al
mecanismo se le llama ataque nucleofílico, o sustitución nucleofílica. En la
química mecanicista, el movimiento de un parde electrones se representa con una
flecha curva que apunta desde los electrones disponibles en el nucleófilo hacia
el centro electrofílico.
B. Reacciones de ruptura
También se encuentran reacciones de escisión o ruptura. Los
enlaces covalentes se pueden romper de dos maneras: dos electrones permanecen
con un átomo, o un electrón puede permanecer con cada átomo enlazado. En la
mayor parte de las reacciones, ambos electrones están en un átomo, por lo que
se forman un intermedio iónico y un grupo saliente. Por ejemplo, la ruptura de
un enlace C—H casi siempre produce dos iones. Si el átomo de carbono retiene
ambos electrones, el compuesto que lo contiene se transforma en un carbanión.
C. Reacciones de oxido-reducción
Las reacciones de oxido-reducción son fundamentales en el
suministro de energía biológica. En una reacción de oxido-reducción (o reacción
redox), los electrones de una especie se transfieren a otra. Aquí la
terminología puede ser bastante confusa, por lo que es importante dominar el
significado de las palabras oxidación y reducción, pues aparecerán en forma
repetitiva en el resto del libro. Oxidación es la pérdida de electrones: una
sustancia que es oxidada tendrá menos electrones cuando se termine la reacción.
La reducción es la ganancia de electrones: una sustancia que gana electrones en
una reacción es reducida. Las reacciones de oxidación y reducción siempre
suceden en forma simultánea. Un sustrato es oxidado y el otro es reducido. Un
agente oxidante es una sustancia que produce una oxidación: toma electrones del
sustrato que es oxidado. Así, los agentes oxidantes ganan electrones (es decir,
se reducen). Un agente reductor es una sustancia que dona o cede electrones (y
en el proceso se oxida).
Modos químicos de la catálisis enzimática
La formación de un complejo ES coloca a los reactivos en la
cercanía de residuos de aminoácidos del sitio activo de la enzima. Las cadenas
laterales ionizables participan en dos clases de catálisis química: catálisis
ácido-base y catálisis covalente. Son los dos modos químicos principales de
catálisis.
A. Residuos polares de aminoácidos en sitios activos
La cavidad del sitio activo en una enzima en general está
cubierta con residuos hidrofóbicos de aminoácidos. Sin embargo, también en el
sitio activo hay unos pocos residuos polares, ionizables (con algunas moléculas
de agua). Los residuos polares de aminoácidos (o a veces coenzimas) tienen
cambios químicos durante la catálisis enzimática. Esos residuos forman gran
parte del centro catalítico de la enzima.
B. Catálisis ácido-base
En la catálisis ácido-base, la aceleración de una reacción
se debe a la transferencia catalítica de un protón. Esta catálisis ácido-base
es la forma más común de catálisis en química orgánica, y también es común en
las reacciones enzimáticas. Las enzimas que la hacen se basan en cadenas
laterales de aminoácido que pueden donar y aceptar protones en las condiciones
de pH neutro de las células. Este tipo de catálisis ácido-base, donde
intervienen agentes de transferencia de protones, se llama catálisis ácido-base
general. (La catálisis por Hu OH
se llama catálisis ácida específica, o catálisis básica específica). De hecho, los sitios activos de estas enzimas son el equivalente biológico de una solución de ácido o base.
C. Catálisis covalente
En la catálisis covalente se une un sustrato en forma
covalente a la enzima y se forma un compuesto intermedio reactivo.
D. Influencia del pH sobre las velocidades de reacción
enzimática
El efecto del pH sobre la velocidad de reacción de una
enzima puede indicar cuáles residuos ionizables de aminoácido están en su sitio
activo. La sensibilidad al pH suele reflejar una alteración en el estado de
ionización de uno o más residuos que participan en la catálisis, aunque a veces
se afecta la unión con el sustrato. Con mayor frecuencia, una gráfica de
velocidad de reacción contra pH es una curva con forma de campana, siempre que
la enzima no se desnaturalice cuando se altere el pH. Un buen ejemplo es el
perfil de pH-velocidad para la papaína, una proteasa aislada del fruto de la
papaya.
Reacciones controladas por difusión
Unas pocas enzimas catalizan reacciones a velocidades que se
aproximen al límite físico superior de las reacciones en solución. Este límite
superior teórico es la velocidad de difusión de los reactivos cercanos uno a
otro. Una reacción que se produce con cada choque entre moléculas de reactivos
se llama reacción controlada por difusión.
A. Triosa fosfato isomerasa
La triosa fosfato isomerasa cataliza la interconversión
rápida de la dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y el gliceraldehído 3-fosfato(G3P)
en las rutas de la glicólisis y la gluconeogénesis.
B. Superóxido dismutasa
La superóxido dismutasa es un catalizador todavía más rápido
que la triosa fosfato isomerasa. La superóxido dismutasa cataliza la
eliminación, muy rápida, del radical anión superóxido, •O2
, que es un subproducto del metabolismo oxidante. La enzima cataliza la conversión de superóxido en oxígeno molecular y peróxido de hidrógeno, el cual se elimina con rapidez por la acción subsecuente de enzimas, como la catalasa.
Lisozima
La lisozima cataliza la hidrólisis de algunos polisacáridos,
en especial los que forman las paredes celulares de las bacterias. Es la
primera enzima cuya estructura fue resuelta, y por esta razón ha habido un
interés duradero en desarrollar su mecanismo preciso de acción. Muchas
secreciones como lágrimas, saliva y moco nasal, contienen actividad de lisozima
para ayudar a evitar infecciones bacterianas. (La lisozima causa la lisiso
ruptura de las células bacterianas). La lisozima mejor estudiada es la de la
clara de huevo de gallina. El sustrato de la lisozima es un polisacárido
formado por residuos alternantes de N-acetilglucosamina (GlcNAc) y ácido
N-acetilmurámico (MurNAc) unidos por enlaces glicosídicos. En forma específica,
la lisozima cataliza la hidrólisis del enlace glicosídico entre el C-1 del
residuo MurNAc y el átomo de oxígeno en el C-4 de un residuo de GlcNAc.
Propiedades de las serina proteasas
Las serina proteasas son una clase de enzimas que separan el
enlace peptídico de las proteínas.
Especificidad de las serina proteasas hacia el sustrato
La quimotripsina, la tripsina y la elastasa son enzimas
similares que comparten un ancestro común; en otras palabras, son homólogas.
Cada enzima tiene una estructura bilobulada cuyo sitio activo está en una
hendidura entre los dos dominios. Las posiciones de las cadenas laterales de
los residuos de serina, histidina y aspartato en los sitios activos son casi
idénticas en las tres enzimas. Las especificidades de quimotripsina, tripsina y
elastasa hacia los sustratos se han explicado mediante diferencias
relativamente pequeñas en sus estructuras.
Coenzimas y vitaminas
Las apoenzimas (sólo proteínas) inactivas requieren de los
cofactores para convertirse en holoenzimas activas. Hay dos tipos de cofactores:
los iones esenciales (principalmente iones metálicos) y los compuestos orgánicos
llamados coenzimas. Los cofactores, tanto inorgánicos como orgánicos, se
transforman en partes esenciales de los sitios activos de ciertas enzimas.
Cofactores
Iones esenciales
Iones activadores (unidos débilmente)
Iones metálicos de metaloenzimas (unidos fuertemente)
Coenzimas
Cosustratos (unidos débilmente)
Grupos prostéticos (unidos fuertemente).
Clasificación de las coenzimas
Hay dos tipos
Las llamadas cosustratos, con frecuencia en realidad son
sustratos en reacciones catalizadas por enzimas. Un cosustrato se altera
durante la reacción y se disocia del sitio activo. La estructura original del
cosustrato se regenera en una reacción posterior, catalizada por otra enzima.
El cosustrato se recicla en forma repetida dentro de la célula, a diferencia de
un sustrato ordinario, cuyo producto, en el caso típico, sufre una
transformación posterior. Los cosustratos llevan y traen grupos metabólicos
entre distintas reacciones catalizadas por enzimas. El segundo tipo de coenzima
se llama grupo prostético. Un grupo prostético permanece unido a la enzima
durante la reacción. En algunos casos, el grupo prostético se une en forma
covalente a su apoenzima, en tanto que en otros casos está firmemente unido al
sitio activo por muchas interacciones débiles. Igual que los residuos iónicos
de aminoácido del sitio activo, un grupo prostético debe regresar a su forma
original durante cada evento catalítico total, o la holoenzima no seguirá
siendo catalíticamente activa. Los cosustratos y los grupos prostéticos son
parte del sitio activo de las enzimas. Suministran grupos reactivos que no
están disponibles en las cadenas laterales de los residuos de aminoácido.
La palabra vitamina fue acuñada por Casimir Funk en 1912
para describir una "amina vital" de los hollejos del arroz, que
curaba el beriberi, una enfermedad por deficiencia nutricional que causa
degeneración neural. El beriberi fue descrito primero en los pájaros, y después
en humanos cuyas dietas consistían principalmente en arroz limpio (pulido). La
sustancia anti-beriberi (tiamina) se conoció como vitamina Desde entonces se
han identificado dos amplias clases de vitaminas: las hidrosolubles (como las
vitaminas B) y las liposolubles (llamadas también vitaminas lípidas). Aunque se
demostró que muchas vitaminas son todo menos que aminas, se ha conservado el
término vitamina. Las vitaminas hidrosolubles (solubles en agua) se requieren
diariamente en pequeñas cantidades, porque son excretadas con facilidad en la
orina y los almacenamientos celulares de sus coenzimas son inestables. Al
revés, las vitaminas lípidas (solubles en grasas y aceites) como las vitaminas
A, D, E y K, son almacenadas por los animales, y su ingestión exagerada puede causar
estados de toxicidad llamados hipervitaminosis.
Las coenzimas más comunes son trifosfato de adenosina,
s-adenosilmetionina, pirofosfato de tiamina, vitamina k entre otras.
FAD y FMN
Las coenzimas flavina adenina dinucleótido (FAD) y flavina
mononucleótido (FMN) se derivan de la riboflavina o vitamina B2. La riboflavina
es sintetizada por bacterias, protistas, hongos, plantas y algunos animales.
Los mamíferos obtienen riboflavina de su alimento. La riboflavina está formada
por ribitol, un alcohol con cinco carbonos unido al átomo N-10 de un sistema de
anillo heterocíclico llamado isoaloxazina.
Muchas oxidorreductasas requieren FAD o FMN como grupo
prostético. A esas enzimas se les llama flavoenzimas o flavoproteínas. El grupo
prostético está unido muy firmemente, casi siempre en forma no covalente. Las
coenzimas de flavina reducida se pueden oxidar rápidamente en presencia de
oxígeno. Como están firmemente unidas al grupo prostético, las apoenzimas
protegen a las formas reducidas contra la reoxidación, que sería un
desperdicio. El FAD y FMN se reducen a FADH2 y FMNH2, tomando un protón y dos
electrones en forma de un ion hidruro
Coenzima A
Muchos procesos metabólicos dependen de la coenzima A (CoA o
HS-CoA), como la oxidación de moléculas de combustible y la biosíntesis de
algunos carbohidratos y lípidos. Esta coenzima interviene en reacciones de
transferencia de grupo acilo, donde los grupos metabólicos móviles son ácidos
carboxílicos y ácidos grasos simples. La coenzima A tiene dos componentes
principales: una unidad de 2-mercaptoetilamina, que tiene un grupo —SH libre,
la vitamina pantotenato— (vitamina B5, una amida de β -alanina y pantoato), y
una mitad de ADP, cuyo grupo hidroxilo 3´ está esterificado con un tercergrupo
fosfato (figura 7.12a). El centro reactivo de la CoA es el grupo —SH. Los
grupos acilo se unen en forma covalente al grupo —SH para formar tioésteres.
Pirofosfato de tiamina
La tiamina (o vitamina B1) contiene un anillo de pirimidina
y un anillo de tiazolio con carga positiva. En los mamíferos, la tiamina es una
vitamina esencial. Abunda en las cáscaras de arroz y en otros cereales. Las
deficiencias de vitamina B1 causan beriberi.
Cobalamina
La cobalamina (vitamina B2) es la mayor de las vitaminas B,
y fue la última que se aisló.
Algunas especies de bacterias sintetizan la cobalamina.
Todos los animales la requieren como micronutriente, y también algunas
bacterias y algas. Las plantas no requieren cobalamina, por lo que no la
sintetizan. En consecuencia, y en el caso normal, los humanos obtienen la
vitamina B12 a partir de alimentos de origen animal. Con frecuencia, los
vegetarianos logran cantidades adecuadas producidas por microorganismos. La
deficiencia de cobalamina puede causar anemia perniciosa, enfermedad
potencialmente fatal debida a una disminución en la producción de glóbulos
rojos por la médula ósea. La anemia perniciosa también puede causar afecciones
neurológicas. La mayoría de las víctimas de anemia perniciosa no secretan una
glucoproteína necesaria (llamada factor intrínseco) en la mucosa estomacal.
Esta proteína se une en forma específica a la cobalamina, y el complejo de
cobalamina-factor intrínseco es absorbido por las células del intestino
delgado. La mala absorción de la cobalamina se combate hoy con inyecciones
periódicas de la vitamina.
A.
Vitamina A La vitamina A, o retinol, es una
molécula lipídica con 20 carbonos, que se obtiene en la dieta, ya sea en forma
directa o indirecta, como b-caroteno. Las zanahorias y otras verduras amarillas
son ricas en b-caroteno, un lípido vegetal con 40 carbonos cuya ruptura
oxidante enzimática produce la vitamina A (figura 7.27). La vitamina A existe
en tres formas que difieren en estado de oxidación del grupo funcional
terminal: el retinol, un alcohol estable, el retinal, un aldehído, y el ácido
retinoico. Los tres compuestos tienen funciones biológicas importantes. El
ácido retinoico es un compuesto señalador que se une a proteínas receptoras
dentro de las células; los complejos ligando-receptor se unen entonces a
cromosomas y pueden regular la expresión genética durante la diferenciación
celular. El aldehído retinal es un compuesto sensible a la luz, con importante
papel en la visión. El retinal es el grupo prostético de la proteína rodopsina,
y la absorción de un fotón de luz en el retinal dispara un impulso nervioso.
B.
Vitamina D La vitamina D es un nombre colectivo
de un grupo de lípidos relacionados. Cuando los humanos se exponen a suficiente
luz solar, se forma vitamina D3 (colecalciferol) en forma no enzimática, en la
piel, a partir del esteroide 7-dehidrocolesterol. La vitamina D2, compuesto
relacionado con la vitamina D3 (la D2 tiene un grupo metilo adicional) es el
aditivo en leches fortificadas. La forma activa de la vitamina D3, el
1,25-dihidroxicolecalciferol, se forma a partir de la vitamina D3 mediante dos
reacciones de hidroxilación (figura 7.28); la vitamina D2 se activa en forma
parecida.
Proteínas coenzimas
Algunas proteínas funcionan como coenzimas.
No catalizan reacciones ellas mismas, pero ciertas enzimas las necesitan. Esas
coenzimas se llaman proteínas de transferencia de grupo, o proteínas coenzimas.
Contienen un grupo funcional que es parte de la columna vertebral de la
proteína, o bien es un grupo prostético. En general son más pequeñas y más
termoestables que la mayor parte de las enzimas. Las proteínas coenzimas se
llaman coenzimas porque participan en muchas y diversas reacciones, y se
asocian a una variedad de enzimas diferentes.
Citocromos
Los citocromos son proteínas coenzimas que
contienen hemo, cuyos átomos de Fe(III) sufren reducción reversible de un
electrón.
CARBOHIDRATO
Los carbohidratos (también llamados
sacáridos), con base en su masa, son la clase más abundante de moléculas
biológicas en la Tierra. Aunque todos los organismos pueden sintetizar
carbohidratos, muchos de ellos se producen en organismos fotosintéticos, como
bacterias, algas y plantas. Estos organismos convierten la energía solar en
energía química, que a continuación se usa para fabricar carbohidratos a partir
de dióxido de carbono. Los carbohidratos tienen varios papeles fundamentales en
los organismos vivos. En animales y plantas, los carbohidratos poliméricos
funcionan como moléculas almacenadoras de energía. Los animales pueden ingerir
carbohidratos, que a continuación se puedan oxidar para obtener energía para
los procesos metabólicos.
Se pueden describir los carbohidratos por
la cantidad de unidades monómeras que contienen. Los monosacáridos son las
unidades más pequeñas de estructura de carbohidratos. El nombre carbohidrato,
“hidrato de carbono”, indica que su fórmula empírica es (CH2O)n, donde n es 3 o
más (en general n es 5 o 6, pero puede ser hasta 9). Los oligosacáridos son
polímeros con dos hasta unos 20 residuos de monosacárido. Los oligosacáridos
más comunes son los disacáridos, formados por dos residuos de monosacárido
unidos. Los polisacáridos son polímeros que contienen muchos (en general más de
20) residuos de monosacárido. Los oligosacáridos y los polisacáridos no tienen
la fórmula empírica (CH2O)n, porque durante la formación del polímero se
elimina agua.
La
mayor parte de los monosacáridos son compuestos quirales
Los monosacáridos son sólidos blancos,
cristalinos y solubles en agua que tienen sabor dulce. Entre los ejemplos están
la glucosa y la fructosa. Desde el punto de vista químico, los monosacáridos
son polihidroxi aldehídos o aldosas, o polihidroxi cetonas o cetosas. Se
clasifican por el tipo de grupo carbonilo y por la cantidad de átomos de
carbono. Como regla, se usa el sufijo -osa para dar nombre a los carbohidratos,
aunque hay varias excepciones. Todos los monosacáridos tienen al menos tres
átomos de carbono. Uno de ellos es el carbono carbonílico, y cada uno de los
restantes tiene un grupo hidroxilo. En las aldosas, el átomo de carbono más
oxidado se designa como C-1 y se pone en la parte superior de una proyección de
Fischer. En las cetosas, el átomo de carbono más oxidado suele ser el C-2.
Conformaciones
de los monosacáridos
Debido a su simplicidad, las proyecciones
de Haworth se usan con frecuencia en bioquímica. Esas fórmulas muestran la
configuración de los átomos y los grupos en cada átomo de carbono de la columna
vertebral del azúcar. Sin embargo, la geometría de los átomos de carbono de un
anillo de monosacárido es tetraédrica (ángulos de enlace cercanos a 110°), por
lo que en realidad los anillos de monosacárido no son planos. Los monosacáridos
cíclicos pueden tener diversas conformaciones, o formas tridimensionales que
tienen la misma configuración.
Derivados de los monosacáridos
Hay muchos derivados de los monosacáridos básicos que ya se
describieron en las
secciones anteriores. Entre estos derivados están los monosacáridos
polimerizados, como los oligosacáridos y los polisacáridos, igual que varias
clases de compuestos no polimerizados.
A. Fosfatos de azúcar
Los monosacáridos, en las vías metabólicas, con frecuencia
se convierten en ésteres de fosfato.
B. Desoxiazúcares
En esos derivados, un
átomo de hidrógeno sustituye a uno de los grupos hidroxilo del monosacárido
precursor. La 2-desoxi-D-ribosa es un bloque constructivo importante en el ADN.
La L-fucosa (6-desoxi-L-galactosa) está muy distribuida en plantas, animales y
microorganismos. A pesar de su rara configuración L, la fucosa se deriva
metabólicamente de la D-manosa.
C. Aminoazúcares
En varios azúcares, un grupo amino sustituye uno de los
grupos hidroxilo del monosacárido precursor. A veces el grupo amino está
acetilado. En la figura 8.15 se ven tres ejemplos de aminoazúcares. Los
aminoazúcares de la glucosa y la galactosa se suelen presentar en
glucoconjugados. El ácido N-acetilneuramínico (NeuNAc) se forma a partir de la
N-acetilmanosamina y piruvato.
D. Azúcares alcoholes
En un azúcar alcohol el oxígeno carbonílico del monosacárido
precursor se ha reducido y se produce un polihidroxialcohol. La glicerina y el mio-inositol son
componentes importantes de los lípidos.
Disacáridos y otros glicósidos
El enlace glicosídico es el principal enlace estructural en
todos los polímeros de los monosacáridos. Es un enlace acetal, donde el carbono
anomérico de un azúcar se condensa con un alcohol, una amina o un tiol. Por
ejemplo, la glucopiranosa puede reaccionar con metanol en solución ácida, para
formar un acetal. Los compuestos que tienen enlaces glicosídicos se llaman
glicósidos. Los glucósidos son una clase especial de glicósidos, donde la
glucosa aporta el carbono anomérico. Entre los glicósidos hay disacáridos,
polisacáridos y algunos derivados de carbohidrato.
A. Estructuras de los disacáridos
Los disacáridos se forman cuando el carbono anomérico de una
molécula de azúcar interactúa con uno de varios grupos hidroxilo de la otra
molécula de azúcar.
B. Azúcares reductores y no reductores
Como los monosacáridos y la mayor parte de los disacáridos
son hemiacetales y en consecuencia contienen un grupo carbonilo reactivo, se
oxidan con facilidad y forman productos diversos, propiedad que se usa con
frecuencia para analizarlos. Esos carbohidratos, incluyendo glucosa, maltosa,
celobiosa y lactosa, se llaman a veces azúcares reductores. Los azúcares reductores
se detectaban por su capacidad de reducir iones metálicos, como o Agy formar
productos insolubles. Los carbohidratos que son acetales, como la sacarosa, no
se oxidan con facilidad, porque ambos átomos de carbono anoméricos están fijos
en un enlace glicosídico. Se clasifican como azúcares no reductores.
Polisacáridos
Con frecuencia se divide a los polisacáridos en dos clases
extensas. Los homoglicanos (u homopolisacáridos) son polímeros que sólo
contienen residuos de un tipo de monosacárido. Los heteroglicanos (o
heteropolisacáridos) son polímeros que contienen residuos de más de un tipo de
monosacárido.
A. Almidón y glucógeno
Todas las especies sintetizan D-glucosa. El exceso de
glucosa se puede descomponer y producir energía metabólica. Los residuos de
glucosa se almacenan como polisacáridos, hasta que se necesitan para producir
energía. El homoglicano de almacenamiento más común de la glucosa en las
plantas y los hongos es el almidón; y en los animales es el glucógeno.
B. Celulosa y quitina
La celulosa es un polisacárido estructural. Es uno de los
principales componentes de las paredes celulares rígidas que rodean muchas
células vegetales. Los tallos y las ramas de muchas plantas están formados
principalmente por celulosa.
La quitina, tal vez el segundo compuesto más abundante en la
Tierra, es un homoglicano estructural que se encuentra en los exoesqueletos de
los insectos y crustáceos, y también en las paredes celulares de la mayor parte
de los hongos y en muchas algas. La quitina es un polímero lineal parecido a la
celulosa. Está formado por residuos de GlcNAc unidos por b-(1→ 4), y no por
residuos de glucosa.
Glicoconjugados
Los glicoconjugados consisten en polisacáridos unidos a
(conjugados con) proteínas o péptidos.
A. Proteoglicanos
Los proteoglicanos son complejos de proteínas y una clase de
polisacáridos llamados glicosaminoglicanos. Esos glicoconjugados se presentan
principalmente en la matriz extracelular (tejido conectivo) de animales
multicelulares. Los glicosaminoglicanos son heteroglicanos no ramificados de
unidades repetitivas de disacárido. Como indica el nombre glicosaminoglicano,
un componente del disacárido es un amino azúcar, ya sea D-galactosamina (GalN)
o D-glucosamina (GlcN). El grupo amino del componente amino-azúcar puede acetilarse
y formar N-acetilgalactosamina (GalNAc) o GlcNAc, respectivamente.
C. Glicoproteínas
Las glicoproteínas, como los proteoglicanos, son proteínas
que contienen oligosacáridos unidos en forma covalente (es decir, proteínas que
están glicosiladas; los proteoglicanos son un tipo de glicoproteína). Las
cadenas de carbohidrato de una glicoproteína varían de longitud, de 1 hasta más
de 30 residuos, y pueden formar hasta 80% de la masa total de la molécula.
