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.

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

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 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

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, 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.