Proteínas y enzimas

Todos los aminoácidos comparten una estructura común: un átomo de carbono central ($\alpha$) unido a cuatro grupos funcionales:

1. Un grupo amino ($-NH_2$).
2. Un grupo carboxilo o ácido ($-COOH$).
3. Un átomo de hidrógeno ($-H$).
4. Una cadena lateral o grupo R, que es variable y determina las propiedades específicas de cada aminoácido.

Debido a que el carbono $\alpha$ está unido a cuatro grupos distintos (excepto en la glicina), se dice que es un carbono asimétrico. Esto da lugar a la isomería óptica: existen dos formas espaciales o enantiómeros, la forma D (grupo amino a la derecha) y la forma L (grupo amino a la izquierda). En los seres vivos, casi la totalidad de los aminoácidos que forman las proteínas pertenecen a la serie L.

En disolución acuosa, los aminoácidos presentan un carácter anfótero, lo que significa que pueden actuar como ácidos o como bases dependiendo del pH del medio.

• A pH fisiológico, el grupo carboxilo cede un protón ($COO^-$) y el grupo amino lo acepta ($NH_3^+$), formando una estructura dipolar llamada Zwitterion.
• Punto isoeléctrico (pI): Es el valor de pH en el cual el aminoácido tiene una carga neta de cero.
• Efecto amortiguador: Gracias a esta capacidad de ionización, los aminoácidos ayudan a mantener el pH constante en las células y fluidos corporales, actuando como sistemas tampón.

Los aminoácidos se clasifican según la naturaleza química de su cadena lateral R:

• Apolares (hidrofóbicos): Sus cadenas R son hidrocarburos que repelen el agua (ej. leucina, valina).
• Polares sin carga (hidrofílicos): Tienen grupos funcionales que forman puentes de hidrógeno con el agua (ej. serina, cisteína).
• Ácidos: Tienen un grupo carboxilo extra en la cadena R (ej. ácido aspártico).
• Básicos: Tienen un grupo amino extra en la cadena R (ej. lisina).

Es fundamental distinguir los aminoácidos esenciales, que son aquellos que el organismo no puede sintetizar por sí mismo y deben ser ingeridos necesariamente a través de la dieta.

El enlace peptídico es un enlace covalente de tipo amida que se establece entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, con la liberación de una molécula de agua (reacción de condensación).

Sus características químicas son cruciales para la arquitectura proteica:

1. Carácter parcial de doble enlace: El enlace $C-N$ es más corto de lo normal y no permite la rotación, lo que confiere rigidez.
2. Configuración trans: Los carbonos $\alpha$ se sitúan en lados opuestos del enlace para evitar repulsiones.
3. Polaridad: La cadena resultante siempre tiene un extremo N-terminal (amino libre) y un extremo C-terminal (carboxilo libre).

La estructura primaria es la secuencia lineal de aminoácidos que forman la cadena. Es la estructura más sencilla pero la más importante, ya que la secuencia de aminoácidos está determinada genéticamente y condiciona todos los niveles de plegamiento posteriores. Un solo cambio en esta secuencia (mutación) puede alterar completamente la función de la proteína, como ocurre en la anemia falciforme.

Es el plegamiento regular de la cadena polipeptídica debido a la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos del enlace peptídico. Los tipos principales son:

• Hélice alfa ($\alpha$): La cadena se enrolla en espiral sobre sí misma.
• Lámina beta ($\beta$): La cadena se dispone en zigzag, formando láminas plegadas que pueden ser paralelas o antiparalelas.
• Giros y bucles: Conectan las hélices y láminas, permitiendo cambios de dirección.

La estructura terciaria es la disposición global de la cadena en el espacio. Se estabiliza mediante interacciones entre las cadenas laterales (R): puentes disulfuro (covalentes), interacciones electrostáticas, fuerzas de Van der Waals y efectos hidrofóbicos.

• Proteínas globulares: Plegamiento compacto, solubles en agua (ej. enzimas).
• Proteínas fibrosas: Alargadas e insolubles, función estructural (ej. colágeno).

La estructura cuaternaria solo existe en proteínas formadas por varias cadenas polipeptídicas o subunidades (ej. la hemoglobina, que tiene cuatro subunidades).

La desnaturalización es la pérdida de las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria debido a la rotura de los enlaces que las mantienen. Los agentes causantes suelen ser cambios de pH, temperatura elevada o sustancias químicas.

• Cuando una proteína se desnaturaliza, pierde su configuración espacial y, por tanto, su funcionalidad biológica.
• En algunos casos, si las condiciones vuelven a la normalidad, la proteína puede recuperar su forma (renaturalización), aunque generalmente es un proceso irreversible (como al freír un huevo).

Las proteínas son las "herramientas" de la célula. Sus funciones incluyen:

• Estructural: Queratina en pelo y uñas, colágeno en tejido conjuntivo.
• Transporte: Hemoglobina (oxígeno en sangre), permeasas (membrana celular).
• Defensa: Inmunoglobulinas (anticuerpos).
• Reserva: Ovoalbúmina (huevo), caseína (leche).
• Movimiento: Actina y miosina en la contracción muscular.
• Hormonal: Insulina y glucagón.

• Holoproteínas: Formadas exclusivamente por aminoácidos.
• Heteroproteínas: Contienen una parte proteica y una parte no proteica llamada grupo prostético. Se clasifican según este grupo en: Glucoproteínas (glúcido), Lipoproteínas (lípido), Fosfoproteínas (ácido fosfórico) y Cromoproteínas (pigmento, como el grupo hemo).

Las enzimas actúan disminuyendo la energía de activación necesaria para que comience una reacción. El proceso sigue estos pasos:

1. El sustrato se une al centro activo de la enzima (una pequeña cavidad con afinidad química).
2. Se forma el complejo enzima-sustrato (ES).
3. Ocurre la transformación química y se libera el producto.

Las enzimas son altamente específicas: presentan especificidad de sustrato (solo actúan sobre una molécula) y especificidad de acción (solo realizan un tipo de transformación).

Muchas enzimas necesitan un componente no proteico para funcionar:

• Apoenzima: Parte proteica inactiva.
• Holoenzima: Enzima completa y activa (Apoenzima + Cofactor).
• Los cofactores pueden ser iones metálicos ($Mg^{2+}$, $Cu^{2+}$) o moléculas orgánicas complejas llamadas coenzimas (muchas de las cuales son vitaminas, como el NAD+ o FAD).

La velocidad de una reacción enzimática se estudia mediante el modelo de Michaelis-Menten.

• Vmax: Velocidad máxima cuando todos los centros activos están ocupados (saturación).
• Km (Constante de Michaelis): Concentración de sustrato a la cual la velocidad es la mitad de la Vmax. Una Km baja indica una alta afinidad de la enzima por el sustrato.

• Temperatura: Existe una temperatura óptima; por encima de ella, la enzima se desnaturaliza.
• pH: Cada enzima tiene un pH óptimo (ej. la pepsina del estómago trabaja a pH 2).
• Concentración de sustrato: Al aumentar el sustrato, aumenta la velocidad hasta que se alcanza la saturación.

Los inhibidores son sustancias que disminuyen o anulan la actividad enzimática.

• Competitiva: El inhibidor se parece al sustrato y compite por el centro activo.
• No competitiva: El inhibidor se une a otro lugar de la enzima, deformando el centro activo.
• Irreversible: El inhibidor se une covalentemente y "envenena" la enzima de forma permanente.

Las enzimas alostéricas tienen centros de regulación adicionales donde se unen efectores que activan o inhiben la enzima. Es común la retroalimentación o feedback, donde el producto final de una ruta metabólica inhibe a la primera enzima de la ruta para evitar el exceso de producción. Además, algunas enzimas se sintetizan en forma inactiva (zimógenos) y solo se activan cuando son necesarias (ej. enzimas digestivas).