Biocatalizadores y Ácidos Nucleicos: Enzimas, Vitaminas, ADN y ARN

Enzimas: Biocatalizadores

En toda reacción química se produce la transformación de unas sustancias iniciales, denominadas reactivos o sustratos, en otras sustancias finales llamadas productos. Para ello es necesario que las sustancias que van a reaccionar reciban una determinada cantidad de energía (generalmente en forma de calor) que las active, por eso se denomina "energía de activación". Esta se emplea en debilitar los enlaces de los reactivos y así favorecer su rotura. Las enzimas son proteínas globulares (por tanto solubles en agua) que actúan como biocatalizadores de las reacciones biológicas.

Holoenzimas

Enzimas formadas por una parte proteica, llamada apoenzima, y una parte no proteica, denominada cofactor. El cofactor puede ser:

• Un catión metálico: Fe, Cu, Mg, Zn, ...
• Una molécula orgánica compleja, que recibe el nombre de coenzima, es un cofactor orgánico no proteico que es necesario para la acción catalítica de algunas enzimas. La mayoría de los coenzimas se unen débilmente a la enzima, pero otros se unen estrechamente, mediante enlaces covalentes, en este caso, el coenzima recibe el nombre de grupo prostético.

Mecanismo de Acción de las Enzimas

En todas las reacciones enzimáticas el sustrato (S) es convertido en producto (P). Para ello, en primer lugar, el sustrato se une a la enzima (E), formándose el complejo enzima-sustrato (ES). El resultado de esta unión es que el sustrato se transforma en otra molécula llamada producto, que se separa de la enzima, la cual queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato.

E + S --------> ES ---------> E + P

La unión del sustrato a la enzima tiene lugar en una zona específica de la enzima, que recibe el nombre de centro activo. Este constituye una parte muy pequeña de la molécula enzimática.

Especificidad de las Enzimas

Las enzimas tienen un alto grado de especificidad, ya que sólo los sustratos que tienen la forma adecuada pueden acoplarse al centro activo. Por ejemplo, la sacarasa sólo se puede unir a la sacarosa.

Factores que Influyen en la Actividad Enzimática

Las reacciones catalizadas por enzimas no se producen siempre a la misma velocidad. Entre los factores que pueden modificar la velocidad de dichas reacciones se pueden citar las siguientes:

• La concentración del sustrato
• La temperatura: A medida que aumenta la temperatura, aumenta también la actividad enzimática. Esto es lógico, ya que el aumento de temperatura aumenta la movilidad de las moléculas y por tanto, la posibilidad de encuentro enzima-sustrato. Existe una temperatura óptima para la cual la actividad enzimática es máxima. Pero por encima de ésta, se dificulta la unión enzima-sustrato y además llega un momento en el que la enzima se desnaturaliza y pierde su actividad enzimática.
• El pH: Las enzimas sólo actúan dentro de unos valores límite de pH. Entre estos límites, está el pH óptimo, en el cual la enzima presenta su máxima eficacia. Traspasados estos límites, la enzima se desnaturaliza, ya que los aminoácidos se ionizan provocando cambios en la estructura tridimensional de la enzima. La mayor parte de las enzimas poseen un pH óptimo próximo a la neutralidad.

Inhibición de la Actividad Enzimática

La inhibición consiste en la pérdida o en la disminución de la actividad enzimática, debido a que la enzima se une a un compuesto llamado inhibidor.

• Inhibición irreversible: Tiene lugar cuando el inhibidor o veneno se fija permanentemente (por enlaces covalentes) al centro activo de la enzima, alterando su estructura y, por tanto, inutilizándola.
• Inhibición reversible: Tiene lugar cuando la enzima vuelve a tener actividad una vez eliminada la sustancia inhibidora. En este caso, la unión del inhibidor con la enzima se realiza por enlaces no covalentes.

Tipos de Inhibición Reversible

• Inhibición reversible competitiva: En ella el inhibidor es una molécula similar al sustrato, por lo que se une al centro activo impidiendo la unión del sustrato. Existe una competencia entre ambos para ocupar el centro activo. Si se fija el inhibidor, la enzima queda bloqueada. Por tanto el sustrato no puede fijarse hasta que el inhibidor se vaya. La velocidad de la reacción disminuye en función de la concentración de inhibidor.
• Inhibición reversible no competitiva: El inhibidor se une a la enzima, pero en una zona distinta del centro activo. Esta unión modifica la estructura de la enzima, dificultando el acoplamiento del sustrato. En ocasiones, el inhibidor se une al complejo E-S, una vez creado éste, e impide la liberación del producto.

Vitaminas

Las vitaminas son otro grupo de biocatalizadores indispensables para el buen funcionamiento del metabolismo de los seres vivos. Muchos coenzimas tienen naturaleza vitamínica. Las vitaminas se necesitan en pequeñas cantidades, pero su déficit en la alimentación puede generar trastornos y enfermedades muy graves, incluso mortales, que se denominan avitaminosis, si la carencia vitamínica es total, e hipovitaminosis, si la carencia es parcial.

Las vitaminas son sustancias lábiles que se alteran con facilidad. El calor, el oxígeno del aire o la luz provocan su destrucción.

Clasificación de las Vitaminas

Debido a la gran heterogeneidad que presentan en su composición química, las vitaminas se clasifican tradicionalmente según su solubilidad en dos grupos:

• Liposolubles: A este grupo pertenecen las vitaminas A, D, E y K. EJEMPLOS: Vitamina A: Xeroftalmina, Vitamina D: Raquitismo
• Hidrosolubles: A este grupo pertenecen las vitaminas C y las del B EJEMPLOS: Vitamina B: Beriberi, Vitamina C: Escorbuto.

Ácidos Nucleicos: Composición

Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) son macromoléculas formadas por la unión de muchos monómeros denominados nucleótidos. Los nucleótidos son moléculas compuestas por la unión de 3 unidades: una molécula de ácido fosfórico, un monosacárido (una pentosa) y una base nitrogenada.

Tipos de Moléculas Obtenidas por Hidrólisis

• Nucleósido: base nitrogenada y pentosa.
• Nucleótido: base nitrogenada, pentosa y una molécula de ácido fosfórico.

Funciones de los Nucleótidos

• Estructural: Formar parte de ácidos nucleicos, cromosomas y ribosomas.
• Energética: Participar en reacciones de transferencia de la energía que se acumula en los enlaces fosfatos

ADN

El ADN es un polímero de desoxirribonucleótidos (contienen desoxirribosa). En cuanto a las bases nitrogenadas pueden aparecer adenina, guanina, citosina y timina, pero nunca uracilo.

Estructura del ADN

En el medio acuoso celular, el ADN adopta (igual que las proteínas) una estructura tridimensional en la que se pueden describir varios niveles de complejidad creciente, son las estructuras primaria, secundaria y terciaria.

Estructura Primaria

Es la secuencia de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Una cadena de ADN presenta dos extremos libres: el 5', unido al grupo fosfato, y el 3', unido al hidroxilo.

Función: Contiene la información genética (almacenamiento y replicación)

Estructura Secundaria: Modelo de Watson y Crick

El ADN está constituido por dos cadenas de polinucleótidos unidas entre sí. La unión entre las cadenas se realiza por medio de puentes de H entre las bases nitrogenadas, concretamente, la adenina forma 2 de estos puentes con la timina y la guanina 3 con la citosina. Se dice que las dos cadenas son complementarias. Las dos cadenas de ADN forman una doble hélice dextrógira con bases nitrogenadas en el interior y esqueletos pentosa-fosfato en el exterior. El enrollamiento es plectonémico, lo que impide separar las cadenas sin desenrollarlas.

Desnaturalización del ADN

Cuando el ADN se somete a temperaturas elevadas o a cambios de pH, las dos cadenas de polinucleótidos se separan al romperse los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Este proceso, denominado desnaturalización, es reversible siempre que el tratamiento aplicado no haya sido muy drástico. El proceso por el que se recupera la doble hélice, se denomina renaturalización.

ARN

El ARN está formado por la unión de ribonucleótidos (contienen ribosa) de adenina, guanina, citosina y uracilo (no hay timina), mediante enlaces fosfodiéster en sentido 5'→ 3' . La cadena de ARN es más corta que las de ADN y puede localizarse tanto en el núcleo como en el citoplasma celular. Excepto en los reovirus, el ARN está constituido por una única cadena, aunque en el ARN transferente hay tramos bicatenarios por apareamiento de bases. La función del ARN es extraer la información del ADN y dirigir la síntesis de proteínas a partir de esta información.

Tipos de ARN

• ARN mensajero (ARNm): Su función es copiar la información genética del ADN (transcripción) y transportarla desde el núcleo hasta los ribosomas, para que se sinteticen las proteínas.
• ARN ribosómico (ARNr): sintetizan las proteínas
• ARN transferente (ARNt): Su función es transportar los aminoácidos presentes en el citoplasma celular hasta los ribosomas, para que allí se unan y formen las proteínas
• ARN nucleolar (ARNn): su función es romperse para dar lugar a los diferentes tipos de ARNr.

Nucleótidos con Función Coenzimática

Los coenzimas son moléculas orgánicas no proteicas que intervienen en las reacciones catalizadas enzimáticamente actuando, generalmente, como transportadores de electrones. Muchos de ellos son nucleótidos.

Nucleótidos que Participan en Procesos Metabólicos

El NAD, NADP, FAD, Coenzima A.