Enzimas y Aminoácidos: Fundamentos Bioquímicos y Funcionales

Mecanismos de Acción y Especificidad de las Enzimas

Disminución de la Energía de Activación

Las enzimas son catalizadores biológicos que disminuyen la energía de activación, es decir, la energía mínima necesaria para relajar o romper algunos enlaces y formar otros nuevos, permitiendo así que se produzca una reacción química. Al reducir esta barrera energética, las enzimas aceleran significativamente la velocidad de las reacciones químicas sin alterar su equilibrio termodinámico ni influir en la concentración final de los productos obtenidos. Si las moléculas requieren menor energía para reaccionar, un mayor número de ellas podrá hacerlo en un momento dado, lo que se traduce en un aumento de la velocidad de reacción.

Cuando las moléculas de los reactivos entran en contacto, la reacción transcurre a través de un estado de transición de alta energía conocido como complejo activado. Este complejo está constituido por las moléculas reaccionantes, en el cual algunos enlaces se han debilitado o roto, y otros nuevos han comenzado a formarse. Las enzimas facilitan la formación de un complejo activado con menor energía que el que se formaría en ausencia del catalizador.

Formación del Complejo Enzima-Sustrato (ES)

En las reacciones enzimáticas, la enzima (E) se une de forma específica a su sustrato (S) para formar un complejo transitorio denominado complejo enzima-sustrato (ES). Tras la transformación catalítica del sustrato, este complejo se disocia, liberando los productos (P) de la reacción y la enzima libre, que queda disponible para catalizar nuevas reacciones.

Esta unión crucial tiene lugar en una región específica y tridimensionalmente definida de la molécula de la enzima, llamada centro activo. El centro activo está constituido por un número reducido de aminoácidos y presenta una estructura, a menudo en forma de hueco o hendidura, que es complementaria a la estructura del sustrato, permitiendo un encaje preciso.

Dentro del centro activo, se distinguen dos tipos principales de residuos de aminoácidos:

• Residuos de unión: Estos aminoácidos poseen cadenas laterales con grupos hidrófobos o con cargas eléctricas (positivas o negativas) que interactúan con el sustrato, asegurando su correcta orientación y fijación dentro del centro activo.
• Residuos catalíticos: Son los directamente responsables de la transformación química del sustrato en productos. Sus grupos funcionales participan activamente en la catálisis, induciendo la formación o ruptura de enlaces específicos.

En el caso de las holoenzimas (enzimas conjugadas que requieren un componente no proteico para su actividad), el cofactor (ya sea un ion metálico o una molécula orgánica llamada coenzima) se localiza frecuentemente en el centro activo o cerca de él, participando en la unión del sustrato o en la propia catálisis.

Especificidad Enzimática

Debido a la estrecha y precisa relación estructural que existe entre el centro activo de la enzima y la forma del sustrato, la mayoría de las enzimas exhiben una alta especificidad. Esta especificidad se manifiesta en dos niveles principales:

• Especificidad de acción: Una enzima determinada cataliza únicamente una transformación química específica de todas las posibles que podría sufrir un sustrato. Si el mismo sustrato puede experimentar diferentes reacciones, cada una de ellas será catalizada por una enzima distinta con su propia especificidad de acción.
• Especificidad de sustrato: Cada enzima actúa sobre un único sustrato o sobre un número muy reducido de sustratos que comparten características estructurales similares. Esta especificidad puede ser:
  • Absoluta: La enzima reconoce y actúa sobre un solo tipo de molécula de sustrato.
  • De grupo: La enzima actúa sobre un grupo de sustratos que poseen un determinado grupo funcional o estructura común.
  • Estereoquímica (o estereoespecificidad): La enzima es capaz de distinguir entre estereoisómeros (por ejemplo, isómeros D y L, o isómeros cis y trans), catalizando la reacción de solo uno de ellos.

Aminoácidos: Unidades Fundamentales de las Proteínas

Los aminoácidos son las unidades monoméricas que, al unirse mediante enlaces peptídicos, forman los péptidos y las proteínas, macromoléculas esenciales para la vida. Aunque se conocen alrededor de 200 aminoácidos diferentes en la naturaleza, solo 20 de ellos, denominados aminoácidos proteicos o proteinogénicos, son los que comúnmente forman parte de las proteínas en todos los seres vivos.

Propiedades Generales de los Aminoácidos

Los aminoácidos proteicos son compuestos orgánicos relativamente sencillos que comparten una estructura básica (un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de hidrógeno y una cadena lateral R, todos unidos a un carbono central llamado carbono alfa) y presentan las siguientes propiedades generales:

• Baja masa molecular.
• Generalmente solubles en agua y en disolventes polares, e insolubles en disolventes apolares.
• Son cristalizables.
• Generalmente incoloros.
• Poseen un punto de fusión elevado (superiores a 200 °C), por lo que son sólidos a temperatura ambiente.
• Comportamiento anfótero: Gracias a la presencia de un grupo amino (básico) y un grupo carboxilo (ácido) en la misma molécula, los aminoácidos pueden actuar como ácidos (cediendo protones) o como bases (aceptando protones) dependiendo del pH del medio. En disoluciones acuosas, a pH neutro, suelen existir como iones dipolares (zwitteriones).
• Estereoisomería: Todos los aminoácidos proteicos, con la excepción de la glicina (cuya cadena lateral R es un átomo de hidrógeno), poseen un carbono alfa asimétrico (quiral). Esto significa que pueden existir en dos formas estereoisoméricas especulares no superponibles, designadas como D (dextro) y L (levo). Los aminoácidos que componen las proteínas en los seres vivos son casi exclusivamente de la configuración L. Los isómeros D y L de un mismo aminoácido son enantiómeros.

Aminoácidos Esenciales

Los aminoácidos esenciales son aquellos que un organismo heterótrofo (como el ser humano) no puede sintetizar por sí mismo en las cantidades necesarias para cubrir sus requerimientos metabólicos. Por lo tanto, deben ser obtenidos obligatoriamente a través de la dieta.

Clasificación de los Aminoácidos Proteicos

Los 20 aminoácidos proteicos se clasifican comúnmente según la polaridad y las propiedades de su cadena lateral (grupo R), ya que esta determina en gran medida sus propiedades fisicoquímicas y su función en las proteínas. Una clasificación simplificada es:

• Aminoácidos apolares (o hidrofóbicos): Sus cadenas laterales no son polares y tienden a evitar el contacto con el agua. Ejemplos: alanina, valina, leucina, isoleucina, metionina, fenilalanina, triptófano, prolina.
• Aminoácidos polares sin carga neta (a pH fisiológico): Sus cadenas laterales son polares pero no están ionizadas a pH neutro. Pueden formar puentes de hidrógeno. Ejemplos: serina, glicina, treonina, tirosina, cisteína, asparagina, glutamina.
• Aminoácidos ácidos (con carga negativa a pH fisiológico): Sus cadenas laterales contienen un grupo carboxilo adicional que está ionizado (carga negativa) a pH neutro. Ejemplos: ácido aspártico (aspartato), ácido glutámico (glutamato).
• Aminoácidos básicos (con carga positiva a pH fisiológico): Sus cadenas laterales contienen un grupo amino adicional (u otro grupo básico) que está protonado (carga positiva) a pH neutro. Ejemplos: lisina, arginina, histidina.