Fundamentos de Enzimas y Carbohidratos: Propiedades, Clasificación y Reacciones Bioquímicas

Semana 1: Enzimas y su Función

Propiedades Notables de las Enzimas

• Velocidad: Aceleran significativamente las reacciones bioquímicas.
• Especificidad: Actúan sobre sustratos específicos o un grupo reducido de ellos.
• Regulación: Su actividad puede ser modulada para controlar las rutas metabólicas.

Sitio Activo

Región específica de la enzima donde se une el sustrato y ocurre la catálisis; es una superficie de unión única.

Cofactores Enzimáticos

Iones inorgánicos (ej. Mg²⁺, Zn²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺) o moléculas no proteicas que son esenciales para la actividad de algunas enzimas, activándolas para realizar la reacción.

Coenzimas

Moléculas orgánicas complejas, a menudo derivadas de vitaminas, que actúan como cofactores, participando directamente en la reacción catalítica (ej. NAD⁺, FAD, Coenzima A).

Apoenzima y Holoenzima

La apoenzima es el componente proteico de una enzima, catalíticamente inactiva por sí sola. La holoenzima es la forma activa de la enzima, resultante de la unión de la apoenzima con su cofactor o coenzima.

Clasificación de las Enzimas

Las enzimas se clasifican según el tipo de reacción que catalizan:

• Oxidorreductasas: Catalizan reacciones de óxido-reducción (transferencia de electrones o átomos de hidrógeno).
• Transferasas: Catalizan la transferencia de grupos funcionales (ej. metilo, acilo, amino) de una molécula donadora a una aceptora.
• Hidrolasas: Catalizan la ruptura de enlaces mediante la adición de una molécula de agua (hidrólisis).
• Liasas: Catalizan la ruptura de enlaces (C-C, C-S, C-N) por mecanismos distintos a la hidrólisis o la oxidación, a menudo formando un doble enlace o añadiendo grupos a dobles enlaces.
• Isomerasas: Catalizan la reorganización de átomos dentro de una molécula, convirtiendo un isómero en otro (reordenamientos intramoleculares).
• Ligasas: Catalizan la formación de nuevos enlaces entre dos moléculas, acoplada a la hidrólisis de una molécula de alta energía como el ATP.

Cinética Enzimática

Estudio de las velocidades de las reacciones catalizadas por enzimas. Proporciona información crucial sobre el mecanismo de reacción, la afinidad de la enzima por el sustrato (K_m) y la velocidad máxima (V_max).

Inhibición Enzimática

Proceso por el cual ciertas moléculas, llamadas inhibidores, reducen o bloquean la actividad catalítica de una enzima.

Tipos de Inhibición

Inhibición Reversible

El inhibidor se une a la enzima de forma no covalente y puede disociarse, permitiendo que la enzima recupere su actividad. Se distinguen varios tipos:

• Inhibición Competitiva: El inhibidor compite con el sustrato por unirse al sitio activo de la enzima libre. No se une al complejo enzima-sustrato (ES).
• Inhibición No Competitiva: El inhibidor se une a un sitio diferente del sitio activo, tanto en la enzima libre como en el complejo ES. Afecta la eficiencia catalítica pero no necesariamente la unión del sustrato.
• Inhibición Acompetitiva (o Incompetitiva): El inhibidor se une únicamente al complejo enzima-sustrato (ES), no a la enzima libre.

Inhibición Irreversible

El inhibidor se une de forma covalente a la enzima, o se une tan fuertemente que su disociación es muy lenta, inactivándola de manera permanente o semipermanente.

Ligando

Molécula de menor tamaño que se une específicamente a otra molécula de mayor tamaño (generalmente una proteína o ácido nucleico) en un punto determinado. Cuando un ligando se une a un receptor y desencadena una respuesta biológica, se denomina agonista. Si un ligando se une a una proteína (como una enzima o receptor) y bloquea su actividad o la acción de un agonista, se denomina antagonista.

Factores que Favorecen la Catálisis Enzimática

• Efectos de proximidad y orientación (tensión): Las enzimas unen los sustratos en una orientación óptima para la reacción y estabilizan el estado de transición.
• Catálisis ácido-básica: Grupos funcionales en el sitio activo pueden actuar como donadores o aceptores de protones.
• Efectos electrostáticos: La distribución de cargas en el sitio activo puede estabilizar estados de transición cargados.
• Catálisis covalente: Formación transitoria de un enlace covalente entre la enzima y el sustrato.

Azúcares (Carbohidratos): Estructura y Reactividad

Clasificación según el Número de Unidades Monoméricas

• Monosacáridos: Unidades de azúcar simples que no pueden hidrolizarse en moléculas más pequeñas. Ejemplos: glucosa, fructosa, galactosa, manosa.
• Disacáridos: Formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace glucosídico. Ejemplos: lactosa (glucosa + galactosa), maltosa (glucosa + glucosa), sacarosa (glucosa + fructosa), celobiosa (glucosa + glucosa con enlace β).
• Oligosacáridos: Formados por la unión de 3 a 10 (aproximadamente) unidades de monosacáridos. A menudo se encuentran unidos a proteínas (glucoproteínas) o lípidos (glucolípidos).
• Polisacáridos: Polímeros largos formados por muchas unidades de monosacáridos.
  • De almacenamiento: Almidón (en plantas) y glucógeno (en animales).
  • Estructurales: Celulosa (en plantas) y quitina (en hongos y exoesqueleto de artrópodos).

Glucoconjugados: Moléculas complejas formadas por la unión covalente de carbohidratos a otras biomoléculas, como proteínas (formando glucoproteínas y proteoglucanos) o lípidos (formando glucolípidos).

Conceptos Clave en la Estructura de Azúcares

Epímeros

Isómeros de azúcares que difieren en la configuración de un solo carbono asimétrico (quiral). Por ejemplo, la glucosa y la galactosa son epímeros en C4.

Carbono Anomérico

Es el carbono del grupo carbonilo (aldehído en C1 de aldosas, o cetona en C2 de cetosas) que se convierte en un nuevo centro quiral cuando un monosacárido de cadena abierta se cicla para formar una estructura hemiacetálica o hemicetálica.

Estructuras Conformacionales

Representaciones tridimensionales que describen más exactamente la forma espacial de los azúcares cíclicos, como las conformaciones de silla y bote para las piranosas.

Reacciones de los Monosacáridos

• Mutarrotación: Es la interconversión espontánea entre las formas anoméricas α y β de un monosacárido cuando se disuelve en agua, pasando por la forma de cadena abierta, hasta alcanzar un equilibrio.
• Oxidación-Reducción:
  • Oxidación:
    • La oxidación del grupo aldehído (C1 de aldosas) produce un ácido aldónico.
    • La oxidación del grupo hidroxilo primario terminal (ej. C6 de hexosas) produce un ácido urónico.
    • Si tanto el grupo aldehído como el hidroxilo primario terminal se oxidan, se forma un ácido aldárico.
    • La oxidación del grupo hidroxilo en el carbono anomérico de una forma cíclica puede formar una lactona (un éster cíclico intramolecular).
  • Reducción: La reducción del grupo carbonilo (aldehído o cetona) de un monosacárido produce un polialcohol llamado alditol (o azúcar-alcohol). Por ejemplo, la reducción de la glucosa da sorbitol (glucitol).
• Isomerización: Conversión de un monosacárido en uno de sus isómeros (ej. conversión de glucosa a fructosa, o epimerización). Incluye la formación de enantiómeros, diastereómeros y epímeros bajo condiciones adecuadas.
• Esterificación: Reacción de los grupos hidroxilo de un azúcar con un ácido (ej. ácido fosfórico para formar fosfatos de azúcar, o ácidos carboxílicos) para formar ésteres.
• Formación de Glucósidos (Glicosilación): Reacción del grupo hidroxilo del carbono anomérico de un monosacárido (en su forma cíclica hemiacetálica o hemicetálica) con un grupo hidroxilo de otra molécula (otro azúcar, un alcohol, o un grupo -NH de una amina) para formar un enlace glucosídico (o glicosídico) y liberar agua. El producto es un glucósido.

Nota sobre metabolismo: A nivel hepático, la fructosa, por ejemplo, sigue rutas metabólicas específicas para su incorporación al metabolismo glucolítico.

Derivados de Monosacáridos

Monosacáridos que han sido modificados químicamente mediante la adición o alteración de grupos funcionales. Algunos importantes son:

1. Ácidos Urónicos: Se forman por la oxidación del grupo hidroxilo del carbono terminal (ej. C6 en hexosas como la glucosa, formando ácido glucurónico) a un grupo carboxilo (-COOH).
2. Aminoazúcares: Se forman por la sustitución de un grupo hidroxilo (comúnmente el del C2) por un grupo amino (-NH₂). Ejemplos: glucosamina, galactosamina. A menudo se encuentran acetilados (ej. N-acetilglucosamina).
3. Desoxiazúcares: Se forman por la sustitución de un grupo hidroxilo por un átomo de hidrógeno. Ejemplo: 2-desoxirribosa (componente del ADN), fucosa.