Fundamentos de Biología Molecular: ARN, Proteínas y Catálisis Enzimática

Tipos de ARN y sus Funciones

ARN de Transferencia (ARNt)

El ARNt une el aminoácido correspondiente y lo transporta hasta el lugar de la síntesis de proteínas (ribosoma). Presenta una estructura secundaria característica en forma de trébol y una estructura terciaria en forma de L. Contiene el anticodón, un triplete de bases nitrogenadas complementario del codón (triplete de bases del ARNm que especifica un aminoácido).

ARN Mensajero (ARNm)

El ARNm lleva el mensaje genético (la secuencia de nucleótidos que codifica una proteína) desde el núcleo hasta el citoplasma, donde se traduce en una secuencia de aminoácidos para formar una proteína. En eucariotas:

• En el extremo 5' (cinco prima) llevan una estructura protectora llamada caperuza 5' (cap) de guanosina metilada.
• En el extremo 3' (tres prima) llevan una secuencia de adeninas llamada cola de poli-A.
• Entre ambos extremos se encuentran los fragmentos que se traducen en aminoácidos, llamados exones, intercalados con fragmentos que no se traducen, los intrones, los cuales son eliminados mediante un proceso llamado splicing o corte y empalme antes de la traducción.

ARN Ribosómico (ARNr)

El ARNr es el tipo de ARN más abundante y forma parte estructural de los ribosomas, los orgánulos celulares encargados de la síntesis de proteínas.

ARN Nucleolar (ARNn)

El ARNn (o ARN nucleolar) se sintetiza en el nucléolo y es precursor en la formación del ARNr.

Proteínas

Enlace Peptídico

El enlace peptídico une dos aminoácidos mediante un enlace covalente de tipo amida. Se establece entre el grupo carboxilo (-COOH) de un aminoácido y el grupo amino (-NH2) de otro, con la pérdida de una molécula de agua (H2O). Aunque se representa como un enlace simple, tiene carácter parcial de doble enlace, lo que implica que los átomos C, O, N, H involucrados en el enlace están en el mismo plano (estructura planar). Este enlace es rígido y no permite la rotación a su alrededor, aunque sí es posible la rotación en los enlaces adyacentes (N-Cα y Cα-C). Los enlaces peptídicos son polares, lo que permite la formación de puentes de hidrógeno entre diferentes partes de la cadena polipeptídica o con las cadenas laterales. En la nomenclatura de péptidos, los residuos de aminoácidos se nombran con la terminación '-il', excepto el último aminoácido C-terminal, que conserva su nombre normal.

Características de los Aminoácidos

• Fórmula general: Un carbono central (carbono alfa o Cα) unido a un grupo amino (-NH2), un grupo carboxilo (-COOH), un átomo de hidrógeno (-H) y una cadena lateral o grupo R, que es diferente para cada uno de los 20 aminoácidos proteicos estándar.
• Grupo amino: Todos tienen un grupo amino primario, excepto la prolina, que tiene un grupo amino secundario (es un iminoácido). En los aminoácidos proteicos, el grupo amino está unido al carbono α.
• Estereoisomería: Se pueden formar dos series de enantiómeros (isómeros especulares), L y D, según la posición espacial del grupo amino respecto al Cα. Los aminoácidos presentes en las proteínas naturales pertenecen casi exclusivamente a la serie L.
• Carbono asimétrico: Excepto la glicina (cuyo grupo R es un -H), todos los aminoácidos proteicos tienen al menos un carbono asimétrico (el Cα) y, por lo tanto, presentan isomería óptica (desvían el plano de la luz polarizada).
• Carácter anfótero: En disolución acuosa, los aminoácidos están ionizados (como zwitteriones) y pueden actuar como ácidos o bases, es decir, son anfóteros.
• Aminoácidos esenciales: Ocho de los veinte aminoácidos son esenciales para los humanos adultos, lo que significa que no pueden ser sintetizados por el organismo y deben obtenerse a través de la dieta.

Enzimas

Acción Enzimática

La acción enzimática es el proceso por el cual las enzimas catalizan reacciones químicas. Consiste en la transformación química de una sustancia, el sustrato, en otra llamada producto. Para que una reacción ocurra, los reactivos deben alcanzar un estado de transición que requiere una cierta cantidad de energía, la energía de activación. Las enzimas son catalizadores biológicos (generalmente proteínas) que actúan disminuyendo la energía de activación necesaria, lo que aumenta enormemente la velocidad de reacción sin modificar el equilibrio de la misma. Las enzimas se unen específicamente al sustrato en una región tridimensional llamada centro activo, formando un complejo enzima-sustrato (ES) transitorio. Este complejo facilita la transformación del sustrato en producto, formando el complejo enzima-producto (EP), que finalmente se disocia, liberando el producto y dejando la enzima libre e intacta para catalizar nuevas reacciones. El centro activo está formado por un conjunto específico de residuos de aminoácidos que pueden estar alejados en la secuencia primaria de la proteína pero próximos en su estructura terciaria plegada.

Factores que Afectan la Actividad Enzimática e Inhibición

La actividad enzimática puede ser modulada por diversos factores, incluyendo la temperatura, el pH y la presencia de inhibidores.

Inhibición Enzimática

La inhibición reduce o anula la actividad de una enzima. Puede ser:

• Inhibición Reversible: El inhibidor se une a la enzima de forma no covalente y puede disociarse, recuperándose la actividad enzimática.
  • Competitiva: El inhibidor tiene una estructura similar al sustrato y compite con él por unirse al centro activo de la enzima.
  • Acompetitiva (o Incompetitiva): El inhibidor se une únicamente al complejo enzima-sustrato (ES), impidiendo la formación del producto.
  • No competitiva (o Mixta): El inhibidor se une a la enzima en un sitio distinto del centro activo (sitio alostérico), tanto si la enzima está libre como si forma parte del complejo ES. Al unirse, provoca un cambio conformacional que afecta la unión del sustrato o la catálisis.
• Inhibición Irreversible: El inhibidor se une covalentemente al centro activo o cerca de él, modificándolo químicamente y dejando la enzima permanentemente inutilizada.

Regulación Enzimática

• Enzimas Alostéricas: Son enzimas que poseen, además del centro activo, uno o más sitios alostéricos donde se unen moléculas reguladoras (efectores alostéricos: activadores o inhibidores). La unión del efector provoca un cambio conformacional en la enzima que modifica su afinidad por el sustrato o su actividad catalítica. Representan una forma especial y crucial de regulación metabólica.
• Retroinhibición (Feedback Negativo): Es un mecanismo de control común en las rutas metabólicas, donde el producto final de la ruta actúa como inhibidor (generalmente alostérico) de una de las primeras enzimas de esa misma ruta. Esto evita la sobreproducción del producto final cuando ya existe en cantidad suficiente.

Modos de Actuación de las Enzimas

Las enzimas pueden actuar de diferentes maneras en la célula:

• Aisladas: Cada enzima cataliza una reacción específica de forma independiente de otras.
• Complejos Multienzimáticos: Varias enzimas que catalizan pasos secuenciales de una ruta metabólica se agrupan físicamente. Esta asociación aumenta la eficiencia de la ruta al canalizar los intermediarios directamente de una enzima a la siguiente (ej., complejo piruvato deshidrogenasa, sintasa de ácidos grasos). Las enzimas individuales pueden ser inactivas si se separan del complejo.
• Asociadas a Estructuras Celulares: Enzimas que están integradas o asociadas a membranas biológicas (como las de la mitocondria o el retículo endoplasmático) o a otros componentes estructurales, donde llevan a cabo sus funciones de forma organizada (ej., enzimas de la cadena respiratoria).
• En Cascada: Secuencia de reacciones en la que una enzima activa a otra (a menudo convirtiendo un precursor inactivo o zimógeno en su forma activa), la cual a su vez activa a una tercera, y así sucesivamente. Esto permite una gran amplificación de la señal inicial (ej., cascada de la coagulación sanguínea, cascada del complemento).