OOBioquimica.Pratt

Cada proteína, con su estructura tridimensional única, puede realizar alguna fun-
ción específica para el organismo que la produce. Por ejemplo, la hormona insulina
(una proteína con 51 residuos) se fija a su receptor (una proteína de membrana mu-
cho más grande) para inducir determinadas respuestas intracelulares. Casi todas las
enzimas son proteínas que interactúan con moléculas específicas y median su trans-
formación química. Este capítulo inicia considerando el caso de la mioglobina, una
proteína intracelular de unión a oxígeno que da a los músculos de los vertebrados un
color rojizo, y de la hemoglobina, una importante proteína de los eritrocitos, que
transporta O2 desde los pulmones hasta otros tejidos. Estas dos proteínas se han es-
tudiado durante muchos decenios y han aportado valiosa información sobre las fun-
ciones de las proteínas.

Mioglobina y hemoglobina son proteínas globulares, pero muchas de las proteínas
más abundantes son fibrosas (alargadas), y pueden extenderse para formar estructuras
amplias que determinan la forma y otros atributos físicos de las células y de organis-
mos enteros. Entre estas proteínas estructurales se incluyen el colágeno, una proteína
de la matriz extracelular, y diversas proteínas que constituyen el andamiaje intracelular
conocido como citoesqueleto. Aparte de formar redes fibrosas, estas proteínas tienen
poco en común, y exhiben una variedad de características estructurales secundarias,
terciarias y cuaternarias relacionadas con sus funciones fisiológicas características.

Si bien las funciones de sostén de las proteínas fibrosas en la arquitectura celular po-
drían parecer obvias, resulta que muchas de las funciones dinámicas de las células tam-
bién están vinculadas de manera intrincada al citoesqueleto. Los movimientos de las
células y de los organelos dentro de ellas son un reflejo de la acción de proteínas motoras
que operan a lo largo de carriles o rieles constituidos por fibras del citoesqueleto. Las
proteínas motoras dan algunas lecciones adicionales sobre estructura y función de
las proteínas cuando se considera el mecanismo por el cual convierten energía libre me-
tabólica (la energía del ATP) en trabajo mecánico, esto es, en movimiento molecular.

5-1. Mioglobina y hemoglobina: proteínas que fijan
oxígeno

La mioglobina es una proteína relativamente pequeña con forma compacta que CONCEPTOS CLAVE
mide unos 44 ϫ 44 ϫ 25 Å (figura 5-1a). Carece por completo de estructura β, y
sus 153 aminoácidos salvo 32 son parte de ocho hélices α, que varían en longitud • El O2 se une al grupo hemo de la
entre 7 y 26 residuos, y se nombran A a H (figura 5-1b). La hemoglobina es una mioglobina de modo que la unión
proteína tetramérica cuyas cuatro subunidades se parecen a la mioglobina. alcanza la mitad de su máximo
cuando la concentración de
La molécula de mioglobina plenamente funcional posee una cadena polipeptídi- oxígeno es igual a la constante de
ca más el derivado porfirina que contiene hierro llamado hem (se muestra a conti- disociación.
nuación). El hemo es un tipo de grupo prostético, un compuesto orgánico que
permite a la proteína realizar alguna función que sería imposible para el polipéptido • Las semejanzas de estructura y
en este caso –unirse a oxígeno. secuencia entre mioglobina y
hemoglobina indican un origen
ϪO O ϪO evolutivo común.
C O
• El O2 puede unirse de manera
C cooperativa a la hemoglobina
cuando ésta pasa de la
CH2 CH2 conformación desoxi a oxi.
CH2 CH2
• El efecto Bohr y BPG modulan
C CH C la actividad de la hemoglobina
in vivo.
CH3 C C C C CH3

C Nϩ N C

CH Fe CH

C N ϩN C

CH C C C C CH3

CH2 C CH C

CH3 CH
CH2

5-1. Mioglobina y hemoglobina: proteínas de unión a oxígeno | 121

F (a) El grupo hemo, plano, está empacado de manera apretada en un bolsillo hidrófobo
H entre las hélices E y F de la mioglobina. Está orientado de modo que sus dos grupos
C vinilo (–CH CH2), no polares, quedan sepultados, y sus dos grupos propionato
E (–CH2–CH2COO–), polares, quedan expuestos al solvente. El átomo de hierro cen-
tral, con seis posibles enlaces de coordinación, tiene como ligandos cuatro átomos de
N del sistema porfirínico de anillos. Un quinto ligando es aportado por un residuo
His de la mioglobina conocido como His F8 (el octavo residuo de la hélice F). El
oxígeno (O2) molecular puede unirse de manera reversible para formar el sexto enlace
de coordinación. (Esto es lo que permite a determinadas proteínas que contienen
hemo, como mioglobina y hemoglobina, funcionar fisiológicamente como portado-
ras de oxígeno). El residuo His E7 (el séptimo residuo de la hélice E) forma un enlace
de hidrógeno con la molécula de O2 (figura 5-2). Por sí solo, el hemo no es un porta-
dor eficaz de oxígeno porque el átomo de Fe(II) (Fe2+) central se oxida con facilidad
al estado férrico Fe(III) (Fe3+), que no puede unirse a O2. La oxidación no ocurre con
facilidad cuando el hemo es parte de una proteína como mioglobina o hemoglobina.

D La unión del oxígeno a mioglobina depende de la
B concentración de oxígeno

G Los músculos de los mamíferos marinos son en especial ricos en mioglobina. Alguna
vez se pensó que ésta era una proteína de almacenamiento de oxígeno, lo que sería
A ventajoso durante inmersiones prolongadas, pero es más probable que sólo facilite la
difusión del oxígeno por las células musculares o se una a otras moléculas pequeñas
(b) como las del óxido nítrico (NO).

Figura 5-1. Modelos de la estructura Es posible cuantificar el comportamiento de unión a O2 de la mioglobina. Para
de la mioglobina. a) Modelo de empezar, la unión reversible de O2 a la mioglobina (Mb) se describe mediante un
espacio lleno. Se muestran todos los equilibrio simple:
átomos (excepto H). C gris, O rojo,
N azul. El grupo hem, al que se une el Mb ϩ O2 zy MbO2
oxígeno, es púrpura. b) Diagrama de
listón con las ocho hélices α indicadas con constante de disociación K:
mediante las letras A a H. (Estructura de la
K ϭ [Mb ] [O2 ]
mioglobina (pdb 1MBO) determinada por S.E.V. [MbO2 ]
Phillips).
donde los corchetes indican concentraciones molares. (Nótese que los bioquímicos
tienden a describir los fenómenos de unión en términos de constantes de disocia-
ción, a veces dadas como Kd, que son el recíproco de las constantes de asociación Ka,
usadas por los químicos). La proporción de las moléculas de mioglobina totales que
se han unido a O2 es la fracción de saturación y se abrevia Y:

Y ϭ [MbO2 ]
[Mb ] ϩ [MbO2]

dado que [MbO2] es igual a [Mb][O2]/K (ecuación 5-1, reordenada),

Y ϭ K [O2 ]
ϩ [O2 ]

El O2 es un gas, por lo que su concentración se expresa como presión parcial de
oxígeno (pO2), con unidades torr (donde 760 torr = 1 atm). Así,

Figura 5-2. Unión de oxígeno al Y ϭ K p O2
ϩ pO2
grupo hem de la hemoglobina. El

átomo central de Fe(II) del grupo hem Se usa la ecuación 5-4 para calcular la saturación
fraccionaria a una pO2 dada cuando se conoce K.
(púrpura) está unido a cuatro átomos de

N porfirínicos y al N de His F8 abajo

del plano de la porfirina. El sOex2to(rosijtoio) se En otras palabras, la cantidad de O2 unido a mioglobina (Y) depende de la con-
une de manera reversible al centración de oxígeno (pO2) y de la afinidad de la hemoglobina por el O2 (K).

de coordinación, arriba del plano de la La gráfica de fracción de saturación (Y) contra pO2 es una hipérbola (figura 5-3).
A medida que la concentración de O2 aumenta, más moléculas de O2 se unen a los
porfirina. El residuo His E7 forma un

enlace de hidrógeno con O2.

122 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

1.0 Figura 5-3. Curva de unión a

0.8 oxígeno de la mioglobina. La relación
entre la fracción de saturación de la
0.6 mioglobina (Y) y la concentración de
Y oxígeno (pO2) es hiperbólica. Cuando
pO2 = K = 2.8 torr, la mitad de la
0.4 mioglobina está saturada (Y = 0.5).

0.2

5 10 15 20 25 30

p O2 (torr)

grupos hemo de las moléculas de mioglobina hasta que, a concentraciones muy altas
de O2, virtualmente todas las moléculas de mioglobina se han unido a O2. Entonces
se dice que la mioglobina está saturada de oxígeno. La concentración de oxígeno a
la cual la mitad de la mioglobina se ha saturado –esto es, la concentración de O2 a la
cual el valor de Y es la mitad del máximo– equivale a K. Por conveniencia, K suele
llamarse p50, la presión de oxígeno a una saturación de 50%. Para la mioglobina
humana, p50 es de 2.8 torr (véase ejemplo de cálculo 5-1).

EJEMPLO DE CÁLCULO 5-1

Calcular la fracción de saturación de la mioglobina cuando pO2 = 1 torr, 10 torr y PROBLEMA
100 torr. SOLUCIÓN

Se utiliza la ecuación 5-4 y se hace K = 2.8 torr.

Cuando pO2 ϭ 1 torr, Y ϭ 1 1 ϭ 0.26
2.8 ϩ

Cuando pO2 ϭ 10 torr, Y ϭ 10 10 ϭ 0.78
2.8 ϩ

Cuando pO2 ϭ 100 torr, Y ϭ 100 ϭ 0.97
2.8 ϩ 100

Mioglobina y hemoglobina están relacionadas por la
evolución

La hemoglobina es un heterotetrámero que contiene dos cadenas α y dos β. Cada una
de estas subunidades, llamadas globina, se parece mucho a la mioglobina. Ésta y las
cadenas α y β de la hemoglobina tienen estructuras terciarias notablemente pareci-
das (figura 5-4). Todas tienen un grupo hemo en un bolsillo hidrófobo, una His F8
que se une al ion Fe(II), y una His E7 que forma un enlace de hidrógeno con O2.

De manera sorprendente, las secuencias de aminoácidos de los tres polipéptidos
globina son sólo 18% idénticas. En la figura 5-5 se muestran las secuencias alineadas,
con los huecos necesarios (p. ej., la cadena α de la hemoglobina no tiene la hélice D).
La ausencia de semejanzas en las secuencias de estas proteínas pone de relieve un prin-
cipio importante de la estructura tridimensional de las proteínas: ciertas estructuras ter-
ciarias, por ejemplo el patrón de plegamiento del esqueleto de un polipéptido de la

Figura 5-4. Estructuras terciarias de la mioglobina y las cadenas α y β de la
hemoglobina humana. Los trazos de los esqueletos de α-globina (azul) y la
β- globina (rojo) se alinean con el de la mioglobina (verde) para mostrar su semejanza
esrtuctural. El grupo hemo de la mioglobina se muestra en gris. (Estructura de la

hemoglobina determinada G. Fermi y M.F. Perutz).

5-1. Mioglobina y hemoglobina: proteínas de unión a oxígeno | 123

Hélice A BC DE

Mb G-LSDGEWQLVLNVWGKVEADIPGHGQEVLIRLFKGHPETLEKFDKFKHLKSEDEMKASEDLKKHGATVLTALG

Hb ␣ V-LSPADKTNVKAAWGKVGAHAGEYGAEALERMFLSFPTTKTYFPHF-DLSH-----GSAQVKGHGKKVADALT

Hb ␤ VHLTPEEKSAVTALWGKV--NVDEVGGEALGRLLVVYPWTQRFFESFGDLSTPDAVMGNPKVKAHGKKVLGAFS

Figura 5-5. Secuencias de aminoácidos de la mioglobina y cadenas α y β de la hemoglobina. La secuencia de la
mioglobina (Mb) humana y hemoglobina (Hb) humana se escriben de modo que sus segmentos helicoidales (barras marcadas
con las letras A a H) queden alineados. Los residuos idénticos en las globinas α y β se sombrean en amarillo; en la mioglobina y
globinas α y β se sombrean en azul; y los que son invariantes en la mioglobina y cadenas de hemoglobina de todos los vertebrados
se sombrean en púrpura. Las abreviaturas de una letra para los aminoácidos se presentan en la figura 4-2. (Según Dickerson, R.E., and

Geis, I., Hemoglobin, pp. 68-69, Benjamin/Cummings (1983).

globina, pueden dar cabida a una variedad de secuencias de aminoácidos. De hecho,

muchas proteínas con secuencias ajenas entre sí adoptan estructuras similares.

Es claro que las globinas son proteínas homólogas que surgieron por evolución

a partir de un ancestro común por mutación genética (véase sección 3-3). Las cade-

nas α y β de la hemoglobina humana comparten varios residuos; algunos de éstos

también son idénticos en la mioglobina humana. Unos cuantos residuos se encuen-

tran en las cadenas de hemoglobina y globina de todos los vertebrados. Los residuos

invariantes, los que son idénticos en todas las globinas, son esenciales para la estruc-

tura o funcionamiento (o ambos) de las proteínas y no pueden sustituirse por otros

residuos. Algunas posiciones están bajo menor presión selectiva para mantener una

concordancia específica de aminoácido y pueden ser sustituidas de manera conser-

vativa por un aminoácido similar (p. ej., Leu por Ile o Thr por Ser). Otras posicio-

nes son variables, lo cual significa que pueden dar cabida a diversos residuos,

ninguno es crucial para la estructura o funcionamiento de la proteína. Observando

las semejanzas y diferencias entre proteínas relacionadas por la evolución como las

globinas, es posible deducir información considerable sobre elementos de la estructura

proteínica que son decisivos para el funcionamiento.

El análisis de secuencias también constituye una ventana para observar el trans-

curso de la evolución de las globinas, dado que el número de diferencias de secuencia

corresponde de manera aproximada al tiempo transcurrido desde que los genes di-

vergieron. Se estima que hace unos 1 100 millones de años, un gen individual de globina

se duplicó, posiblemente por recombinación genética aberrante, dejando dos genes de

globina que entonces pudieron evolucionar de manera independiente (figura 5-6).

Con el tiempo, las secuencias de los genes divergieron por mutación. Uno de los genes

se convirtió en el gen de la mioglobina. El otro codificaba una hemoglobina monomé-

rica, la cual aún se encuentra en algunos vertebrados primitivos como la lamprea (un

organismo que se originó hace unos 425 millones de años). La ulterior duplicación del

gen de la hemoglobina y cambios de secuencia adicionales originaron las globinas α y

β, que hicieron posible el surgimiento de una hemoglobina tetramérica (cuya estruc-

tura se abrevia α2β2). Duplicaciones y mutaciones génicas adicionales produjeron la
cadena ζ (a partir de la cade-

Mioglobina βδ ε γ ζ α na α), y las cadenas γ y ε (a
partir de la cadena β). En los

Figura 5-6. Evolución de las fetos de los mamíferos, la he-

globinas. La duplicación de un gen moglobina tiene la composi-
de globina primordial permitió la
evolución por separado de la mioglobina ción α2γ2, y los embriones
y una hemoglobina monomérica. humanos tempranos sinteti-
Duplicaciones adicionales entre los
genes de la hemoglobina dieron origen zan hemoglobina ζ2ε2. En los
a seis cadenas de globina distintas que primates, una duplicación re-
se combinan para formar variantes de
hemoglobina tetraméricas en diversas ciente del gen para la cadena
etapas del desarrollo.
β produjo la cadena δ. Una

hemoglobina α2δ2 se encuen-
tra como un componente me-

Globina primordial nor (alrededor de 2%) de la

124 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

Hélice F G H

Mb GILKKKGHHEAEIKPLAQSHATKHKIPVKYLEFISECIIQVLQSKHPGDFGADAQGAMNKALELFRKDMASNYKELGFQG

Hb ␣ NAVAHVDDMPNALSALSDLHAHKLRVDPVNFKLLSHCLLVTLAAHLPAEFTPAVHASLDKFLASVSTVLTSKYR

Hb ␤ DGLAHLDNLKGTFATLSELHCDKLHVDPENFRLLGNVLVCVLAHHFGKEFTPPVQAAYQKVVAGVANALAHKYH

hemoglobina del adulto. Parece ser que en la actualidad la cadena δ no tiene una fun-
ción biológica propia, pero es posible que la adquiera por evolución.

El oxígeno se une de manera cooperativa a la Véase figura animada. Curva de unión a
oxígeno de la hemoglobina.
hemoglobina
Figura 5-7. Unión de oxígeno
Un mililitro de sangre humana contiene unos 5 000 millones de eritrocitos, cada a la hemoglobina. La relación
uno de los cuales está empacado con unos 300 millones de moléculas de hemoglo- entre fracción de saturación (Y) y
bina. El consecuencia, la sangre puede transportar mucho más oxígeno que un volu- concentración de oxígeno (pO2) es
men comparable de agua pura. Al igual que la mioglobina, la hemoglobina se une al sigmoidea. La pO2 a la cual la mitad
O2 de manera reversible, pero no exhibe el comportamiento simple de la mioglo- de la hemoglobina está saturada (p50)
bina. Una gráfica de fracción de saturación (Y) contra la pO2 para la hemoglobina es es de 26 torr. La curva de unión a
sigmoidea (en forma de S) en lugar de hiperbólica (figura 5-7). Además, la afinidad O2 de la mioglobina se incluye (línea
global de la hemoglobina por el oxígeno es menor que la de mioglobina: la hemog- de trazo discontinuo) con fines de
lobina está semisaturada a una presión de oxígeno de 26 torr (p50 = 26 torr), mien- comparación. La diferencia de afinidad
tras que la mioglobina está semisaturada a 2.8 torr. por el oxígeno entre hemoglobina y
mioglobina asegura que el O2 unido
¿Por qué la curva de unión de la hemoglobina es sigmoidea? A bajas concentra- a hemoglobina en los pulmones
ciones de O2, al parecer la hemoglobina es renuente a unirse al primer O2, pero a se entregue a la mioglobina en los
medida que la pO2 aumenta, la unión a O2 se eleva de manera abrupta, hasta que la músculos. Este sistema de suministro
hemoglobina se satura casi por completo. Si se sigue la curva de unión en sentido de oxígeno es eficiente porque la pO2
inverso se observa que a altas concentraciones de O2, la hemoglobina oxigenada es tisular corresponde a la parte de la curva
renuente a ceder su primer O2, pero a medida que la pO2 disminuye, todas las mo- de unión a oxígeno de la hemoglobina
léculas de O2 se liberan con facilidad. Este comportamiento sugiere que la unión del en que la afinidad por O2 desciende de
primer O2 aumenta la afinidad de los sitios de unión de O2 restantes. Al parecer, los manera más pronunciada.
cuatro grupos hemo de la hemoglobina no son independientes, sino que se comuni-
can entre sí a fin de trabajar de manera unificada. Esto se conoce como comporta-
miento de unión cooperativo. De hecho, el cuarto O2 captado por hemoglobina se
une con afinidad unas 100 veces mayor que el primero.

La afinidad relativamente baja de la hemoglobina por el oxígeno y su comporta-
miento de unión cooperativo son las claves de su actividad fisiológica (figura 5-7).
En los pulmones, donde la pO2 es de alrededor de 100 torr, la hemoglobina tiene
saturación aproximada de 95% de O2. En los tejidos, donde la pO2 es de alrededor
de 20 a 40 torr, la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno desciende con rapidez

Tejidos Pulmones
1.0

0.8

0.6
Y

0.4

0.2

20 40 60 80 100
p O2 (torr)

5-1. Mioglobina y hemoglobina: proteínas de unión a oxígeno | 125

(tiene saturación de apenas 55% cuando la pO2 es de 30 torr). En estas condiciones,
el O2 liberado de la hemoglobina es captado con facilidad por la mioglobina en
las células musculares, dado que la afinidad de la mioglobina por el O2 es mu-
cho mayor, incluso a la menor presión parcial de oxígeno. Así, la mioglobina puede
llevar O2 de los eritrocitos en los capilares a las mitocondrias celulares, donde se
consume en las reacciones oxidativas que sostienen la actividad muscular.

Un cambio de conformación explica el

comportamiento cooperativo de la hemoglobina

Los cuatro grupos hemo de la hemoglobina deben ser capaces de detectar el estado de
unión a oxígeno de sus pares para que puedan captar o liberar O2 de manera concer-
tada. Pero los cuatro grupos hem están separados entre sí 25 a 37 Å, demasiado lejos
para que puedan comunicarse mediante una señal electrónica. Por tanto, la señal
debe ser mecánica. En un mecanismo desarrollado por Max Perutz, las cuatro subu-
nidades globina experimentan cambios conformacionales cuando se unen a O2.

En la desoxihemoglobina (hemoglobina sin O2 unido), el ion Fe del hemo tiene
cinco ligandos, de modo que el anillo porfirínico tiene forma de domo y el Fe se
encuentra unos 0.6 Å fuera del plano del anillo. Como resultado, el grupo hemo está
un tanto arqueado hacia His F8 (figura 5-8). Cuando se une O2 para producir oxi-
hemoglobina, el Fe –ahora con seis ligandos– se desplaza al centro del plano de la
porfirina. Este movimiento del ion Fe tira de His F8 más lejos hacia el grupo hemo,
y esto a su vez arrastra toda la hélice F, de modo que se mueve hasta en 1 Å. La héli-
ce F no puede moverse de esta manera a menos que toda la proteína altere su con-
formación, lo cual culmina en la rotación de una unidad αβ respecto de otra. En
consecuencia, la hemoglobina tiene dos estructuras cuaternarias, que correspon-
den a los estados oxi y desoxi.

Véase figura animada. Movimientos de αβ β
hemo y hélice F en la hemoglobina. βα α

α
β

Desoxi Oxi

Figura 5-8. Cambios El cambio de conformación entre los estados oxi y desoxi implica en mayor me-
dida rotación de una unidad αβ respecto a la otra. La unión a oxígeno reduce el ta-
conformacionales que ocurren en maño de la cavidad central entre las cuatro subunidades y modifica algunos de los
contactos entre subunidades. Los dos estados conformacionales de la hemoglobina
la hemoglobina al unirse a O2. En se conocen de manera formal como T (“tenso”) y R (“relajado”). El estado T corres-
la desoxihemoglobina (azul), el anillo ponde a la desoxihemoglobina, y el estado R a la oxihemoglobina.
porfirínico está ligeramente arqueado
hacia His F8 (que se muestra en forma La desoxihemoglobina es renuente a unirse a la primera molécula de O2 porque
de barras y esferas). El resto de la hélice la proteína está en la conformación desoxi (T), que es desfavorable para la unión a
F se representa mediante sus átomos O2 (el átomo de Fe está fuera del plano del hemo). Sin embargo, una vez que se ha
de carbono α. En la oxihemoglobina unido O2, probablemente a la cadena α de cada par αβ, todo el tetrámero cambia a
(púrpura), el grupo hemo se hace plano, la conformación oxi (R) conforme el átomo de Fe y la hélice F se mueven. No es
lo que tira de His F8 y su hélice F unida posible una conformación intermedia, porque los contactos entre las unidades αβ
hacia arriba. El O2 unido se muestra en no lo permiten (figura 5-9). Estudios de dinámica molecular sugieren que la hemo-
rojo. globina “no salta” de una conformación a la otra de manera instantánea, sino que
más bien experimenta fluctuaciones en su estructura terciaria que preceden al cam-
bio de estructura cuaternaria.

Las moléculas ulteriores de O2 se unen con mayor afinidad porque la proteína ya
está en la conformación oxi (R), que es favorable para la unión a O2. De modo simi-
lar, la oxihemoglobina tiende a retener sus moléculas de O2 unidas hasta que la
presión de oxígeno cae en grado significativo. Entonces se libera algo de O2, lo cual
induce el cambio a la conformación desoxi (T). Esto reduce la afinidad por las mo-
léculas de O2 restantes, haciendo más fácil para la hemoglobina descargar su oxígeno
unido. Dado que las mediciones de unión a O2 reflejan el comportamiento prome-

126 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

Thr

Thr Thr
His His

Pro Thr

Pro

(a) (b)

Figura 5-9. Algunas de las interacciones de subunidades en la hemoglobina. Las interacciones entre las unidades αβ de la
hemoglobina incluyen contactos entre cadenas laterales. Los residuos relevantes se muestran en modelos de espacio lleno.
a) En la desoxihemoglobina, un residuo His en la cadena β (azul, izquierda) ajusta entre un residuo Pro y uno Thr en la cadena α
(verde, derecha). b) Tras la oxigenación, el residuo His se mueve entre dos residuos Thr. Una conformación intermedia (entre las
conformaciones desoxi y oxi) es impedida en parte porque las cadenas laterales resaltadas experimentarían tensión. (Estructura de la

desoxihemoglobina humana (pdb 2HHB) determinada por G. Fermi y M.F. Perutz; estructura de la oxihemoglobina humana (pdb 1HHO) determinada por B.
Shaanan).

dio de muchas moléculas de hemoglobina individuales, el resultado es una curva
“suave” (figura 5-7).

La hemoglobina y muchas proteínas con múltiples sitios de unión se conocen
como proteínas alostéricas (del griego alos, “otro” y steros, “espacio”). En estas pro-
teínas, la unión de una molécula pequeña (ligando) a un sitio modifica la afinidad de
unión al ligando de los otros sitios. En principio, no es necesario que los ligandos sean
idénticos, su unión puede incrementar o reducir la actividad de unión de los otros
sitios. En la hemoglobina, los ligandos son todos moléculas de oxígeno, y la unión de
O2 a una parte de la proteína incrementa la afinidad por O2 del resto de la proteína.

Iones H+ y bisfosfoglicerato regulan la unión del
oxígeno a la hemoglobina in vivo

Decenios de estudio han revelado la química detallada que subyace a la actividad de
la hemoglobina (también han descubierto el modo en que algunos defectos molecu-
lares pueden causar enfermedad; recuadro 5-A). Los cambios conformacionales que
transforman la desoxihemoglobina en hemoglobina modifican los microambientes
de varios grupos ionizables en la proteína, incluidos los dos grupos amino terminales
de las subunidades α y los dos residuos His cerca del extremo C terminal de las
subunidades β. Como resultado, estos grupos se hacen más ácidos y liberan H+
cuando a la proteína se une O2:

Hb ؒ Hϩ ϩ O2 zy Hb ؒ O2 ϩ Hϩ

RECUADRO 5-A NOTAS CLÍNICAS

Mutaciones de la hemoglobina

Las mutaciones en la secuencia de DNA para los genes que capacidad de la hemoglobina mutante de suministrar oxígeno a las
codifican las cadenas α y β de la hemoglobina producen proteínas células se ve afectada. Las hemoglobinas mutantes con frecuencia
con cambios en las secuencias de aminoácidos. En algunos casos, la son inestables, lo que dar por resultado la destrucción del eritrocito
mutación es benigna y las moléculas de hemoglobina funcionan de (anemia). Se conocen cientos de variantes de hemoglobina, y
manera más o menos normal. Pero en otros casos, la mutación alrededor de 5% de la población mundial porta un trastorno
causa graves complicaciones físicas para el individuo, ya que la hereditario de la hemoglobina. Una de las variantes de hemoglobina

5-1. Mioglobina y hemoglobina: proteínas de unión a oxígeno | 127

NOTAS CLÍNICAS Continúa

mejor conocidas es la hemoglobina drepanocítica o falciforme Esas fibras distorsionan físicamente el eritrocito, induciendo la
(Hb S). Los individuos con dos copias del gen defectuoso desarro- conocida forma drepanocítica o falciforme (del latín falx, “hoz”).
llan anemia drepanocítica (o de células falciformes), una enferme- Dado que la agregación de la hemoglobina S ocurre sólo entre
dad debilitante con predominio en poblaciones de origen africano. moléculas de hemoglobina desoxi, la distorsión falciforme tiende a
ocurrir cuando los eritrocitos pasan por capilares deficientes en
El descubrimiento del defecto molecular que causa la anemia oxígeno. Las células deformadas (drepanocitos) pueden obstruir el
drepanocítica fue todo un acontecimiento en bioquímica. La flujo sanguíneo y romperse, lo que causa dolor intenso, daño de
enfermedad fue descrita por primera vez en 1910, pero por muchos órganos y pérdida de eritrocitos que caracteriza a la enfermedad.
años no hubo evidencia directa de que la anemia drepanocítica –o
alguna enfermedad genética– fuera el resultado de un defecto en la
estructura molecular de una proteína. Fue en 1949 cuando Linus
Pauling (quien estaba por descubrir la hélice α) demostró que la
hemoglobina de pacientes con anemia drepanocítica difería en su
carga eléctrica respecto a la hemoglobina de individuos normales.
Ocho años después, en 1957, Vernon Ingram identificó una
diferencia de un solo aminoácido: Glu en la posición A3 de la
cadena β es sustituida por Val en la hemoglobina de células
falciformes. Ésta fue la primera evidencia de que una alteración en
un gen causaba un cambio en la secuencia de aminoácidos del
polipéptido correspondiente.

En la hemoglobina normal, el cambio de la conformación oxi a
desoxi expone un segmento hidrófobo de la superficie proteínica
entre las hélices E y F. Los residuos Val –hidrófobos– en la
hemoglobina S tienen la posición óptima para unirse a ese
segmento. La asociación intermolecular conduce a la rápida
agregación de las moléculas de hemoglobina S para formar fibras
rígidas largas.

Eritrocitos normales (arriba) y falciformes (abajo). [De Andrew
Skred/Science Photo Library/Photo Researchers and Jacki Lewin, Royal Free
Hospital/Science Photo Library/Photo Researchers.]

En este modelo de moléculas de hemoglobina S polimerizadas, La alta frecuencia del gen para la anemia drepanocítica (esto es,
los grupos hem se muestran en rojo y los residuos Val mutantes el gen de la globina β mutante) causó desconcierto en un principio:
en azul. [Reproducido con autorización de W. Royer and D. Harrington, J. los genes que causan enfermedades discapacitantes suelen ser raros
Mol. Biol. 272, 398-407 (1997).] porque los individuos con dos copias del gen por lo regular mueren
antes de poder transmitir el gen a su descendencia. Sin embargo, los
128 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas portadores de la variante drepanocítica parecían tener una ventaja
selectiva. En efecto, están protegidos contra el paludismo, una
enfermedad parasitaria que afecta a 300 millones de personas y
causa la muerte de unos 3 millones cada año, en su mayoría niños.
La variante de hemoglobina drepanocítica es común en regiones del
mundo en que el paludismo es endémico. En heterocigotos
(individuos con un gen de la globina β normal y uno defectuoso),
sólo alrededor de 2% de los eritrocitos experimenta la deformación
falciforme. Sin embargo, ésta tiene un efecto antipalúdico significa-
tivo, dado que los eritrocitos que albergan Plasmodium falciparum,
el protozoario causante del paludismo, son especialmente propensas

NOTAS CLÍNICAS Continuación

Cadena Posición Aminoácido Función Implicaciones
␣ 44 Pro Participa en la formación de la interfaz α1β2 en la forma Estabiliza la forma
␣ desoxi pero no en la oxi. desoxi.
141 Arg
␤ (extremo C terminal) Su COO– crea un par iónico con Lys 127, y su cadena Estabiliza la forma
lateral genera un par iónico con Asp 126 desoxi.
82 Lys en la forma desoxi.
Estabiliza la forma
Establece un par iónico con BPG en la cavidad central. desoxi.

␤ 146 His El anillo imidazol de la cadena lateral crea un par iónico Estabiliza la forma
con Asp 94. También forma un par iónico con BPG desoxi.
en la cavidad central.

a dicha deformación. El bazo elimina de la circulación los drepano- Hb S
citos, por lo que también destruye el parásito.
Ϫϩ
Las talasemias resultan de defectos genéticos que reducen la
tasa de síntesis de las cadenas de globina α o β. Estos trastornos Hb A
tienen mayor prevalencia en la región del Mediterráneo (del griego
thalasa, “mar”) y en el sur de Asia. Dependiendo de la naturaleza 3. La Hb Milledgeville (α44Pro Leu) es una hemoglobina mu-
de la mutación, los individuos con talasemia pueden experimentar tante con alteración en la afinidad por oxígeno. Explique cómo
anemia leve a grave y sus eritrocitos pueden ser menores de lo resulta alterada esta afinidad.
normal. Pero como los heterocigotos para la hemoglobina S, los
individuos con talasemia son con claridad más resistentes al 4. La Hb Providence (β44Lys Asn) resulta de una sola muta-
paludismo. ción puntual del DNA.
a. ¿Cuál es el cambio en el DNA que ocurrió para generar la
El cuadro adjunto presenta algunos aminoácidos presentes en hemoglobina mutante?
la hemoglobina que son cruciales para el funcionamiento normal; b. Compare las afinidades por oxígeno de la Hb Providence y la
su mutación causa síntomas clínicos. La información del cuadro Hb A.
ayudará a responder las preguntas que siguen. Nótese que las c. Hay dos formas de Hb Providence en los individuos afecta-
hemoglobinas defectuosas suelen nombrarse según el lugar en que dos. La Hb providence en la cual β44Lys se ha sustituido por
se descubrieron o caracterizaron por primera vez. Asn se conoce como Hb Providence Asn. Esta hemoglobina
mutante puede experimentar desamidación para producir
PREGUNTAS Hb Providence Asp. Escriba la reacción que convierte Hb
Providence Asn en Hb Providence Asp.
1. En la hemoglobina mutante Hb Ohio (β142Ala Asp), la sus- d. Trace un diagrama que muestre los resultados de la electrofo-
titución de Ala por Asp da por resultado el desplazamiento de resis en acetato de celulosa para Hb A, Hb Providence Asn y
la hélice G respecto a la hélice H en la cadena β. Esto reduce la Hb Providence Asp.
estabilidad del par iónico β146His–β94Asp. Trace una curva de e. Compare las afinidades por oxígeno de Hb Providence Asp y
unión a oxígeno en la que compare los valores relativos de p50 de Hb Providence Asn.
la hemoglobina normal (Hb A) y la Hb Ohio. ¿Cuál es el efecto
de la menor estabilidad del par iónico His-Asp en la Hb Ohio? 5. La Hb Syracuse (β146His Pro) es una hemoglobina mutante
con alteración en la afinidad por oxígeno.
2. Los investigadores de las hemoglobinas humanas mutantes a a. Trace un diagrama que muestre los resultados de la electrofo-
menudo someten las proteínas a electroforesis en acetato de resis en acetato de celulosa para Hb Syracuse y Hb A.
celulosa a pH 8.5, un pH al que la mayoría de las hemoglobi- b. Evalúe la capacidad de la Hb Syracuse de reaccionar a efec-
nas tienen carga negativa. Las proteínas se aplican en el polo tores alostéricos normales de la hemoglobina. ¿Cómo se ve
negativo y migran hacia el polo positivo cuando se hace pasar afectada en consecuencia la afinidad por oxígeno?
corriente. A mayor carga negativa de la hemoglobina, más rápi-
do migra hacia el polo positivo. Se muestran los resultados para
Hb A y de células falciformes (Hb S). Trace un diagrama que
muestre los resultados de la electroforesis de Hb A y Hb Ohio
(β142Ala Asp).

5-1. Mioglobina y hemoglobina: proteínas de unión a oxígeno | 129

Figura 5-10. Transporte de oxígeno PULMONES SANGRE TEJIDOS

y efecto Bohr. La hemoglobina capta O2 Hb O2 Hb O2 O2
O2 en los pulmones. En los tejidos, H+ Hb Hb
derivado de la producción metabólica Hb Hϩ Hb Hϩ
de CO2 reduce la afinidad de la Hϩ Hϩ
hemoglobina por O2, lo que promueve CO2 CO2
la liberación de O2 hacia los tejidos. De
regreso en los pulmones, la hemoglobina
se une a más O2, liberando los protones,
que se recombinan con bicarbonato
para regenerar CO2.

HCO3Ϫ HCO3Ϫ

Véase figura animada. Efecto Bohr. Así, incrementar el pH de una solución de hemoglobina (reducir [H+]) favorece
la unión de O2 al “empujar” la reacción a la derecha, como se describió antes. Redu-
cir el pH (aumentar [H+]) favorece la disociación de O2 al “empujar” la reacción a la
izquierda. La reducción de la afinidad de unión de la hemoglobina a oxígeno cuando
el pH disminuye se conoce como Efecto Bohr.

El efecto Bohr juega un papel importante en el transporte de O2 in vivo. Los te-
jidos liberan CO2 conforme consumen O2 en la respiración. El CO2 disuelto ingre-
sa en los eritrocitos, donde se convierte con rapidez en bicarbonato (HCO3–) por la
acción de la enzima anhidrasa carbónica (véase recuadro 2-D):

Véase figura animada. Efecto de BPG y el CO2 ϩ H2O zy HCOϪ3 ϩ Hϩ
CO2 en la hemoglobina
El H+ liberado en esta reacción induce a la hemoglobina a descargar su O2 (figura
5-10). En los pulmones, la alta concentración de oxígeno promueve la unión de O2
a hemoglobina. Esto hace que se liberen protones, los cuales pueden entonces com-
binarse con bicarbonato para volver a formar CO2, el cual se exhala.

Los eritrocitos utilizan un mecanismo adicional para afinar la actividad de la he-
moglobina. Dichas células contienen un compuesto de tres carbonos, el 2,3-bisfos-
foglicerato (BPG):

1.0 ϪO O
C
Sin
0.8 BPG H C OPO23Ϫ
H C OPO23Ϫ

H

2,3-Bisfosfoglicerato (BPG)

0.6 Con BPG El BPG se une a la cavidad central de la hemoglobina, pero sólo en el estado T
Y (desoxi). Las cinco cargas negativas del BPG interactúan con grupos con carga posi-
tiva en la desoxihemoglobina; en la oxihemoglobina, estos grupos catiónicos se han
0.4 alejado y la cavidad central es demasiado estrecha para dar cabida al BPG. Así, el
BPG estabiliza la conformación desoxi de la hemoglobina. Sin BPG, la hemog-
0.2 lobina se uniría al O2 con demasiada fuerza para liberarlo en las células. De hecho,
la hemoglobina despojada de su BPG in vitro exhibe afinidad muy alta por el O2,
20 40 60 incluso a baja pO2 (figura 5-11).
pO2 (torr)
El feto aprovecha esta propiedad química para obtener O2 de la hemoglobina de
Figura 5-11. Efecto del BPG en su madre. La hemoglobina fetal tiene la composición subunitaria α2γ2. En las cade-
nas γ, la posición H21 no está ocupada por His (como en la cadena β materna), sino
la hemoglobina. El BPG se une a Ser. La His H21 porta una de las cargas positivas importantes para la unión a BPG
la desoxihemoglobina, pero no a la en la hemoglobina adulta. La ausencia de esta interacción en la hemoglobina fetal
oxihemoglobina. De este modo reduce reduce la unión a BPG. Por tanto, la hemoglobina de los eritrocitos fetales tiene
la afinidad de la hemoglobina por O2 al mayor afinidad por el O2 que la hemoglobina del adulto, lo cual ayuda a trans-
estabilizar la conformación desoxi. ferir O2 de la circulación materna al feto.

130 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Por qué la mioglobina requiere de un grupo prostético?
• ¿Cuál es la relación entre saturación de la mioglobina y la concentración de oxígeno?
• ¿De qué manera las secuencias de proteínas homólogas aportan información sobre

residuos que son esenciales o no para la actividad de una proteína?
• ¿Cuál es la relación de las diferentes afinidades de mioglobina y hemoglobina por

O2 y sus funciones fisiológicas?
• Explique la base estructural del comportamiento cooperativo de unión a O2 de la

hemoglobina.
• ¿De qué manera el efecto de Bohr y BPG regulan el transporte de O2 in vivo?

5-2. Proteínas estructurales

Una célula eucariótica típica contiene tres tipos de proteínas citoesqueléticas que CONCEPTOS CLAVE
forman fibras las cuales se extienden por toda la célula (figura 5-12). Éstas son mi- • Las subunidades actina, globulares,
crofilamentos (con diámetro aproximado de 70 Å), filamentos intermedios (con
diámetro de alrededor de 100 Å), y microtúbulos (con diámetro de más o menos se asocian en una doble cadena
240 Å). En organismos multicelulares grandes, las fibras de la proteína colágeno dan para formar un microfilamento.
soporte estructural extracelular. Las células bacterianas también contienen proteínas • El crecimiento y regresión de
que forman estructuras similares a microfilamentos y microtúbulos. En el siguiente microfilamentos pueden cambiar la
párrafo obsérvese el modo en que la estructura de cada proteína influye en la estruc- forma de una célula.
tura y flexibilidad globales de la fibra y en la capacidad de la fibra de desensamblarse • Los microtúbulos son tubos huecos
y reensamblarse. que se forman a partir de dímeros
de tubulina.
Los microfilamentos están hechos de actina • Los filamentos intermedios
son proteínas fibrosas de larga
Una porción importante del cistoesqueleto de los eucariotes consta de microfila- duración que constan de hélices α
mentos, o polímeros de actina. En muchas células, una red de microfilamentos so- enrrolladas.
porta la membrana plasmática y por tanto determina la forma de la célula (véase • Tres polipéptidos helicoidales
figuras 2-7 y 5-12). Determinadas proteínas forman enlaces cruzados con polímeros izquierdos ricos en Gly forman la
de actina individuales a fin de ayudar a formar haces de microfilamentos, lo que triple hélice de colágeno.
incrementa su resistencia.

Microfilamentos Filamentos intermedios Microtúbulos

Figura 5-12. Distribución de fibras citoesqueléticas en una misma célula. Para tomar estas
micrografías, cada tipo de fibra se marcó con una sonda fluorescente que se une de manera
específica a un tipo de proteína citoesquelética. Nótese que las distribuciones de
microfilamentos, filamentos intermedios y microtúbulos difieren un tanto entre sí. (Cortesía de

John Victor Small, Austrian Academy of Sciences, Salzburg http://cellix.imba.oeaw.ac.at/cyfoskeleton/).

5-2. Proteínas estructurales | 131

Figura 5-13. Monómero de actina. La actina monomérica es una proteína globular con alrededor de 375 aminoácidos
Esta proteína asume una forma globular (figura 5-13). En su superficie hay una hendidura a la cual se une trifosfato de adeno-
con una hendidura en el sitio en que se sina (ATP). El grupo adenosina se desliza dentro de un bolsillo de la proteína, y los
une el ATP (verde). (Estructura de la actina grupos hidroxilo de la ribosa y fosfato forman enlaces de hidrógeno con la proteína.

de conejo (pdb 1J6Z) determinada por L.R. La actina polimerizada algunas veces se conoce como actina F (o actina filamen-
tosa, para distinguirla de la actina G, la forma monomérica globular). El polímero
Otterbein, P. Graceffa, and R. Dominguez). de actina es en realidad una doble cadena de subunidades en la cual cada subunidad
hace contacto con cuatro subunidades vecinas (figura 5-14). Cada subunidad actina
tiene la misma orientación (p. ej., todos los sitios de unión a nucleótido apuntan
hacia arriba en la figura 5-14), de modo que la fibra ensamblada tiene polaridad bien
definida. El extremo con el sitio para ATP se conoce como extremo (–), y el extremo
opuesto es el extremo (+).

Inicialmente, la polimerización de monómeros de actina es lenta, porque los dí-
meros y trímeros de actina son inestables. Pero una vez que se forma un polímero
más largo, las subunidades se agregan a ambos extremos. La adición suele ser mucho
más rápida al extremo (+) (de aquí su nombre) que en el (–) (figura 5-15).

La polimerización de la actina es impulsada por la hidrólisis de ATP (ruptura de
ATP por la adición de agua) para producir ADP + fosfato inorgánico (Pi):

NH2

NN

OOO NN

ϪO P O P O P O CH2 O ϩ H2O

OϪ OϪ OϪ HH

HH

OH OH

Trifosfato de adenosina (ATP)

NH2
NN

OO NN O
ϪO P OH
HO P O P O CH2 O ϩ
OϪ
OϪ OϪ HH

HH

OH OH

Difosfato de adenosina (ADP) Fosfato inorgánico (Pi)

Figura 5-14. Modelo de un filamento Esta reacción es catalizada por actina F pero no por actina G. En consecuencia, la
mayoría de las subunidades actina en un microfilamento contienen ADP unido.
de actina. La estructura de la actina F Sólo las subunidades agregadas más recientes contienen ATP. Dado que ATP-actina
se determinó a partir de datos de difracción y ADP-actina asumen conformaciones un tanto distintas, las proteínas que interac-
de rayos X y construcción de modelos túan con microfilamentos pueden ser capaces de distinguir microfilamentos que se
por computadora. Se muestran 14 polimerizan con rapidez (ricos en ATP) de los microfilamentos establecidos hace
subunidades de actina (todas en distintos más tiempo (ricos en ADP).
colores excepto la subunidad central, cuyas
dos mitades se muestran en azul y gris). Los microfilamentos se extienden y retraen de manera
continua
(Cortesía de Ken Holmes, Max Planck Institute for
Los microfilamentos son estructuras dinámicas. La polimerización de los monómeros
Medical Research). de actina es un proceso reversible, de modo que el polímero experimenta reducción

132 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

(−) (+) Figura 5-15. Ensamblaje de

Hendidura de unión microfilamentos. Un microfilamento
del ATP crece conforme se agregan subunidades
a sus extremos. Las subunidades
suelen agregarse con mayor rapidez al
extremo (+), que crece más rápido que
el extremo (–). Los microfilamentos
reales son mucho más largos de lo que
se muestra aquí.

y crecimiento constantes a medida que se agregan subunidades y otras se disocian en

uno o ambos extremos de los microfilamentos (figura 5-15). Cuando la velocidad

neta de adición de subunidades a un extremo de un microfilamento es igual a la

velocidad neta de eliminación de subunidades en el otro extremo, se dice que el

polímero se encuentra en recambio estable (figura 5-16).
Los cálculos sugieren que en condiciones celulares, el equilibrio entre actina mo-

nomérica y polimérica favorece al polímero. Sin embargo, el crecimiento de micro-
filamentos in vivo es limitado por proteínas tapadera que se unen a los extremos (+)
o (–) y bloquean la ulterior polimerización en ellos. Un proceso que retire una pro-
teína tapadera de un microfilamento inducirá el crecimiento del extremo descubier-
to. También puede ocurrir ulterior crecimiento del microfilamento por la formación
de ramas en microfilamentos ya existentes.

Un suministro de monómeros de actina para el crecimiento de microfilamentos en
una zona debe ocurrir a expensas del desensamblaje de microfilamentos en otra zona.
En una célula, determinadas proteínas cortan microfilamentos uniéndose a una subu-
nidad actina polimerizada e induciendo un ligero cambio estructural que debilita las
interacciones actina-actina y de este modo incrementa la probabilidad de que el mi-
crofilamento se rompa en ese punto. Las subunidades actina pueden disociarse enton-
ces de los extremos recién expuestos, a menos que se fije una proteína tapadera.

Las proteínas tapadera, ramificantes y cortadoras junto con otras proteínas cuya
actividad es sensible a señales extracelulares regulan el ensamblaje y desensamblaje
de microfilamentos. De este modo, una célula que contiene una red de microfila-
mentos puede cambiar de forma a medida que éstos se alargan en una zona y se
acortan en otra. Algunas células utilizan este sistema para desplazarse. Cuando una
célula se desliza por una superficie, la polimerización de actina extiende su borde
“delantero” al tiempo que la despolimerización ayuda a retraer el borde “trasero”
(figura 5-17a). La alta densidad de extremos de microfilamentos en crecimiento en
el borde anterior de la célula (figura 5-17a) ilustra el modo en que la rápida forma-
ción y extensión hacia fuera de microfilamentos puede modular la forma de la célu-
la e impulsar su locomoción. Los microfilamentos no sólo dan soporte estructural y
producen movimientos celulares al ensamblarse y desensamblarse, sino que además
participan en la generación de fuerzas de tensión. Este sistema está bien desarrollado

en las células musculares, donde los filamentos de actina son una parte esencial del

aparato contráctil (sección 5-3).

Figura 5-16. Recambio estable de

microfilamentos. El ensamblaje neto
en un extremo es igual a la disociación
neta en el otro extremo.

5-2. Proteínas estructurales | 133

Figura 5-17. Dinámica de los microfilamentos en el deslizamiento de una célula.
a) Micrografía electrónica de barrido de una célula que se desliza sobre una superficie.
El extremo delantero de la célula está ondulado donde se ha desprendido de la superficie
y se encuentra en proceso de extenderse. El extremo trasero o “cola” de la célula, aún fijo a
la superficie, es atraído de manera gradual hacia el extremo delantero. La rapidez de
polimerización de actina es máxima en el extremo delantero. (Cortesía de Guenter Albrecht-
Buehler.] b) Organización de los filamentos de actina en una célula epitelial de pez. En
el extremo delantero de la célula (arriba), los microfilamentos forman una red densa y
muy ramificada. Más adentro en la célula (abajo), los microfilamentos son más ralos.

(Cortesía de Tatyana Svitkina, Northwastern University Medical School @YEAR Rockefeller University

Press. Originally published in J. Cell Biol. Vol-pp.).

(a) La tubulina forma microtúbulos huecos

Como los microfilamentos, los microtúbulos son fibras citoesqueléticas construidas
a partir de pequeñas subunidades proteínicas globulares. Comparten con los micro-
filamentos la capacidad de ensamblarse y desensamblarse en una escala temporal que
permite a la célula cambiar de forma con rapidez en respuesta a estímulos externos o
internos. Sin embargo, comparado con un microtúbulo, un microfilamento es una
barra delgada y flexible. Un microtúbulo es tres veces más grueso y mucho más
rígido porque tiene la forma de un tubo (es hueco). Considérese la siguiente
analogía: una barra de metal con las dimensiones de un lápiz es fácil de doblar. La
misma cantidad de metal, a la que se da la forma de un tubo con mayor diámetro
pero la misma longitud, es mucho más resistente a la flexión.

(b) Cuadros de bicicleta, tallos de plantas y huesos están construidos con base en este
mismo principio. Las células utilizan microtúbulos (huecos) para reforzar otros ele-
Figura 5-18. Estructura de la mentos del citoesqueleto (figura 5-12), para construir cilios y flagelos, y para alinear
β-tubulina. Las cadenas de las dos y separar pares de cromosomas durante la mitosis.
láminas β se muestran en azul, y las 12
hélices α que las rodean se muestran La unidad estructural básica de un microtúbulo es la proteína tubulina. Dos monó-
en verde. (Estructura de la tubulina de cerdo meros, conocidos como α-tubulina y β-tubulina, forman un dímero, y un microtúbu-
lo crece por la adición de dímeros de tubulina. Cada monómero contiene cerca de 450
(pdb 1TUB) determinada por E. Nogales y K.H. aminoácidos, 40% idénticos en la α-tubulina y β-tubulina. El centro de la tubulina
Downing.] consiste en una lámina β de 4 y 6 cadenas rodeada por 12 hélices α (figura 5-18).

Cada subunidad de tubulina incluye un sitio de unión a nucleótido. A diferencia
de la actina, la tubulina se une a un nucleótido de guanina, ya sea trifosfato de gua-
nosina (GTP) o su producto de hidrólisis, difosfato de guanosina (GDP). Cuando se
forma el dímero, el sitio de unión a GTP de la α-tubulina queda sepultado en la in-
terfaz entre los monómeros. El sitio de unión a nucleótido en la β-tubulina permanece
expuesto al solvente (figura 5-19). Después de que el dímero de tubulina se incorpo-
ra en un microtúbulo y otro dímero se une en la punta, el sitio de unión a nucleótido
de la β-tubulina también es secuestrado del solvente. Entonces se hidroliza el GTP,
pero el GDP resultante sigue unida a la β-tubulina porque no puede difundirse (el
GTP de la subunidad α-tubulina permanece donde está y no se hidroliza).

El ensamblaje de un microtúbulo comienza con la asociación extremo a extremo
de dímeros de tubulina para formar un protofilamento lineal corto. Los protofila-
mentos se alinean entonces lado a lado en una lámina curva, que se pliega sobre sí
misma para formar un tubo de 13 protofilamentos. El microtúbulo se extiende
conforme se agregan dímeros de tubulina a ambos extremos. Al igual que un mi-
crofilamento, el microtúbulo es polar y un extremo crece con mayor rapidez. El
extremo (+), que termina en β-tubulina, crece unas dos veces más rápido que
el extremo (–) o extremo de α-tubulina, porque los dímeros se unen de manera preferen-
te al extremo (+).

134 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

El desensamblaje de un microtúbulo también ocurre en ambos extremos, pero es
más rápido en el extremo (+). En condiciones que favorecen la despolimerización,
los extremos del microtúbulo parecen “deshilacharse”. Esto sugiere que los dímeros de
tubulina no simplemente se disocian de manera individual de los extremos del mi-
crotúbulo, sino que las interacciones entre protofilamentos se debilitan antes de que
los dímeros de tubulina puedan separarse.

En determinadas condiciones, puede ocurrir recambio estable de microtúbulos,
cuando se agregan subunidades de tubulina al extremo (+) tan rápido como se des-
prenden del extremo (–). In vivo, los extremos (–) a menudo se fijan a alguna especie
de centro organizador en la célula. Esto significa que la mayor parte del crecimiento
y la regresión de microtúbulos ocurre en el extremo (+). La dinámica microtubular
también es regulada por proteínas que forman enlaces cruzados con los microtúbu-
los y promueven o previenen la despolimerización.

Algunos fármacos afectan los microtúbulos Figura 5-19. Dímero de tubulina.

Los compuestos que interfieren en la dinámica de los microtúbulos pueden tener El nucleótido de guanina (dorado) en
efectos fisiológicos drásticos. Una razón es que, durante la mitosis, los cromosomas se la subunidad α-tubulina (abajo) es
separan a lo largo de un huso formado por microtúbulos. El fármaco colchicina, un inaccesible en el dímero, mientras que el
producto del cólquico o azafrán silvestre (Colchicum autumnale), hace que los micro- nucleótido en la subunidad β-tubulina
túbulos se despolimericen, con lo cual se bloquea la división celular. (arriba) está más expuesto al solvente.

OCH3

H3CO

H3CO

H3CO NH O
CH3
O

Colchicina

La colchicina se une a la interfaz entre la α-tubulina y β-tubulina en un dímero,
orientado hacia el interior del cilindro de microtúbulos. El fármaco unido puede
inducir un ligero cambio conformacional que debilita los contactos laterales entre
protofilamentos. Si hay suficiente colchicina, los microtúbulos se acortan y al final
desaparecen. Ese fármaco se usó por primera vez hace más de 2 000 años para tratar
la gota (inflamación causada por la precipitación de ácido úrico en las articulacio-
nes) porque inhibe la acción de los leucocitos que median la inflamación.

β-tubulina Extremo (+) Figura 5-20. Ensamblaje de un
α-tubulina Extremo (–) microtúbulo. Los dímeros αβ
Microtúbulo de tubulina forman inicialmente
Protofilamento un protofilamento lineal. Los
protofilamentos se asocian lado a lado,
hasta formar un tubo. Pueden agregarse
dímeros de tubulina a cualquier extremo
del microtúbulo, pero el crecimiento
es unas dos veces más rápido en el
extremo (+) que en (–). (Determinada por

Kenneth Downing, Lawrence Berkeley National

Laboratory.)

5-2. Proteínas estructurales | 135

El taxol se une a las subunidades β-tubulina de un microtúbulo, pero no a la tubu-
lina libre, de modo que estabiliza el microtúbulo, impidiendo su despolarimerización.

O

H3C C O O OH
CH3
O
C NH H3C CH3
O
CH3
O OH O O
OH O C CH3

O
C

O

Taxol

Parece ser que la interacción taxol-tubulina incluye contactos estrechos entre los
grupos fenilo del taxol y residuos hidrófobos como Phe, Val y Leu. El taxol se extrajo
originalmente del tejo del Pacífico (Taxus brevifolia), un árbol de crecimiento lento
y en peligro de extinción, pero también puede purificarse a partir de fuentes más
renovables o sintetizarse en el laboratorio. El taxol se emplea como anticanceroso
porque bloquea la división celular, y por tanto es tóxico para las células en rápida
división celular, como las células tumorales.

La queratina es un filamento intermedio

Además de microfilamentos y microtúbulos, las células eucarióticas –en particular
las de organismos multicelulares– contienen filamentos intermedios. Con diámetro
aproximado de 100 Å, estas fibras son intermedias en grosor entre los microfilamen-
tos y microtúbulos. Los filamentos intermedios son proteínas exclusivamente
estructurales. No participan en la motilidad celular y, a diferencia de microfilamen-
tos y microtúbulos, no tienen proteínas motoras asociadas. Sin embargo, sí interac-
túan con estos dos a través de proteínas formadoras de enlaces cruzados.

Las proteínas de los filamentos intermedios son un grupo mucho más heterogé-
neo que las altamente conservadas actina y tubulina. Por ejemplo, el humano con-
tiene cerca de 65 genes para filamentos intermedios. Las laminas son los filamentos
intermedios que en las células animales ayudan a formar la lamina nuclear, una red
de 30 a 100 Å de espesor dentro de la membrana nuclear que contribuye a definir la
forma nuclear y podría participar en la duplicación y transcripción del DNA. En
muchas células, los filamentos intermedios son mucho más abundantes que los mi-
crofilamentos y microtúbulos, y son más prominentes en los restos de células epidér-
micas –esto es, las capas duras más externas de la piel–, donde pueden constituir 85%
de la proteína total (figura 5-21). Las proteínas de filamentos intermedios mejor
conocidas son las queratinas, un grupo grande de proteínas que incluye las querati-
nas “blandas”, que ayudan a definir estructuras corporales internas, y las queratinas
“duras” de piel, pelo y uñas.

La unidad estructural básica de un fila-
mento intermedio es un dímero de héli-
ces α que se enrrollan una alrededor de la
otra; esto es, forman una espiral enrro-

Figura 5-21. Micrografía electrónica de
barrido de piel humana seccionada. Las
capas de células epidérmicas muertas en la
parte superior constan en mayor medida
de queratina. (Science Photo Library/Photo

Researchers).

136 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

7 5 Figura 5-22. Disposición de los
3 residuos en una hélice enrrollada.
La vista a lo largo del eje de dos hélices
2 α de siete residuos muestra que los
aminoácidos en las posiciones 1 y 4 se
41 alinean lado a lado en cada hélice. Los
residuos no polares que ocupan estas
6 posiciones forman una tira hidrófoba a
6 lo largo de los lados de las hélices.

14 (b) (c)

2 73 Figura 5-23. Tres vistas de una
5 espiral enrrollada. Estos modelos
muestran un segmento de la espiral
llada. La secuencia de aminoácidos en tal estructura consta de unidades re- enrrollada tomado de la proteína
petitivas de siete residuos en las cuales el primero y cuarto residuos son de (a) tropomiosina. a) Modelo del esqueleto.
manera predominante no polares. En una hélice α, esos residuos no polares b) Modelo de barras. c) Modelo de
se alinean en un costado (figura 5-22). Dado que en promedio aparece un espacio lleno. Cada cadena helicoidal
grupo polar cada 3.5 residuos pero hay 3.6 residuos por vuelta de la hélice α, α contiene 100 residuos. Las tiras no
la tira de residuos no polares en realidad gira un poco alrededor de la super- polares a lo largo de cada hélice hacen
ficie de la hélice. Por tanto, dos hélices cuyas tiras no polares hacen contacto contacto entre sí, de modo que las dos
entre sí adoptan una estructura enrrollada con giro a la izquierda (figura 5-23). hélices se enrrollan una en la otra en
una suave espiral izquierda. (Estructura de
Cada subunidad de filamento intermedio contiene un tramo de hélice α
flanqueado por regiones no helicoidales en los extremos N y C. Dos de estos la tropomiosina (pdb 1C1G) determinada por
polipéptidos interactúan en registro (paralelos y con los extremos alineados) F.G. Whitby y G.N. Phillips, Jr).
para formar una espiral enrrollada. Los dímeros se asocian entonces en una
disposición escalonada para formar estructuras fibrosas de orden superior
(figura 5-24). El filamento intermedio completamente ensamblado puede
consistir en 16 a 32 polipéptidos en corte transversal. Obsérvese que no se
requieren nucleótidos para el ensamblaje del filamento intermedio. Los dominios N
y C terminales pueden ayudar a alinear subunidades durante la polimerización e
interactuar con proteínas que forman enlaces entre filamentos intermedios y otros
componentes celulares. Las fibras de queratina forman enlaces cruzados mediante
puentes disulfuro entre residuos Cys de cadenas adyacentes.

Un pelo de animal –por ejemplo la lana de una oveja o un cabello humano– cons-
ta casi por completo de filamentos de queratina (figura 5-25). El cabello es resisten-
te a la deformación, pero puede ser estirado. El esfuerzo tensil rompe los enlaces de
hidrógeno entre grupos carbonilo y amida situados a cuatro residuos de distancia en
la hélice α de la queratina. Entonces es posible tirar de las hélices hasta que los poli-
péptidos quedan extendidos por completo. Fuerzas adicionales hacen que la cadena poli-
peptídica se rompa. Si no se rompe, la proteína puede volver –al menos en parte– a
su conformación helicoidal α original cuando la fuerza cesa. Éste es el motivo por el
que un suéter de lana que se estira revierte de manera gradual a su estado anterior.

Monómero

Dímero Figura 5-24. Modelo de un
(espiral arrollada) filamento intermedio. Pares
de polipéptidos forman espirales
Tetrámero enrrolladas. Estos dímeros se
asocian para formar tetrámeros, y así
Octámero sucesivamente, hasta constituir al final
un filamento intermedio compuesto
Filamento por 16 a 32 polipéptidos en corte
intermedio transversal. Aunque se representan
como barras rectas, es probable que el
filamento intermedio y sus estructuras
constituyentes estén enrrollados unos
sobre otros de alguna manera, de modo
muy parecido a como lo están una
cuerda o un cable sintéticos.

5-2. Proteínas estructurales | 137

Figura 5-25. Micrografía electrónica Debido quizá a su
de barrido de un cabello humano. construcción parecida a la
de un cable, los filamentos
(Tony Brain/Science Photo Library/Photo intermedios experimentan
Researchers). menos remodelación que
las fibras celulares consti-
tuidas a partir de subuni-
dades globulares, como
actina y tubulina. Por
ejemplo, las laminas nu-
cleares se desensamblan y
reensamblan sólo una
vez durante el ciclo celu-
lar, cuando la célula se
divide. La queratina, como parte de células muertas, permanece intacta por años. En
las capas más internas de la piel de los animales, las células epidérmicas sintetizan
grandes cantidades de queratina. A medida que las capas de células se desplazan hacia
fuera y mueren, sus moléculas de queratina son empujadas hasta reunirse y formar
una fuerte capa impermeable. Dada la gran importancia de la queratina para la inte-
gridad de la epidermis, las mutaciones en los genes para la queratina se relacionan con
ciertas enfermedades de la piel. En trastornos como la epidermólisis ampollosa simple
(EAS), las células se rompen cuando son sometidas a esfuerzo mecánico normal. El
resultado es la separación de las capas epidérmicas, lo que produce ampollas. Los ca-
sos más graves de la enfermedad se deben a mutaciones en las regiones más conserva-
das de las moléculas de queratina, cerca de los extremos de las regiones de hélices α.

El colágeno es una triple hélice

Los organismos unicelulares pueden funcionar con sólo un citoesqueleto, pero los
animales multicelulares deben contar con un medio para mantener sus células juntas
conforme a algún plan corporal característico. Los animales grandes –en especial los
no acuáticos– también deben soportar el peso corporal. Este soporte es realizado por
colágeno, que es la proteína animal más abundante. Tiene un cometido estructural
de importancia en la matriz extracelular (el material que ayuda a mantener las células
juntas), en el tejido conectivo dentro de los órganos y entre ellos, y en el hueso. Su
nombre deriva de cola en el sentido de pegamento (en un tiempo en que el pega-
mento se obtenía de tejido conectivo de animales, en especial la cola).

Existen cuando menos 19 tipos distintos de colágeno con diferentes estructuras
tridimensionales y funciones fisiológicas. El más familiar es el colágeno de huesos y
tendones, que forman estructuras gruesas parecidas a cuerdas (figura 5-26). Este tipo
de colágeno es una estructura trimérica de unos 3 000 Å de longitud pero sólo 15 Å de
grosor. Como en todas las formas de colágeno, las cadenas polipeptídicas tienen una
composición y conformación inusual de aminoácidos. Excepto en las regiones de los
extremos N y C terminales de los polipéptidos (que se escinden una vez que la pro-
teína sale de la célula), cada tercer aminoácido es Gly, y alrededor de 30% de los
residuos restantes son prolina e hidroxiprolina (Hyp). Los residuos Hyp resultan de
la hidroxilación de residuos Pro después de que el polipéptido se ha sintetizado, en
una reacción que requiere de ascorbato (vitamina C).

OO

CC

Figura 5-26. Micrografía electrónica N CH N CH
de fibras de colágeno. Miles de
proteínas colágeno alineadas generan H2C CH2 H2C CH2
estructuras con diámetro de 500 a 2 C C
000 Å. (J. Gross/Science Photo Library/Photo H2
HO H
Researchers). Prolina
Hidroxiprolina (Hyp)

138 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

(a) (b) (c) (d)

Figura 5-27. Estructura del colágeno. a) Una secuencia de residuos Gly-Pro-Hyp
repetitivos adopta una estructura secundaria en la cual el polipéptido forma una
delgada hélice izquierda. Los residuos en este modelo de barras siguen el código de
color: Gly, gris; Pro, anaranjado; Hyp, rojo. No se muestran los átomos de H.
b) Modelo de espacio lleno de un polipéptido de colágeno individual. c) Modelo de
espacio lleno de la triple hélice. d) Trazo del esqueleto que muestra los tres polipéptidos
en diferentes tonos de gris. Cada polipéptido tiene un giro a la izquierda, pero la triple
hélice tiene un giro a la derecha. (Modelo del colágeno (pdb 2CLG) construido por J.M. Chen).

En un tramo de 1 000 residuos, cada cadena de colágeno consta de tripletes repe- G
titivos, el más común es Gly-Pro-Hyp. Los residuos Gly, que sólo tienen un átomo de H
como cadena lateral, normalmente pueden adoptar una amplia gama de estructuras GG G
secundarias. Sin embargo, los grupos imino de los residuos Pro e Hyp (esto es, sus G
cadenas laterales y grupos amino conectados) restringen la geometría del grupo pep-
tídico. La conformación más estable de una secuencia polipeptídica que contiene G
unidades repetitivas de Gly–Pro–Hyp es una hélice izquierda delgada (figura 5-27a).
G
En el colágeno, tres polipéptidos se enrrollan entre sí para formar una triple hé-
lice derecha (figura 5-27b a-d). Las cadenas son paralelas, pero desfasadas en un re- Figura 5-28. Corte transversal de
siduo, de modo que Gly aparece en todas las posiciones a lo largo del eje de la triple la triple hélice del colágeno. En esta
hélice. Los residuos Gly se localizan en el centro de la hélice, mientras que los demás vista, a lo largo del eje de la molécula
residuos están en la periferia. Un vistazo al eje de la triple hélice revela por qué Gly de tres cadenas, cada esfera representa
–y ningún otro residuo– se encuentra en el centro de la hélice (figura 5-28). La ca- un aminoácido, y las barras representan
dena lateral de cualquier otro residuo sería demasiado grande para caber. De hecho, enlaces peptídicos. Los residuos Gly
sustituir Gly por Ala, el siguiente aminoácido más pequeño, alteraría mucho la es- (que carecen de cadenas laterales y se
tructura de la triple hélice. indican con una letra “G”) se localizan
en el centro de la triple hélice, mientras
La triple hélice del colágeno es estabilizada por enlaces de hidrógeno. Una que las cadenas laterales de otros
serie de interacciones unen el grupo N–H del esqueleto aportado por cada residuo residuos apuntan hacia fuera la triple
Gly a un grupo C=O del esqueleto de cadena. La geometría de la triple hélice impi- hélice.
de que los otros grupos N–H y C=O del esqueleto formen enlaces de hidrógeno
entre sí, pero son capaces de interactuar con una red muy ordenada de moléculas de 5-2. Proteínas estructurales | 139
agua que rodean la triple hélice como una vaina.

Las moléculas de colágeno forman enlaces covalentes
cruzados

Las moléculas de colágeno triméricas se ensamblan en el retículo endoplásmico. Luego
de ser secretadas por la célula, son afinadas por proteasas y se alinean lado a lado y ex-
tremo con extremo para formar la enorme fibra visible por microscopia electrónica (fi-
gura 5-26). Las fibras son reforzadas por varios tipos de enlaces cruzados. Dado que los

polipéptidos de colágeno casi no contienen cisteína, las ligaduras no son enlaces disul-
furo. En cambio, los enlaces cruzados son uniones covalentes entre cadenas latera-
les que han sufrido modificación química después de la síntesis del polipéptido.
Por ejemplo, un tipo de enlace cruzado requiere la oxidación catalizada por enzima de
dos cadenas laterales de Lys, que entonces reaccionan para formar un enlace covalente.
El número de éstos y otros tipos de enlaces cruzados tiende a aumentar con la edad, lo
que explica por qué la carne de animales viejos es más dura que la de los más jóvenes.

CO ϩ ϩ CH2 (CH2)3 CO
CH
CH (CH2)3 CH2 NH3 H3N Lys NH

Lys

NH

CO O O CO
HC (CH2)3 CH
CH (CH2)3 CH
NH NH

CO CO

CH (CH2)2 C CH (CH2)3 CH

NH CH NH

O

Las fibras de colágeno tienen enorme resistencia a la tensión. Sobre una base peso
por peso, el colágeno es más fuerte que el acero. Sin embargo, no todos los tipos de
colágeno forman fibras lineales gruesas. Muchos colágenos no fibrilares forman redes
de fibras parecidas a láminas que soportan capas de células en los tejidos. A menudo,
varios tipos de colágeno se encuentran juntos. No sorprende que los defectos en el
colágeno afecten gran variedad de aparatos y sistemas (recuadro 5-B).

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Cuál es la base de la polaridad de los microfilamentos?
• ¿De qué manera el remodelamiento de los microfilamentos influye en la forma de

la célula?
• ¿En qué difiere estructuralmente un microtúbulo de un microfilamento?
• ¿Por qué el funcionamiento fisiológico normal requiere la regulación del

ensamblaje y desensamblaje de elementos citoesqueléticos?
• ¿En qué difieren las estructuras de filamentos intermedios como la queratina de

las estructuras de microfilamentos y microtúbulos?
• ¿Cómo forman una hélice enrollada dos hélices α?
• ¿En qué difiere la estructura del colágeno de la queratina o de las fibras con

subunidades globulares?
• ¿Cuál es la importancia estructural de los residuos Gly en el colágeno?
• ¿Cómo se estabilizan y forman enlaces cruzados las fibras de colágeno?

140 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

RECUADRO 5-B UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Enfermedades genéticas del colágeno

Se han identificado cientos de mutaciones en los genes del colágeno de aminoácidos, por ejemplo la sustitución de Gly por un residuo
o en los genes de las proteínas que procesan moléculas de colágeno. más voluminoso. Otros cambios de aminoácidos pueden hacer más
Dado que la mayoría de los tejidos contienen más de un tipo de lentos el procesamiento intracelular y la excreción de polipéptidos
colágeno, las manifestaciones fisiológicas de las mutaciones de colágeno, lo que afecta el ensamblaje de fibras de colágeno. La
del colágeno son muy variables. osteogénesis imperfecta afecta a una de cada 10 000 personas, y la
mayoría de los casos se originan de nuevas mutaciones. Dado que
Los defectos en el colágeno tipo I (la principal forma en huesos los individuos con enfermedad grave no sobreviven hasta la edad
y tendones) causan la enfermedad congénita osteogénesis reproductiva, su defecto genético específico rara vez se hereda.
imperfecta. Los principales signos de la enfermedad incluyen
fragilidad ósea que predispone a fracturas, deformación de huesos Las mutaciones en el colágeno tipo II, una forma presente en el
largos y defectos de piel y dientes. cartílago, causan artrosis. Esta enfermedad genética, que se
manifiesta en la niñez, difiere de la artrosis que puede presentarse
Radiografía de un niño con osteogénesis imperfecta moderada- en una etapa posterior de la vida, a menudo después de años de
mente grave. (ISM/Phototake). desgaste y desgarro de las articulaciones. Los defectos en las
proteínas que procesan colágeno extracelular y ayudan a ensamblar
El colágeno tipo I, una molécula trimérica, contiene dos tipos fibras de colágeno causan trastornos como dermatosparaxis, que se
distintos de cadenas polipeptídicas. Por tanto, la gravedad del caracteriza por fragilidad extrema de la piel.
trastorno depende en parte de si están afectadas una o dos cadenas
en una molécula de colágeno. Además, el sitio y la naturaleza de El síndrome de Ehlers-Danlos resulta de defectos en el
la mutación determinan si el colágeno anormal tiene algún colágeno tipo III, una molécula que abunda en la mayoría de los
funcionamiento normal. Por ejemplo, en una forma grave de tejidos, pero es escasa en piel y hueso. Los signos y síntomas de este
osteogénesis imperfecta, una deleción de 599 bases en un gen de trastorno variable en su fenotipo incluyen tendencia a las equimo-
colágeno causa la perdida de gran parte de la triple hélice. La sis, delgadez o elasticidad notables de la piel, e hiperextensibilidad
proteína resultante es inestable y se degrada dentro de la célula. articular. En una forma de la enfermedad, que se acompaña de alto
Casos más leves de osteogénesis imperfecta resultan de sustituciones riesgo de ruptura arterial, el defecto molecular es una mutación en
un gen del colágeno tipo III. En otra forma del trastorno, en la
cual los individuos a menudo sufren de escoliosis (curvatura
anormal de la columna vertebral), los genes del colágeno son
normales. En estos casos, la enfermedad resulta de una deficiencia
de lisina hidroxilasa, la enzima que modifica residuos Lys de modo
que puedan participar en enlaces cruzados del colágeno. El
síndrome de Ehlers-Danlos es más raro y menos grave que la
osteogénesis imperfecta, y muchos individuos afectados sobreviven
hasta la edad adulta. Alrededor de la mitad de las personas con el
síndrome tienen un progenitor con el mismo defecto; los otros
casos se deben a nuevas mutaciones. Algunas formas muy leves del
trastorno a menudo pasan inadvertidas.

5-3. Proteínas motoras

Una maquinaria molecular diversa actúa en proteínas estructurales –filamentos de CONCEPTOS CLAVE
actina y microtúbulos– para generar los movimientos que permiten a las células re- • La proteína motora miosina acopla
organizar su contenido, cambiar de forma, e incluso deslizarse o nadar. Por ejemplo,
la contracción muscular es realizada por la proteína motora miosina al tirar de fila- los pasos de la hidrólisis de ATP
mentos de actina. Las células que se desplazan gracias al movimiento ondulatorio de con cambios conformacionales,
cilios o flagelos dependen de la proteína motora dineína, que actúa flexionando un lo que resulta en la contracción
haz de microtúbulos. El transporte intracelular es realizado por proteínas motoras muscular.
que se mueven a lo largo de vías de microfilamentos y microtúbulos. En esta sección • La cinesina transporta cargas al
se estudian dos proteínas motoras bien caracterizadas, la miosina y cinesina. moverse de modo progresivo a lo
largo de una vía de microtúbulos.

5-3. Proteínas motoras | 141

La miosina tiene dos cabezas y una cola larga

Cabeza

Cola Existen al menos 15 tipos distintos de miosina, la cual está presente

Cuello casi en todas las células eucarióticas. La miosina trabaja con la actina
para producir movimiento a través de la transducción de energía quí-

mica (en forma de ATP)en energía mecánica. La miosina muscular,

con masa molecular total de unos 540 kD, consta en mayor medida

de dos polipéptidos grandes que forman dos cabezas globulares unidas

a una cola larga (figura 5-29). Cada cabeza incluye un sitio de unión

para actina y para un nucleótido de adenina. En la región de la cola,

los dos polipéptidos se enrrollan uno sobre otro para formar una sola

1600 Å 165 Å hélice enrrollada en forma de barra (el mismo motivo estructural que

Figura 5-29. Estructura de la se observa en los filamentos intermedios). El “cuello” que une cada

miosina muscular. Dibujo de una cabeza de miosina con la región de la cola consta de una hélice α de alrededor
molécula de miosina. Cabezas de dos
glóbulos se conectan a través del cuello de 100 Å de largo, en la cual se enrrollan dos polipéptidos pequeños (figura 5-30).
hacia la cola de la miosina donde las
cadenas de polipéptido forman una Estas son la llamadas cadenas ligeras ayudan a dar rigidez a la hélice del cuello a fin
hélice enrollada.
de que pueda actuar como palanca.

Cada cabeza de miosina puede interactuar de manera no covalente con una subu-

nidad de un filamento de actina, pero las dos cabezas actúan con independencia, y

sólo una cabeza se une al filamento de actina en un momento dado. En una serie de

pasos que incluye cambios conformacionales de la proteína e hidrólisis de ATP, la

cabeza de miosina libera su subunidad de actina y vuelve a unirse a otra subunidad

más cerca del extremo (+) del filamento de actina. La repetición de este ciclo de re-

acción permite que la miosina camine de manera progresiva a lo largo del filamento

Cuello de actina.

En una célula muscular, cientos de colas de miosina se asocian para formar un fi-

lamento grueso con los dominios de cabeza proyectados hacia fuera (figura 5-31).

Estas cabezas actúan como puentes cruzados para los filamentos delgados, cada uno

consta de un filamento de actina y proteínas de unión a actina que regulan la accesi-

bilidad de las subunidades de actina a las cabezas de miosina. Cuando un músculo se

Bolsillo de contrae, la multitud de cabezas de miosina de manera individual se unen a actina y la
unión a ATP
liberan, como remos que trabajan de manera asincrónica, lo cual hace que los filamen-

tos delgados y gruesos se deslicen uno sobre el otro (figura 5-32). Debido a la dispo-

sición de los filamentos en la célula muscular, la acción de miosina y actina da por

resultado un acortamiento global del músculo. Este fenómeno suele llamarse contrac-

ción, pero el músculo no se comprime y su volumen permanece constante; en reali-

Cabeza dad se engruesa hacia su parte media. Es típico un acortamiento del orden de 20% de

la longitud de un músculo; 40% es un caso extremo.

Sitio de La miosina actúa por un mecanismo de palanca
unión
a actina ¿Cómo actúa la miosina? La clave de su mecanismo es la hidrólisis del ATP que está
unido a la cabeza de miosina. Aunque el sitio de unión a ATP está a unos 35 Å del

Figura 5-30. Región de cabeza y Figura 5-31. Micrografía electrónica de un filamento grueso. Las cabezas de
muchas moléculas de miosina se proyectan lateralmente desde la barra gruesa formada
cuello de la miosina. El cuello forma por las colas de miosina alineadas. (De Trinick, J., y Elliott, A., J Mol Biol. 131, 15 (1979).
una palanca molecular entre el dominio
de cabeza y cola. Dos cadenas ligeras
(tonos más claros de púrpura) ayudan a
estabilizar el cuello helicoidal α. El sitio
de unión a actina está en el extremo
lejano de la cabeza de miosina. El ATP
se une a una hendidura cerca de la parte
media de la cabeza. Sólo los carbonos
α de las cadenas ligeras son visibles en
este modelo. (Estructura de la miosina de

pollo (pdb 2MYS) determinada por I. Rayment y

H.M. Holden).

142 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

Filamento grueso (miosina) Figura 5-32. Movimiento de
Filamento delgado (actina) filamentos gruesos y delgados
durante la contracción muscular.
Relajación

Contracción

sitio de unión a actina, la conversión de ATP en ADP + Pi induce cambios confor-
macionales en la cabeza de miosina que se comunican al sitio de unión a actina así
como a la palanca (la región del cuello). La reacción química de la hidrólisis de ATP
impulsa de este modo el movimiento físico de la miosina a lo largo de un filamento
de actina. En otras palabras, la energía libre liberada por la hidrólisis de ATP se
transforma en trabajo mecánico.

En la figura 5-33 se muestran los cuatro pasos de la secuencia de reacción entre
miosina y actina. Nótese que cada proceso en el sitio de unión a nucleótido se corre-
laciona con un cambio conformacional asociado de unión a actina o flexión de la
palanca. Una hélice α constituye una palanca ideal porque puede ser muy larga.
También es relativamente incompresible, así que puede tirar de la miosina en la es-
piral arrollada. En total, la palanca viaja cerca de 70° respecto a la cabeza de miosina.
El retorno de la palanca a su conformación original (paso 4 del ciclo de reacción) es
el paso generador de fuerza. Cuando se hacen ajustes para considerar la diferencia de
masa, el sistema de actina y miosina tiene una salida de potencia comparable con la
de un automóvil.

Cada ciclo de hidrólisis de ATP desplaza la cabeza de miosina en un estimado de
50 a 100Å. Dado que las subunidades de actina individuales están espaciadas unos
55Å a lo largo del filamento delgado, la cabeza de miosina avanza un mínimo de una
subunidad de actina por ciclo de reacción. Como el ciclo de reacción implica varios
pasos, algunos son en esencia irreversibles (como ATP ADP + Pi), el ciclo com-
pleto es unidireccional.

La miosina opera en muchas células, no sólo musculares. Por ejemplo, trabaja con
actina durante la citocinesis (la separación de la célula en dos mitades después de la
mitosis), y algunas formas de miosina utilizan su actividad motora para transportar
determinados componentes celulares a lo largo de vías de microfilamentos. Las mo-
léculas de miosina también pueden actuar como tirantes que forman enlaces cruza-
dos entre los microfilamentos del citoesqueleto. Éste es el motivo por el cual las
mutaciones en el gen para la miosina de las células sensitivas del oído causan sordera
y otros trastornos (recuadro 5-C).

La cinesina es una proteína motora asociada a
microtúbulos

Muchas células también contienen proteínas motoras, como la cinesina, que se des-
plazan a lo largo de vías de microtúbulos. Existen varios tipos diferentes de cinesinas;
aquí se describirá la prototípica, también conocida como cinesina ordinaria.

5-3. Proteínas motoras | 143

Figura 5-33. Ciclo de reacción de Miosina Cuello
actina-miosina. Para simplificar, sólo se
muestra una cabeza de miosina. Actina Cabeza
ATP
Véase figura animada. Mecanismo de 1. La secuencia de reacción inicia con una
generación de fuerza en el músculo. cabeza de miosina unida a una subunidad
de actina del filamento delgado. La unión de
ATP modifica la configuración de la cabeza
de miosina de modo que libera la actina.

ATP

2. La hidrólisis rápida de ATP a ADP + Pi induce
un cambio conformacional que hace girar la
palanca de miosina e incrementa la afinidad
de la miosina por la actina.

ADP Pi

3. La miosina se une a una subunidad de
actina más adelante en el filamento delgado.

Pi ADP Pi
ADP
4. La unión a actina hace que se libere Pi y
luego ADP. A medida que estos productos de
reacción salen, la palanca de miosina vuelve
a su posición original. Esto hace que
el filamento delgado se mueva respecto al
filamento grueso (el tiempo de potencia).

El ATP reemplaza al ADP perdido para
repetir el ciclo de reacción.

(a) Cola (b)
Cabezas
Cadenas
ligeras

Figura 5-34. Estructura de la cinesina. a) Diagrama de la molécula.
b) Modelo de la región de cabeza y cuello. Cada cabeza globular, que
contiene hélices α y láminas β, se conecta con una hélice α que se
enrrolla alrededor de su contraparte para formar una espiral enrrollada.
Dos cadenas ligeras en el extremo de la cola formada por la espiral
enrrollada pueden interactuar con una vesícula membranosa, la “carga”.

(Estructura de la cinesina de rata (pdb 3KIN) determinada por F. Kozielski, S. Sack,
A. Marx, M. Thormahlen, E. Schonbrunn, V. Biou, A. Thompson, E.-M. Mandelkow y
E. Mandelkow.)

144 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

RECUADRO 5-C UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Mutaciones de la miosina y sordera

Dentro del caracol, el órgano en forma espiral del oído medio, hay extrañan por el hecho de que las personas sordas tienden a casarse
miles de células ciliadas, cada una remata en un haz de cerdas que entre sí, de modo que su descendencia, que suele tener audición
se conocen como estereocilios. Cada estereocilio contiene varios normal, hereda no uno sino dos genes defectuosos distintos. Entre
cientos de filamentos de actina con enlaces cruzados y por tanto es las proteínas cuyos genes se han relacionado con sordera está la
en extremo rígido, excepto en su base, donde hay menos filamen- miosina tipo VIIa, que se considera una miosina (“no ordinaria”)
tos de actina. Las ondas de sonido desvían los estereocilios en su porque difiere un tanto de la miosina “ordinaria” del músculo
base, iniciando una señal eléctrica que se transmite al encéfalo. esquelético (también llamada miosina tipo II). Los estudios de
secuenciación de genes indican que la miosina VIIa tiene 2 215
Micrografía electrónica de estereocilios de una célula ciliada. residuos y forma un dímero con dos cabezas y una cola larga. Es
(P. Motta/Science Photo Library/Photo Researchers). probable que sus dominios de cabeza operen por el mismo
mecanismo que la miosina muscular, convirtiendo la energía
Es probable que moléculas de miosina ayuden a controlar la química del ATP en energía mecánica para el desplazamiento
tensión dentro de cada estereocilio, de modo que la actividad de respecto a un filamento de actina. Se han identificado varias
trinquete de los motores de miosina a lo largo de los filamentos de docenas de mutaciones en el gen de la miosina VIIa, incluidos
actina puede ajustar la sensibilidad de las células ciliadas a codones de detención prematura, sustituciones de aminoácidos, y
diferentes grados de estimulación. Otras moléculas de miosina deleciones, todo lo cual afecta la actividad de la proteína. Tales
cuyas colas se unen a determinados componentes celulares podrían mutaciones son responsables de muchos casos del síndrome de
usar su actividad motora para redistribuir las sustancias a lo largo Usher, la forma más común de sordera y ceguera combinadas en
de los filamentos de actina. Los defectos en cualquiera de estas EUA. El síndrome de Usher se caracteriza por sordera profunda,
proteínas podrían interferir en la audición normal. retinitis pigmentada (que causa ceguera) y a veces problemas
vestibulares (del equilibrio).
Alrededor de la mitad de todos los casos de sordera tienen una
base genética, y más de 100 genes distintos se han vinculado con La sordera congénita del síndrome de Usher resulta de la
sordera. Los genetistas que trabajan con estos genes a menudo se incapacidad de las células ciliadas del cóclea de desarrollarse de
manera correcta. Es probable que la falta de reactividad de los
estereocilios a las ondas sonoras también explique su incapacidad
de reaccionar de manera normal al movimiento de líquido en el
oído interno, lo que es necesario para mantener el equilibrio. La
miosina anormal también participa en la ceguera que a menudo se
desarrolla en individuos con síndrome de Usher, por lo común
hacia el segundo o tercer decenios de vida. La función de transpor-
te intracelular de la miosina VIIa es responsable de distribuir haces
de pigmento en la retina. En la retinitis pigmentada, las neuronas
retinianas pierden de manera gradual la capacidad de transmitir
señales en respuesta a la luz; en las etapas avanzadas de la enferme-
dad, el pigmento se acumula en al retina.

La cinesina, como la miosina, es una proteína relativamente grande (con masa
molecular de 380 kD) y tiene dos cabezas globulares grandes y un dominio de cola
en espiral enrrollada (figura 5-34). Cada cabeza, de 100 Å de largo, consta de una lámina
β de ocho cadenas flanqueada por tres hélices α a cada lado e incluye un sitio de
unión a tubulina y a nucleótido. Las cadenas ligeras, situadas en el extremo opuesto
de la proteína, se unen a proteínas en la cubierta membranosa de una vesícula. La
vesicula y su contenido se convierten en la carga de la cinesina. La cinesina lleva su
carga hacia el extremo (+) de un microtúbulo “caminando” por un solo protofila-
mento. Al parecer otras proteínas motoras asociadas a microtúbulos utilizan un me-
canismo similar, pero se desplazan hacia el extremo (–) del microtúbulo.

La actividad motora de la cinesina requiere la energía química de la hidrólisis de
ATP. Sin embargo, la cinesina no puede seguir el mecanismo de palanca de la mio-
sina porque sus dominios de cabeza no están fijos de manera rígida a sus regiones de
cuello. En la cinesina, un segmento polipeptídico relativamente flexible une cada

5-3. Proteínas motoras | 145

cabeza a una hélice α que termina formando parte de la cola espiral enrrollada (figu-
ra 5-34b). (Recuérdese que en la miosina la palanca es una hélice α larga que se ex-
tiende desde la cabeza hasta la región espiral enrrollada, y que le dan rigidez las dos
cadenas ligeras; figura 5-30). Con todo, la flexibilidad relativa del cuello de la cine-
sina es crucial para su funcionamiento.

Las dos cabezas de la cinesina no son independientes, sino que trabajan en coor-
dinación de modo que las dos se unan de manera alternada a subunidades β-tubuli-
na sucesivas a lo largo de un protofilamento, como si caminaran. Los cambios
conformacionales inducidos por la unión de ATP y la hidrólisis de éste se transmiten
a otras regiones de la molécula (figura 5-35). Esto transforma la energía libre del
ATP en el movimiento mecánico de la cinesina. Cada suceso de unión a ATP
impulsa hacia delante la cabeza posterior en unos 160 Å, de modo que el movimien-
to neto de la carga unida es de alrededor de 80 Å, o sea la longitud de un dímero de
tubulina.

Figura 5-35. Ciclo de reacción Carga

de la cinesina. El ciclo comienza ADP
con una cabeza de cinesina unida a
una subunidad de tubulina en un Protofilamento (+)
protofilamento de un microtúbulo.
La cabeza trasera tiene ADP en su sitio ATP 1. La unión de ATP a la cabeza delantera
de unión a nucleótido. Con fines de (anaranjada) induce un cambio conformacional
claridad, se exagera el tamaño relativo en el que el cuello se apoya contra la cabeza.
de la región del cuello. Este movimiento hace que la cabeza trasera
(amarillo) oscile 180° hacia delante hacia el
extremo (+) del microtúbulo. Éste es el paso
generador de fuerza.

ADP
ATP

ADP 2. La nueva cabeza delantera (amarillo) se une
con rapidez a una subunidad de tubulina y
libera su ADP. Este paso desplaza la carga de
cinesina hacia delante a lo largo del
protofilamento.

ATP 3. En la cabeza trasera (anaranjado), el ATP se
Pi hidroliza a ADP + Pi. El Pi se difunde, y la
cabeza trasera comienza a desprenderse
del microtúbulo.

ADP Se une ATP a la cabeza delantera para
repetir el ciclo de reacción.
146 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

La cinesina es un motor procesivo Figura 5-36. Micrografía

Como el sistema miosina-actina (figura 5-33), el ciclo de reacción cinesina-tubulina electrónica de neuronas. Proteínas
procede en un solo sentido. Aunque la mayor parte del movimiento molecular se motoras asociadas a microtúbulos
asocia con la unión a ATP, la hidrólisis de ATP es parte necesaria del ciclo de reac- desplazan carga entre el cuerpo
ción. El paso más lento del ciclo de reacción mostrado en la figura 5-35 es la diso- celular, los extremos del axón y otras
ciación de la cabeza trasera de cinesina del microtúbulo. La unión de ATP a la cabeza prolongaciones celulares. (CNRI/Science
delantera puede ayudar a promover la liberación de ésta como parte del paso de os-
cilación hacia delante. Dado que la cabeza libre vuelve a unirse a la tubulina con Photo Library/Photo Researchers).
rapidez, las cabezas de cinesina pasan gran parte del tiempo unidas a la vía del
microtúbulo.

Una consecuencia de la fijación casi constante de la cinesina a un microtúbulo es
que pueden ocurrir muchos ciclos –quizá 100 o más– de hidrólisis de ATP y avance
de la cinesina antes de que el motor se disocie de su vía de microtúbulo. Por tanto,
se dice que la cinesina tiene procesividad. Una proteína motora como la miosina,
que se disocia de un filamento de actina después de una sola acción, no es procesiva.

En una célula muscular, la baja procesividad está permitida porque las muchas
interacciones miosina-actina ocurren de manera más o menos simultánea para hacer
que el filamento delgado y grueso se deslicen uno sobre el otro (figura 5-32). La alta
procesividad es ventajosa para un motor de transporte como la cinesina, porque su
carga (que es relativamente grande y voluminosa) puede llevarse a grandes distancias
sin perderse. Considérese la necesidad de un transporte eficiente en una neurona.
Neurotransmisores y componentes de membrana se sintetizan en el cuerpo celular,
donde se localizan los ribosomas, pero deben ser llevados al extremo del axón, que
puede medir varios metros de largo en algunos casos (figura 5-36).

REPASO DE CONCEPTOS
• Describa los pasos del ciclo de reacción de miosina-actina.
• ¿Cuáles procesos que ocurren en el sitio de unión a nucleótido se correlacionan

con cambios conformacionales en la proteína?
• Compare y contraste los ciclos de reacción de miosina-actina y cinesina-tubulina.
• ¿Por qué la cinesina es un motor procesivo?

RESUMEN rimentan crecimiento y regresión. Su dinámica puede ser mo-
dificada por proteínas que median la cobertura de los extremos
5-1. Mioglobina y hemoglobina: proteínas que (tapaderas), la ramificación y el corte de los microfilamentos.
fijan oxígeno • Los dímeros de tubulina se unen a GTP y se polimerizan para
formar un microtúbulo (hueco). La polimerización es más rá-
• La mioglobina contiene un grupo prostético hemo que se pida en un extremo, y el microtúbulo puede desensamblarse
une a oxígeno de manera reversible. La cantidad de O2 unida con rapidez por “deshilachamiento”. Los fármacos que afectan
depende de la concentración de O2 y de la afinidad de la la dinámica microtubular interfieren en la división celular.
mioglobina por el oxígeno. • El filamento intermedio queratina contiene dos cadenas
largas helicoidales α que se enrrollan una alrededor de la
• Las cadenas α y β de la hemoglobina son homólogas de la otra de modo que sus residuos hidrófobos están en con-
mioglobina, lo cual indica un origen evolutivo común. tacto. Los filamentos de queratina se asocian y forman en-
laces cruzados para crear estructuras semipermanentes.
• El O2 se une de manera cooperativa a la hemoglobina con • Los polipéptidos del colágeno contienen gran cantidad de pro-
baja afinidad, por lo que la hemoglobina puede unirse de lina e hidroxiprolina e incluyen un residuo Gly en cada tercera
modo eficiente al O2 en los pulmones y entregarlo a la mio- posición. Cada cadena forma una hélice izquierda delgada, y
globina en los tejidos. tres cadenas se enrrollan entre sí para formar una triple hélice
derecha con residuos Gly en el centro. La formación de enlaces
• La hemoglobina es una proteína alostérica cuyas cuatro cruzados covalentes refuerza las fibras de colágeno.
subunidades alternan entre las conformaciones T (desoxi) y
R (oxi) en respuesta a la unión de O2 a los grupos hemo. La 5-3. Proteínas motoras
conformación desoxi es favorecida por un pH bajo (efecto
Bohr) y por la presencia de BPG. • La miosina, una proteína con una cola espiral enrrollada y
dos cabezas globulares, interactúa con filamentos de actina
5-2. Proteínas estructurales
5-3. Proteínas motoras | 147
• Los elementos del citoesqueleto celular llamados microfilamen-
tos se forman a partir de subunidades actina globular que se
unen a ATP y se polimerizan en una doble cadena. La polime-
rización es reversible, de modo que los microfilamentos expe-

para realizar trabajo mecánico. Cambios conformacionales • La proteína motora cinesina tiene dos cabezas globulares
impulsados por ATP permiten a la cabeza de miosina unirse conectadas por cuellos flexibles a una cola espiral enrrollada.
a la actina, liberarla y volver a unirse. Este mecanismo, en La cinesina transporta su carga vesicular a lo largo de un
el cual la miosina actúa como palanca, es la base de la con- microtúbulo mediante un mecanismo procesivo similar a
tracción muscular. una caminata que es impulsado por cambios conformacio-
nales inducidos por unión de ATP e hidrólisis de éste.

TÉRMINOS DEL GLOSARIO globina recambio estable
gota residuo invariante
actina F grupo prostético residuo variable
actina G hemo saturación
anemia ligando síndrome de Ehlers-Danlos
citocinesis microfilamento síndrome de Usher
citoesqueleto microtúbulo sustitución conservativa
desoxihemoglobina osteogénesis imperfecta talasemia
efecto Bohr oxihemoglobina triple hélice
espiral enrrollada p50 unión cooperativa
estado R pO2 vesícula
estado T procesividad Y
estereocilios proteína alostérica
extremo (–) proteína motora
extremo (+) proteínas homólogas
filamento delgado protofilamento
filamento grueso
filamento intermedio

PROBLEMAS

5-1. Mioglobina y hemoglobina: proteínas que parcial de CO2 de 5 torr, el valor de p50 para la hemoglobina es de
fijan oxígeno 15 torr. ¿Cuál es la fracción de saturación cuando pO2 = 25 torr, una
presión parcial de oxígeno venoso típica? ¿Cuál es la fracción de sa-
1. La hemoglobina está 50% saturada de oxígeno cuando pO2 = turación cuando pO2 = 120 torr, una presión parcial de oxígeno tí-
26 torr. Si la hemoglobina exhibiera unión hiperbólica (como hace pica en los pulmones?
la mioglobina), con 50% de saturación a 26 torr, ¿cuál sería la satu-
ración fraccionaria cuando pO2 = 30 y 100 torr? ¿Qué indica esto 3. Calcule la fracción de saturación de oxígeno que se une a he-
acerca de la importancia fisiológica de la curva de unión a oxígeno moglobina medida por Bohr et al. para pO2 = 25 y 120 torr (proble-
sigmoidea de la hemoglobina? ma 2) cuando la presión parcial de CO2 es de 80 torr. En estas con-
diciones, el valor de p50 para la hemoglobina es de 40 torr.
2. Sin embargo, la hemoglobina no exhibe la unión hiperbó-
lica que se supuso en el problema 1; su curva de unión a oxígeno 4. Compare sus respuestas a los problemas 2 y 3. ¿Cuánto oxígeno
tiene forma sigmoidea. La ecuación para la curva de disociación se suministra a los tejidos cuando pCO2 es de 5 torr? ¿Cómo se com-
de oxígeno sigmoidea de la hemoglobina se modifica a partir de para esto con la cantidad de oxígeno suministrada a los tejidos cuan-
la ecuación 5-4: do pCO2 = 40 torr? ¿De qué manera el CO2 ayuda al suministro de
oxígeno a los tejidos?
Y ϭ ( p O2)n
( p 50)n ϩ ( p O2)n 5. El Fe (II) hexacoordinado del hemo es rojo brillante. El Fe (II)
pentacoordinado es azul. Explique el modo en que estos cambios
La cantidad n se conoce como coeficiente de Hill, y su valor aumen- electrónicos explican los distintos colores de la sangre arterial (escar-
ta con el grado de cooperación de la unión del ligando (en este caso lata) y venosa (púrpura).
oxígeno). Para la hemoglobina, el valor de n es de alrededor de 3. Es
posible usar la ecuación anterior para calcular la fracción de satura- 6. Explique por qué la globina sola o el hemo solo no son eficaces
ción de la hemoglobina. (Que fue medida por primera vez en 1904 como transportadores de oxígeno.
por Christian Bohr et al.; ellos midieron la unión de oxígeno en
sangre de perro como una función de la presión parcial de oxígeno a 7. Enseguida se presenta una lista de los 10 primeros residuos de
diferentes concentraciones de dióxido de carbono). A una presión la hélice B de la mioglobina de distintos organismos. Con base en
esta información, diga cuáles posiciones a) no toleran la sustitución,
b) toleran la sustitución conservativa y c) son altamente variables.

148 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

Posición Humano Pollo Caimán Tortuga Atún Carpa humana, la forma desoxigenada es favorecida cuando el pH dismi-
nuye. Los residuos glutamato en la superficie de los monómeros tie-
1D D K DD D nen un cometido importante. ¿Cómo podrían los residuos glutama-
2I I L LY F to influir en el equilibrio entre las formas monómero y tetrámero
3P A P ST E con los cambios de pH?
4G G E AT G
5H H H HM T 16. Mientras que la mayoría de los humanos son capaces de rete-
6G G G GG G ner el aliento por sólo 1 o 2 minutos, los cocodrilos pueden perma-
7Q H H QG G necer sumergidos bajo el agua durante una hora o más. Esta adapta-
8E E E EL E ción permite a los cocodrilos matar a sus presas por ahogamiento. En
9V V V VV V 1995, Nagai et al. sugirieron que el bicarbonato (HCO3–) se une a la
10 L L I IL L hemoglobina del cocodrilo para promover la disociación del oxígeno
de una manera similar a como lo hace el BPG en el humano y, al
8. Los residuos invariantes son aquéllos que resultan esenciales hacerlo, promover el suministro a los tejidos de una gran fracción del
para la estructura o la actividad (o ambas) de la proteína y no pueden oxígeno unido. La información obtenida en estos experimentos po-
ser sustituidos por otros residuos. ¿Cuál residuo en la cadena de la dría permitir a los científicos diseñar sustitutos eficaces de la sangre.
globina es más probable que sea invariante? Explique.
a) Considere la hipótesis de que el bicarbonato sirve como un
9. El ganso común (Anser anser) vive todo el año en las planicies modulador alostérico de la unión del oxígeno a la hemoglobina
de la India, mientras que su pariente cercano, el ganso indio (Anser en los cocodrilos. ¿Cuál es la fuente de HCO3– en los tejidos del
indicus), pasa los meses de verano en la región de los lagos tibetanos. cocodrilo?
El valor p50 de la hemoglobina del ánsar indio es menor que el del b) Trace curvas de unión a oxígeno para la hemoglobina del
ánsar común. ¿Cuáles son las implicaciones de esta adaptación? cocodrilo en presencia y ausencia de bicarbonato. ¿Cuáles condi-
ciones incrementan el valor de p50 para esta hemoglobina? ¿Qué
10. Se afirma que beber unas gotas de la llamada “vitamina O”, le dice esto acerca de la afinidad por oxígeno de la hemoglobina
que consta de oxígeno y cloruro de sodio disueltos en agua, eleva la en tales condiciones?
concentración de oxígeno en el organismo. c) Los investigadores observaron que el sitio de unión a bicar-
bonato en la hemoglobina del cocodrilo se localiza en la interfaz
a) Utilice su conocimiento del transporte de oxígeno para eva- subunitaria α1β2, donde las dos subunidades se deslizan una
luar esta afirmación. sobre la otra durante la transición oxi desoxi. Con base en
b) ¿Sería más o menos eficaz la vitamina O si se infundiera de sus resultados, los investigadores modelaron un sitio de unión
manera directa en el torrente sanguíneo? plausible desde el punto de vista de la estereoquímica que incluía
los aniones fenolato de Tyr 41β, Tyr 42α y el grupo ε-amino de
11. El músculo muy activo genera ácido láctico por respirar tan Lys 38β. ¿Qué interacciones podrían ocurrir entre estas cadenas
rápido que la sangre que pasa por el músculo en realidad experimen- laterales y bicarbonato?
ta una caída del pH de alrededor de 7.4 a 7.2. En estas condiciones, d) Los peces utilizan ATP o GTP como efectores alostéricos
la hemoglobina libera 10% más de O2 del que liberaría a pH 7.4. para inducir a la hemoglobina a liberar su oxígeno unido. ¿Qué
Explique. características estructurales tienen en común estos diferentes
efectores alostéricos y cómo podrían las moléculas unirse a la
12. Plasmodium falciparum, el protozoario que causa el paludis- hemoglobina?
mo, reduce ligeramente el pH de los eritrocitos que infecta. Recurra 17. En el feto en desarrollo, la hemoglobina fetal (Hb F) se sinteti-
al efecto Bohr para explicar por qué es más probable que las células za a partir del tercer mes de gestación y continúa produciéndose hasta
infectadas por Plasmodium se tornen drepanocíticas en individuos el nacimiento. Una vez que éste ocurre, la concentración de Hb F
con la variante Hb S. declina y es sustituida por hemoglobina del adulto (Hb A) conforme
la síntesis de la cadena γ decrece y aumenta la síntesis de la cadena β.
13. Alrededor de dos docenas de residuos histidina de la hemog- Hacia el sexto mes de edad, 98% de la hemoglobina es Hb A.
lobina participan en la captación de los protones producidos por el a) En la gráfica que sigue, ¿cuál curva representa la hemoglobina
metabolismo celular. De este modo, la hemoglobina contribuye a fetal?
amortiguar la sangre, y los grupos imidazol capaces de unirse a pro-
tones y liberarlos contribuyen al efecto Bohr. Un contribuyente im- A
portante a este efecto es His 146 de la cadena β de la hemoglobina, YB
cuyas cadenas laterales están en estrecha proximidad con la cadena
lateral de Asp 94 en la forma desoxi de la hemoglobina pero no en la p O2
forma oxi.
Problemas | 149
a) ¿Qué tipo de interacción ocurre entre Asp 94 e His 146 en la
desoxihemoglobina?
b) La proximidad de Asp 94 modifica el valor de pK del anillo
imidazol de His. ¿De qué manera lo hace?

14. Vea los datos dados en los problemas 2 y 3. Compare los va-
lores de p50 de la hemoglobina cuando pCO2 es de 5 y 80 torr. ¿Cuál
es la importancia de los diferentes valores de p50?

15. Las lampreas se encuentran entre los vertebrados más primiti-
vos del mundo y por ello constituyen un tema de estudio interesan-
te. Se ha demostrado que la hemoglobina de la lamprea forma un
tetrámero cuando se desoxigena, pero cuando se oxigena los tetrá-
meros se disocian en monómeros. La unión de oxígeno a la hemog-
lobina de la lamprea es influida por el pH; como en la hemoglobina

b) ¿Por qué la Hb F tiene mayor afinidad por el oxígeno que la 24. A fin de obtener cristales apropiados para la cristalografía de
Hb A? ¿Por qué es esto ventajoso para el feto en desarrollo? rayos X, la actina G se mezcló primero con otra proteína.

18. El fármaco hidroxiurea puede usarse para tratar la anemia a) ¿Por qué fue necesario este paso?
drepanocítica, si bien no se emplea con frecuencia debido a sus efec- b) ¿Qué información adicional se requirió para dilucidar la
tos secundarios. Se piensa que la hidroxiurea actúa estimulando la estructura de la actina G?
síntesis de hemoglobina fetal en la persona afectada. En un estudio
clínico, los pacientes que recibieron hidroxiurea presentaron un de- 25. ¿Cómo podría una proteína de unión a microtúbulos distin-
cremento de 50% en la frecuencia de hospitalizaciones por dolor guir entre un microtúbulo en crecimiento rápido de otro que crece
grave, y también disminuyó la frecuencia de fiebre y datos anormales con más lentitud?
en la radiografía torácica. ¿Cuál podría ser la causa de que este fár-
maco alivie los síntomas de la anemia drepanocítica? 26. ¿Por qué el deshilachamiento sería un mecanismo más rápido
para el desensamblaje de microtúbulos que la disociación de díme-
19. En la figura se muestran las curvas de unión a oxígeno de la ros de tubulina?
hemoglobina normal (Hb A) y una hemoglobina mutante (Hb
Grandes Lagos). 27. Los extremos de microtúbulos con GTP unido tienden a ser
rectos, mientras que los extremos de microtúbulos con GDP unido
1.0 son curvos y tienden a deshilacharse. Se realizó un experimento en
Hb Grandes Lagos el cual se permitió que monómeros de β-tubulina se polimerizaran
en presencia de un análogo no hidrolizable de GTP llamado guani-
0.8 lil-(αβ)-metilendifosfonato (GMP · CPP). Compare la estabilidad
de este polímero con uno polimerizado en presencia de GTP.

O

Hb A N NH
0.6

Y O OO N N NH2
0.4
ϪO P CH2 P O P O H2C O
0.2
OϪ OϪ OϪ HH
HH
GMP . CPP

OH OH

0 10 20 30 40 50 60 28. Explique por qué la colchicina (que promueve la despolimeri-
p O2 (torr) zación de microtúbulos) y el taxol (que previene la despolimeriza-
ción) impiden ambos la división celular.
a) Compare las formas de las curvas de las dos hemoglobinas y
29. En una revisión reciente se enumeran literalmente docenas de
comente las implicaciones. compuestos que se investigan como posibles agentes terapéuticos
para tratar el cáncer. La tubulina fue el blanco de todos los compues-
b) ¿Cuál hemoglobina tiene mayor afinidad por oxígeno cuando tos. ¿Por qué es la tubulina un blanco para los anticancerosos?

pO2 = 20 torr? 30. En fecha reciente se dilucidó la estructura tridimensional del
c) ¿Cuál hemoglobina tiene mayor afinidad por oxígeno cuando taxol, unido al dímero de tubulina. El paclitaxel se une a un bolsillo
de la β-tubulina en la superficie interna del microtúbulo, e induce
pO2 = 75 torr? un cambio conformacional que contrarresta los efectos de la hidrólisis
d) ¿Cuál hemoglobina es más eficiente para suministrar oxígeno de GTP. ¿De qué manera la unión del paclitaxel afecta la estabilidad del
microtúbulo?
desde la sangre arterial (pO2 = 75 torr) hasta el músculo activo
(pO2 = 20 torr)? 31. La gota es una enfermedad caracterizada por el depósito de
cristales de urato de sodio en el líquido sinovial (articular). Los cris-
20. Disponga las siguientes hemoglobinas mutantes en orden de tales son ingeridos por leucocitos polimorfonucleares (PMN), los
cuales son leucocitos que circulan en el torrente sanguíneo antes de
estabilidad: infiltrarse en los tejidos para llegar a los sitios de lesión. Tras la inges-
tión de los cristales, una serie de reacciones bioquímicas causa la li-
Hb Hammersmith β42Phe Ser beración de mediadores desde los PMN, lo que ocasiona inflama-
ción y por tanto dolor en las articulaciones. La colchicina se usa para
Hb Bucarest β42Phe Leu tratar la gota porque tiene la capacidad de inhibir la movilidad de los
PMN. ¿Cómo lo hace?
Hb Sendagi β42Phe Val
32. Las estructuras microtubulares implicadas en la división celu-
Hb Bruselas β42Phe 0 (deleción de Phe) lar son menos estables que los microtúbulos presentes en las exten-
siones axónicas de las células nerviosas. ¿Por qué?
5-2. Proteínas estructurales
33. Suele haber residuos hidrófobos en la primera y cuarta posi-
21. Compare y contraste las proteínas globulares y fibrosas. ciones de las repeticiones de siete residuos de los polipéptidos que
forman las espirales enrrolladas.
22. De las diversas proteínas que se ponen de relieve en este capí-
tulo (actina, tubulina, queratina, colágeno, miosina y cinesina), diga a) ¿Por qué suele haber residuos polares o con carga en las cinco
cuál o cuales a) son exclusivamente estructurales (no participan en posiciones restantes?
los cambios de forma de la célula), b) se consideran proteínas moto-
ras, c) no son proteínas motoras, pero pueden experimentar cambios
estructurales, y d) contienen sitios de unión a nucleótido.

23. Explique por qué los microfilamentos y microtúbulos son po-
lares, mientras que los filamentos intermedios no lo son.

150 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

b) ¿Por qué es más probable encontrar la secuencia Ile–Gln– 41. Una serie de péptidos parecidos al colágeno, cada uno con 30
Glu–Val–Glu–Arg–Asp que la secuencia Trp–Gln–Glu–Tyr– residuos, se sintetizó a fin de estudiar las importantes interacciones entre
Glu–Arg–Asp en una hélice enrrollada? las tres cadenas de la triple hélice. El péptido 1 es (Pro–Hyp–Gly)10,
el péptido 2 es (Pro–Hyp–Gly)4–Glu–Lys–Gly–(Pro–Hyp–Gly)5, y el
34. Las proteínas globulares suelen constar de varias capas de es- péptido 3 es Gly–Lys–Hyp–Gly–Glu–Hyp–Gly–Pro–Lys–Gly–Asp–
tructura secundaria, con un centro hidrófobo y una superficie hidró- Ala– (Gly–Ala–Hyp)2–(Gly–Pro–Hyp)4. Sus propiedades estructu-
fila. ¿Se cumple esto para una proteína fibrosa como la queratina? rales y temperaturas de fusión (problema 40) se resumen en el cuadro.

35. El aparato digestivo de las larvas de la polilla de la ropa es un Péptido Forma Contenido Tf (°C)
ambiente fuertemente reductor. ¿Por qué es esto benéfico para las 1 el trímero de iminoácido
larvas? pH ϭ 1 61
2 Sí 67% pH ϭ 7 58
36. El cabello lacio puede rizarse y el rizado puede alaciarse me- pH ϭ 11 60
diante la exposición en húmedo a un ambiente reductor, la fijación 3 Sí 60% pH ϭ 1 44
con tubos y la ulterior exposición a un agente oxidante. Explique el pH ϭ 7 46
modo en que este procedimiento (llamado “permanente”) modifica Sí 30% pH ϭ 13 49
la forma del cabello. pH ϭ 1 18
pH ϭ 7 26.5
37. Describa las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cua- pH ϭ 13 19
ternaria de a) actina y b) colágeno. ¿Por qué es difícil asignar las
cuatro categorías estructurales a estas proteínas? a) Ordene la estabilidad de los tres péptidos tipo colágeno. ¿Cuál
es la razón de la estabilidad observada?
38. La bacteria anaeróbica altamente patógena Clostridium per- b) Compare los valores de Tf del péptido 3 a los distintos valores
fringens es responsable de la gangrena gaseosa, un trastorno en el cual de pH. ¿Por qué el péptido 3 tiene un valor máximo de Tf a pH
se destruye la estructura de los tejidos animales. Esta bacteria secreta = 7? ¿Qué interacciones son las principales responsables?
una enzima que cataliza de manera eficiente la hidrólisis del enlace c) Compare los valores de Tf del péptido 1 a los distintos valores
peptídico que se indica. X y Y pueden ser cualesquiera aminoácidos. de pH. ¿Por qué la diferencia de valores de Tf a distintos valores
¿De qué manera la secreción de esta enzima contribuye a la invasivi- de pH es menor que para el péptido 3?
dad de la bacteria en tejidos humanos? ¿Por qué esta enzima no afec- d) Considere las respuestas a las preguntas anteriores. ¿Cuál
ta a la bacteria misma? factor es más importante para estabilizar la estructura de los
péptidos tipo colágeno: apareamiento de iones o contenido de
X Gly Pro Y iminoácido?

Enzima 42. El gusano de las chimeneas hidrotermales de mar profundo
bacteriana Riftia pachyptila vive en condiciones extremas de alta temperatura,
bajo contenido de oxígeno y cambios drásticos de temperatura. El
X COOϪ ϩ NHϩ3 Gly Pro Y gusano tiene una gruesa cutícula que contiene colágeno, la cual lo
protege contra el ambiente adverso. En fecha reciente se investigó la
39. Una enzima presente en los renacuajos rompe los enlaces que estructura de este colágeno. Los análisis de secuencia indicaron que
se indican.¿De qué tipo de enzima se trata, y cuál es su función en el el colágeno tiene el acostumbrado triplete GlyiX-Y, pero sólo pre-
renacuajo en desarrollo? senta hidroxiprolina en la posición X, y Y a menudo es una treonina
glucosilada (tiene un residuo azúcar galactosa unido de modo cova-
Gly Pro Gln Gly Ile Ala lente vía una reacción de condensación entre un grupo hidroxilo de
la galactosa y el grupo hidroxilo de la cadena lateral de la treonina).
40. Los miembros de la familia del colágeno a menudo se caracte- Se realizaron experimentos con péptidos sintéticos a fin de evaluar la
rizan por sus temperaturas de fusión (Tf). El colágeno se somete a estabilidad de cada uno. Los resultados se muestran en el cuadro.
temperaturas crecientes y se observa en busca de cambios estructura-
les. A altas temperaturas, las fuerzas intermoleculares que mantienen OH OH O O OϪ
juntas las tres cadenas en la triple hélice desaparecen y las cadenas se H H ϩH3N CH C
separan, de lo que resulta colágeno desnaturalizado, o gelatina (una CH
sustancia que es líquida a altas temperaturas y se solidifica al enfriar- H OH O CH3
se). Dado que las fuerzas intermoleculares que mantienen juntas las HO H
cadenas del colágeno son cooperativas, la triple hélice tiende a sepa-
rarse por completo a un tiempo. La Tf se define como la temperatu- H Gal-Thr
ra a la cual la mitad del colágeno se ha desnaturalizado y se emplea
como un criterio para la estabilidad del colágeno. En el cuadro se Péptido sintético ¿Forma una triple hélice? Tf (ЊC)
muestran las mediciones de Tf para el colágeno de dos especies dis- (Pro – Pro – Gly)10
tintas. Uno es de rata y el otro erizo de mar. a) Asigne cada colágeno (Pro – Hyp – Gly)10 Sí 41
al organismo correspondiente, y b) explique la correlación entre (Gly – Pro –Thr)10 Sí 60
contenido de iminoácido y Tf. (Gly – Pro –Thr(gal))10 No N/A
Sí 41
Colágeno Número de Hyp Número de Pro Tf (°C)
por 1 000 residuos por 1 000 residuos 27.0
A 38.5
B 48.5 81.3
68.5 111

Problemas | 151

a) Compare las temperaturas de fusión de (Pro–Pro–Gly)10 y tieron a tratamiento enzimático, que hidrolizó toda la proteína celu-
(Pro–Hyp–Gly)10. ¿Cuál es la base estructural de la diferencia? lar. Entonces se midió la cantidad de [3H]-prolina o [3H]-lisina
b) Compare las temperaturas de fusión de (Pro–Pro–Gly)10 y incorporada en el colágeno en términos de liberación de 3H2O.
(Gly–Pro–Thr(Gal))10 y dé una explicación.
c) ¿Por qué incluyeron los investigadores (Gly–Pro–Thr)10? Condiciones Actividad de Actividad de
de cultivo prolilhidroxilasa lisilhidroxilasa
43. Varios investigadores han tratado de explicar por qué las mo- (cpm, 3H2O/mg (cpm, 3H2O/mg
léculas de colágeno que contienen hidroxiprolina poseen mayor es- Testigo de proteína)
tabilidad. Algunos sugieren que el grupo hidroxiprolina en el anillo Minoxidilo de proteína)
pirrolidina de Hyp participa en una red de enlaces de hidrógeno con 12 402
moléculas de agua que actúan como “puentes”. Sin embargo, esto ha 13 056 1 936
sido cuestionado por otros, quienes han notado que las triples héli- 13 242
ces formadas por (Pro–Pro–Gly)10 y (Pro–Hyp–Gly)10 son estables
en metanol. A fin de investigar más a fondo el tema de la estabilidad, a) ¿Cuál es el efecto del minoxidilo en los fibroblastos cultivados?
un grupo de investigadores sintetizó un colágeno que contiene b) ¿Por qué sería este fármaco eficaz para tratar la fibrosis (un
4-fluoroprolina (Flp), el cual es parecido a la hidroxiprolina excepto trastorno de la piel asociado con la acumulación de colágeno)?
porque el grupo hidroxilo es sustituido por flúor. Se midieron los c) ¿Cuáles son los peligros potenciales del uso a largo plazo de
puntos de fusión de tres moléculas de colágeno sintéticas, y se mues- minoxidilo para tratar la pérdida del cabello?
tran en el cuadro.
48. Enseguida se muestra una porción del gen para la cadena
Péptido sintético ¿Forma una triple hélice? Tm (°C) α2(I) del colágeno tipo I (la secuencia de la cadena codificadora –no
(Pro – Pro – Gly)10 la plantilla– del DNA; el gen completo contiene 4 859 pares de ba-
(Pro – Hyp – Gly)10 Sí 41 ses). También se muestra el gen aislado de los fibroblastos cutáneos
(Pro – Flp – Gly)10 Sí 60 de un paciente con un gen α2(I) mutante. El paciente era un feto
Sí 91 casi de término nacido por cesárea. El neonato desarrolló dificultad
respiratoria grave y murió poco después del parto. La autopsia reveló
a) Compare la estructura de hidroxiprolina y fluoroprolina. cortedad de todas las extremidades, deformidades esqueléticas in-
¿Cuál supone que haya sido el motivo por el que los investigado- cluidas costillas en arco, y escasa calcificación del cráneo.
res eligieron flúor?
b) Compare los puntos de fusión de los tres colágenos sintéticos. Gen del colágeno α2(I) normal
¿Qué factor contribuye más a la estabilidad de la molécula?
...CTGGTGCTGTTGGCCCAAGAGGTCCTAGTGGCCCAC . . .
44. Explique por qué la gelatina, que es en mayor medida coláge-
no, es nutricionalmente inferior a otros tipos de proteína. Gen del colágeno α2(I) mutante

45. Usted es un médico y atiende a un paciente de 45 años de ...CTGGTGCTGTTGGCCCAAGAGATCCTAGTGGCCCAC...
edad que tiene las encías hinchadas, petequias (pequeñas manchas
rojas que resultan del escape de eritrocitos desde los capilares hacia a) ¿Cuál es la secuencia de la proteína codificada por el gen nor-
la piel) y piel gruesa y escamosa en cara y dedos. El paciente informa mal y el mutante? (Note que primero debe determinar el marco
sangrado ocasional de las encías y dolor articular. Usted sospecha de lectura abierto correcto). ¿Cuál es el cambio en la secuencia
que el paciente tiene escorbuto, una enfermedad causada por defi- proteínica?
ciencia de vitamina C (ácido ascórbico). Él le dice que fuma 10 ci- b) ¿Cómo diferirían los valores de Tf del colágeno normal y el
garrillos al día; está tratando de adelgazar comiendo sólo alimentos mutante?
ricos en proteína como huevos, requesón y carne; y se encuentra c) ¿Cuál es la enfermedad del paciente y por qué murió éste?
bajo mucho estrés.
49. La papaya contiene la enzima papaína, que es una colagenasa.
a) ¿Cuáles de las conductas del paciente es probable que causen a) ¿Por qué se usa la papaína en cocina como ablandador de
escorbuto? Explique. carnes?
b) ¿Por qué una deficiencia de ácido ascórbico causaría sus b) No debe agregarse papaya cruda a las gelatinas (problema 40),
síntomas específicos? pero puede usarse papaya cocida. Explique.
c) ¿Qué le recomendaría usted al paciente?
50. Dado que las moléculas de colágeno son difíciles de aislar de
46. Se incorpora prolina con la marca radiactiva 14C a moléculas los tejidos conectivos de los animales, en los estudios sobre la estruc-
de colágeno en fibroblastos cultivados. La radiactividad se detecta en tura del colágeno a menudo se utilizan péptidos sintéticos. ¿Sería
la proteína colágeno. Sin embargo, el colágeno sintetizado en pre- práctico tratar de purificar moléculas de colágeno a partir de cultivos
sencia de [14C]-hidroxiprolina no presenta la marca radiactiva. Ex- de células bacterianas que se han manipulado para que expresen ge-
plique por qué. nes de colágeno?

47. Se midió el efecto del fármaco minoxidilo en fibroblastos de 5-3. Proteínas motoras
piel humana cultivados, y los datos se muestran en el cuadro. Los
fibroblastos se cultivaron con [3H]-prolina o [3H]-lisina para permi- 51. ¿Es la miosina una proteína fibrosa o globular? Explique.
tir que el colágeno incorporara los aminoácidos con marca radiactiva
en las cadenas polipeptídicas. Después del tratamiento con minoxi- 52. La miosina tipo V es una miosina de dos cabezas que opera
dilo (los testigos no se trataron), se cosecharon las células y se some- como motor de transporte para desplazar su carga a lo largo de fila-
mentos de actina. Su mecanismo es similar al de la miosina muscu-
lar, pero actúa de manera procesiva, como la cinesina. El ciclo de
reacción que se esquematiza aquí comienza con ambas cabezas de
miosina unidas a un filamento de actina. Se une ADP a la cabeza
delantera, y el sitio de unión a nucleótido en la cabeza trasera está
vacío.

152 | CAPÍTULO 5 Funciones de las proteínas

Carga Con base en lo que sabe sobre el ciclo de reacción de la miosi-
na muscular (figura 5-33), proponga un mecanismo de reacción
ADP Actina para la miosina V, comenzando con la entrada de ATP. ¿Cuál es
ATP la correspondencia entre cada paso de la reacción de hidrólisis de
ATP y un cambio conformacional en la miosina V?

53. Al examinar células al microscopio, los primeros biólogos ce-
lulares observaron que el movimiento de determinados componen-
tes celulares era rápido, lineal y dirigido (hacia un punto específico).

a) ¿Por qué son estas cualidades incompatibles con la difusión
como mecanismo para redistribuir componentes celulares?
b) Enumere los requerimientos mínimos para un sistema de
transporte intracelular rápido, lineal y dirigido.

54. Explique por qué el movimiento de la miosina a lo largo de un
filamento de actina ocurre “a saltos”, mientras que el movimiento de
la cinesina a lo largo de un microtúbulo es una “caminata”.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Brodsky B, Persikov AV: Molecular structure of the collagen acerca de diversos tipos de filamentos intermedios, incluida la
triple helix, Adv Protein Chem. 2005;70:310-339. [Analiza la queratina.]
estructura del colágeno y las enfermedades asociadas con muta-
ciones del colágeno.] Reisler E, Egelman EH: Actin structure and function: what
we still do not understand, J. Biol. Chem. 2007;282:36113-
Endow SA: Kinesin motors as molecular machines, Bioessays 36137. [Resume algunas áreas de investigación sobre la estructu-
2003;25:1212-1219. ra de la actina y su ensamblaje en filamentos.]

Gardner MK, Hunt AJ, Goodson HV, Odde, DJ: Microtu- Schechter AN: Hemoglobin research and the origins of mole-
bule assembly dynamics: new insights at the nanoscale, Curr. cular medicine, Blood 2008;12:3927-3938. [Revisa la estructura
Opin. Cell Biol. 2008;20:64-70. [Describe algunas de las téc- y las actividades de la hemoglobina, incluida la hemoglobina S.]
nicas usadas para caracterizar la formación de los microtúbulos.]
Wilson MT, Reeder BJ: Oxygen-binding haem proteins, Exp.
O’Connell CB, Tyska MJ, Mooseker MS: Myosin at work: Physiol.2007; 93:128-132. [Analiza las funciones menos conoci-
motor adaptations for a variety of cellular functions, Biochim. das de hemoglobina, mioglobina y algunos de sus familias.]
Biophys. Acta 2007;1773:615-630.

Oshima RG: Intermediate filaments: a historical perspecti-
ve, Exp Cell Res. 2007;313:1981-1994. [Describe lo que se sabe

Bibliografía recomendada | 153

CÓMO FUNCIONAN capítulo
LAS ENZIMAS
6

La capacidad de la luciérnaga de producir luz depende de la
presencia de la enzima luciferasa, que cataliza una reacción en
que participan O2, ATP y una molécula no luminiscente llamada
luciferina. La energía libre generada en la reacción asume la forma
de un destello de luz verdosa.

ESTE CAPÍTULO EN CONTEXTO

YYa se ha visto que algunas proteínas realizan funciones relativamente pasivas (p. ej.,
la proteína citoesquelética queratina, descrita en la sección 5-2). También se vio que
determinadas proteínas efectúan sus actividades fisiológicas por unión reversible
a moléculas pequeñas (p. ej., mioglobina y hemoglobina, que se estudiaron en la
sección 5-1). Otras proteínas, conocidas como enzimas, son incluso más activas, y
participan directamente en las reacciones químicas por medio de las cuales las cé-
lulas transforman materia y energía. En este capítulo se examinan las características
fundamentales de las enzimas, incluidas las bases termodinámicas de su actividad.
Se describen diversos mecanismos por los cuales las enzimas aceleran las reacciones
químicas, con atención especial a la enzima digestiva quimotripsina para ilustrar el
modo en que diferentes características estructurales influyen en la actividad catalí-
tica. En el siguiente capítulo continuará el estudio de las enzimas mediante la des-
cripción de cómo se cuantifica la actividad enzimática y cómo puede regularse. ■

154 |

6-1. ¿Qué es una enzima?

In vitro, en condiciones fisiológicas, el enlace peptídico que une aminoácidos en los CONCEPTO CLAVE
péptidos y proteínas tiene semivida (vida media) de unos 20 años. Es decir, luego de • Las enzimas difieren de los
20 años, alrededor de la mitad de los enlaces peptídicos en una muestra dada de
péptido se habrán degradado por hidrólisis (ruptura por agua): catalizadores químicos simples en
su eficiencia y especificidad.

RO RO

N CH C N CH C ϩ H2O
HH

R HR O
Oϩ
N CH C ϩ H N CH C
OϪ
HH

Es obvio, que la larga semivida del enlace peptídico es ventajosa para los seres vivos,
dado que varias de sus características estructurales y funcionales dependen de la integri-
dad de las proteínas. Por otra parte, muchas proteínas –p. ej., algunas hormonas– deben
ser degradadas con rapidez para que sus efectos biológicos sean limitados. Resulta claro
que un organismo debe ser capaz de acelerar la hidrólisis de los enlaces peptídicos.

En general, existen tres maneras de aumentar la rapidez de una reacción química,
incluida la hidrólisis:

1. Incrementar la temperatura (agregar energía en forma de calor). Por desgracia,
esto no es muy práctico, dado que la mayoría de los organismos no son capaces
de regular la temperatura interna y prosperan sólo en intervalos de temperatura
relativamente estrechos. Además, un aumento de temperatura acelera todas las
reacciones químicas, no sólo la reacción deseada.

2. Incrementar las concentraciones de las sustancias reaccionantes. Concentracio-
nes mayores de reactivos elevan la probabilidad de que éstos se encuentren unos
a otros a fin de reaccionar. Pero una célula puede contener decenas de miles de
diferentes tipos de moléculas, el espacio es limitado, y muchos reactivos
esenciales son escasos tanto dentro como fuera de la célula.

3. Agregar un catalizador. Un catalizador es una sustancia que participa
en la reacción pero al término de ésta presenta su forma original. Se
conocen una enorme variedad de catalizadores químicos; por ejemplo,
el convertidor catalítico de un automóvil contiene una mezcla de pla-
tino y paladio que acelera la conversión de monóxido de carbono e
hidrocarburos no quemados en dióxido de carbono, hasta cierto punto
inofensivo. Los sistemas vivos utilizan catalizadores llamados enzimas
para incrementar las velocidades de las reacciones químicas.

La mayoría de las enzimas son proteínas, aunque algunas constan de Figura 6-1. Modelo de listón de la
RNA (éstas se denominan ribozimas y se describen con más detalle en la quimotripsina. La cadena polipeptídica
sección 21-3). Una de las enzimas mejor estudiadas es la quimotripsina, una (gris) se pliega en dos dominios. Tres
proteína digestiva que se sintetiza en el páncreas y se secreta en el intestino residuos esenciales para la actividad de
delgado, donde ayuda a degradar proteínas de los alimentos. Debido quizá a la enzima se muestran en rojo. (Estructura
que puede purificarse en cantidades relativamente grandes a partir del páncreas bovi-
no, la quimotripsina fue una de las primeras enzimas en ser cristalizadas (también se (pdb 4CHA) determinada por H. Tsukada y
usa mucho en el laboratorio; véase p. ej., el cuadro 4-4). Los 241 residuos de la quimo- D.M. Blow).
tripsina forman una estructura compacta de dos dominios (figura 6-1). La hidrólisis de
sustratos polipeptídicos se realiza en una hendidura entre los dos dominios, cerca de las 6-1 ¿Qué es una enzima? | 155
cadenas laterales de tres residuos (His 57, Asp 102 y Ser 195). Esta zona de la enzima

CUADRO 6-1 | Aumento de la velocidad de reacción por enzimas

Enzima Vida media Velocidad sin Velocidad con Aumento en velocidad
(sin catálisis)a catálisis (s–1) catálisis (s–1) (velocidad con catálisis/
velocidad sin catálisis)
Orotidina 78 000 000 years 2.8 ϫ 10Ϫ16 39
5´-monofosfato 1.4 ϫ 1017
descarboxilasa 130 000 años 1.7 ϫ 10Ϫ13
Nucleasa estafilocócica 120 años 1.8 ϫ 10Ϫ10 95 5.6 ϫ 1014
Adenosina desaminasa 20 años 1.0 ϫ 10Ϫ9 370 2.1 ϫ 1012
Quimotripsina 1.9 años 4.3 ϫ 10Ϫ6 190 1.7 ϫ 1011
Triosa fosfato isomerasa 7.4 h 2.6 ϫ 10Ϫ5 4 300 1.0 ϫ 109
Corismato mutasa 5 seg 1.3 ϫ 10Ϫ1 50 1.9 ϫ 106
Anhidrasa carbónica 1 000 000 7.7 ϫ 106

a La vida media de reacciones muy lentas se extrapolaron de mediciones hechas a muy altas temperaturas.
(Mayoría de los datos de Radzicka, R., and Wolfenden, R., Science 265, 90-93 [1995]).

se conoce como sitio activo. Los sitios activos de casi todas las enzimas conocidas se
localizan en hendiduras similares en la superficie enzimática.

La quimotripsina cataliza la hidrólisis de enlaces peptídicos a una velocidad
aproximada de 190 por segundo, es decir 1.7 ϫ 1011 veces más rápido de lo que
sería en ausencia de un catalizador. Esto es varios órdenes de magnitud mayor de lo
que sería posible con un catalizador químico simple. Además, la quimotripsina y
otras enzimas actúan en condiciones suaves (presión atmosférica y temperatura fisio-
lógica), mientras que muchos catalizadores químicos requieren de temperaturas y
presiones extremadamente altas para un funcionamiento óptimo.

La potencia catalítica de la quimotripsina no es inusual: incrementos de la velo-
cidad de 108 a 1012 son típicos de las enzimas (en el cuadro 6-1 se presentan las ve-
locidades de algunas reacciones no catalizadas por enzimas). Por supuesto, a menor
velocidad de una reacción catalizada, mayor oportunidad de incremento por una
enzima (véase p. ej., el caso de la orotidina 5´-monofosfato descarboxilasa en el cua-
dro 6-1). Resulta interesante que incluso reacciones relativamente rápidas están su-
jetas a catálisis enzimática en sistemas biológicos; por ejemplo, la conversión de CO2
a ácido carbónico en agua

CO2 ϩ H2O H2CO3

tiene un tiempo de reacción medio de 5 seg (la mitad de las moléculas habrán reac-

cionado en 5 seg). Esta reacción se acelera más de un millón de veces por efecto de

la enzima anhidrasa carbónica (cuadro 6-1).

Otra característica que separa las enzimas de los catalizadores no biológicos es su

especificidad de reacción. La mayoría de las enzimas son altamente específicas

para sus reactivos (llamados sustratos) y productos. Los grupos funcionales en el

sitio activo de una enzima están dispuestos de manera tan minuciosa que la enzima

puede distinguir sus sustratos entre muchos otros de tamaño y forma similares, puede

mediar una sola reacción química en la que intervengan esos sustratos. Esta especi-

ficidad de reacción contrasta de manera notable con la permisividad de la mayoría

de los catalizadores orgánicos, que pueden actuar en muchos tipos diferentes de

sustratos y, para un sustrato dado, a veces generan más de un producto.

La quimotripsina y algunas otras enzimas digestivas actúan de manera inusual so-

bre una gama relativamente amplia de sustratos y, al menos en el laboratorio, catali-

zan varios tipos de reacciones. Por ejemplo, la quimotripsina cataliza la hidrólisis del

enlace peptídico que sigue a casi cualquier residuo no polar grande como Phe, Tpr o

Tyr. También puede catalizar la hidrólisis de otros enlaces amida y enlaces éster. Se ha

demostrado que esta conducta es conveniente para cuantificar la actividad de la qui-

motripsina purificada. Un sustrato artificial como el p-nitrofenilacetato (un éster) se

hidroliza con facilidad por la acción de la quimotripsina (el nombre de la enzima que

aparece junto a la flecha de reacción indica que participa como catalizador):

156 | CAPÍTULO 6 Cómo funcionan las enzimas

O NO2
H3C C O

p-Nitrofenilacetato (incoloro)

H2O quimotripsina
2 Hϩ

O NO2
H3C C OϪ ϩ ϪO

Acetato p-Nitrofenolato (amarillo)

El producto de la reacción, p-nitrofenolato, es amarillo intenso, de modo que el
avance de la reacción puede vigilarse con facilidad en un espectrómetro a 410 nm.

Por último, las enzimas difieren de los catalizadores no biológicos en que las acti-
vidades de muchas enzimas son reguladas de modo que el organismo pueda reaccionar
a condiciones cambiantes o seguir programas de desarrollo determinados genética-
mente. Debido a ello, los bioquímicos tratan de comprender cómo funcionan las en-
zimas, cuándo y por qué. Estos aspectos del comportamiento enzimático se comprenden
bastante bien en el caso de la quimotripsina, lo cual la hace un sujeto ideal para de-
mostrar los fundamentos de la actividad enzimática.

Las enzimas suelen nombrarse con base en la reacción
que catalizan

Las enzimas que catalizan reacciones bioquímicas se han clasificado de manera for- CUADRO 6-2 | Clasificación
mal en seis subgrupos conforme al tipo de reacción (cuadro 6-2). Básicamente, todas de las enzimas
las reacciones bioquímicas implican ya sea la adición de alguna sustancia a otra o su
eliminación, o el reordenamiento (transposición) de esa sustancia. No debe perderse Tipo de reacción
de vista el hecho de que si bien los sustratos de muchas reacciones bioquímicas re- Clase de enzima catalizada
sultan ser muy grandes (p. ej., proteínas o ácidos nucleicos), la acción en realidad
implica sólo unos cuantos enlaces químicos y algunos grupos pequeños (a veces 1. Oxidorreductasas Reacciones
H2O o incluso sólo un electrón).
de oxidorreducción
El nombre de una enzima con frecuencia da indicios de su función. En algunos
casos, una enzima se nombra incorporando el sufijo –asa al nombre de su sustrato. 2. Transferasas Transferencia de
Por ejemplo, la fumarasa es una enzima que actúa en el fumarato (reacción 7 del
ciclo del ácido cítrico; véase sección 14-2). Así, puede decirse que la quimotripsina grupos funcionales
es una proteinasa, una proteasa o una peptidasa. La mayoría de los nombres de en-
zimas contienen más palabras descriptivas (la última de las cuales termina en –asa)
para indicar la naturaleza de la reacción catalizada por esa enzima. Por ejemplo, la
piruvato descarboxilasa cataliza la eliminación de un grupo CO2 del piruvato:

O OϪ 3. Hidrolasas Reacciones

de hidrólisis

C Hϩ O H 4. Liasas Eliminación de

CO Cϩ CO2 grupos para formar

CH3 Piruvato descarboxilasa CH3 dobles enlaces

Piruvato Acetaldehído 5. Isomerasas Reacciones de

isomerización

6. Ligasas Formación

de enlaces acoplada

a la hidrólisis

de ATP

6-1 ¿Qué es una enzima? | 157

La alanina aminotransferasa cataliza la transferencia de un grupo amino de la alanina
a un α-cetoácido:

ϩ O

NH3

H3C CH COOϪ ϩ ϪOOC C CH2 CH2 COOϪ

Alanina ␣-cetoglutarato

Alanina aminotransferasa

O ϩ COOϪ

H3C C COOϪ ϩ ϪOOC NH3

Piruvato CH CH2 CH2

Glutamato

Tal sistema de nomenclatura descriptivo tiende a fallar debido a las miles de reaccio-
nes catalizadas por enzimas que se conocen, pero es adecuado para el pequeño nú-
mero de reacciones estudiadas que se incluyen en este texto. Un esquema de
clasificación más preciso agrupa de manera sistemática las enzimas en un sistema
jerárquico de cuatro niveles y asigna a cada enzima un número único. Por ejemplo,
la quimotripsina se conoce como EC 3.4.21.1 (EC, por sus siglas en inglés , parte
del comité de nomenclatura de la International Union of Biochemistry and Molecular
Biology; la base de datos de la EC puede consultarse en www.expasy.org/enzyme/).

Debe tenerse presente que incluso dentro de un organismo, más de una proteína
puede catalizar una reacción química dada. Las enzimas múltiples que catalizan la
misma reacción se denominan isoenzimas. Aunque suelen compartir un origen evo-
lutivo en común, las isoenzimas difieren en sus propiedades catalíticas. En consecuen-
cia, las diversas isoenzimas que se expresan en diferentes tejidos o en diferentes etapas
del desarrollo pueden realizar funciones metabólicas ligeramente distintas.

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿En qué difieren las enzimas de los catalizadores no biológicos?

6-2. Química de los catalizadores

CONCEPTOS CLAVE En una reacción bioquímica, las especies reaccionantes deben acercarse entre sí y ex-
• La altura de la barrera de energía perimentar reordenamientos electrónicos que dan por resultado la formación de pro-
ductos. Considérese una reacción de transferencia idealizada en la cual el compuesto
de activación determina la A–B reacciona con el compuesto C para formar dos nuevos compuestos, A y B–C:
velocidad de una reacción.
• Una enzima establece una vía de A B+C→A +B C
reacción de menor energía desde
los reactivos hasta los productos. A fin de que los dos primeros compuestos reaccionen, deben acercarse entre sí lo
• Las enzimas aceleran las suficiente para que los átomos que los componen interactúen. Normalmente, los
reacciones químicas mediante átomos que se aproximan demasiado se repelen entre sí. Pero si los grupos tienen la
catálisis ácido-base, catálisis suficiente energía libre, pueden pasar este punto y reaccionar unos con otros para
covalente y catálisis por ion formar productos. El avance de la reacción puede representarse en un diagrama (fi-
metálico. gura 6-2) en el que el eje horizontal representa el avance de la reacción (coordenada
• La tríada catalítica de la de reacción) y el eje vertical representa la energía libre (G) del sistema. El paso de-
quimotripsina participa en la pendiente de energía de la reacción se muestra como una barrera de energía, llamada
catálisis ácido-base y la covalente. energía libre de activación o energía de activación y se simboliza como ΔG‡. El
punto de máxima energía se conoce como estado de transición y puede considerar-
se una especie de intermediario entre los reactivos y los productos.

El tiempo de vida de los estados de transición es en extremo corto, del orden de
10–14 a 10–13 seg. Dado que su existencia es demasiado efímera para ser accesible a la
mayoría de las técnicas analíticas, los estados de transición de muchas reacciones no
pueden identificarse con absoluta certeza. Sin embargo, es útil visualizar el estado de
transición como una especie molecular en el proceso de romper y formar enlaces.

158 | CAPÍTULO 6 Cómo funcionan las enzimas

Avance de la reacción Figura 6-2. Diagrama de coordenada
ABC
de reacción de A—B ϩ C A ϩ
Energía libre ΔG ++ B—C. El avance de la reacción se
(G ) muestra en el eje horizontal, y la energía
libre se representa en el eje vertical. El
A B+C A+B C estado de transición de la reacción,
representado como A ··· B ··· C, es el
punto de máxima energía libre. La
diferencia de energía libre entre los
reactivos y el estado de transición es la
energía libre de activación (ΔG‡).

Coordenada de reacción

Para la reacción anterior, es posible representarlo como A ···· B ···· C. Los reactivos re- Figura 6-3. Diagrama la coordenada
quieren energía libre (ΔG‡) para alcanzar este punto (p. ej., se requiere algo de energía
para romper enlaces existentes y reunir otros átomos a fin de comenzar a formar nuevos de reacción para una reacción en la
enlaces). Es apropiada la analogía de ir cuesta arriba para que una reacción ocurra.
cual reactivos y productos tienen
La altura de la barrera de energía de activación determina la velocidad de una
reacción (la cantidad de producto formado por unidad de tiempo). A mayor altura diferente energía libre. El cambio de
de la barrera de energía de activación, menor probabilidad de que la reacción ocurra energía libre para la reacción (ΔG)
(será más lenta), porque pocas moléculas del reactivo tienen energía libre suficiente equivale a Gproductos –Greactivos. a) Cuando
para alcanzar el estado de transición por unidad de tiempo. A menor altura de la la energía libre de los reactivos es mayor
barrera de energía, mayor probabilidad de que la reacción ocurra (será más rápida), que la propia de los productos, el
porque más moléculas de reactivo tienen suficiente energía libre para alcanzar el es- cambio de energía libre para la reacción
tado de transición por unidad de tiempo. Nótese que el estado de transición, en el es negativo, de modo que la reacción
punto más alto, tiene el potencial de rodar pendiente abajo hacia cualquier lado de procede de manera espontánea. b)
la cuesta de energía libre. Así, no todos los reactivos que se reúnen para formar un Cuando la energía libre de los productos
estado de transición realmente recorren todo el camino hasta convertirse en produc- es mayor que la propia de los reactivos,
tos; pueden volver a su estado original. De modo similar, los productos (A y B–C en el cambio de energía libre para la
este caso) pueden reaccionar, pasar por el mismo estado de transición (A ···· B ···· C) reacción es positivo, de modo que la
y generar los mismos reactivos originales (A–B y C). reacción no procede de manera
espontánea (sin embargo, sí lo hace la
En la naturaleza, rara vez los reactivos y productos de una reacción química tie- reacción inversa).
nen energía libre idéntica, de modo que el diagrama de coordenada de reacción se ve
más como el de la figura 6-3a. Cuando los productos tienen menor energía libre que
los reactivos, entonces el cambio global de energía libre de la reacción (ΔGreacción, o
bien Gproductos – Greactivos) es menor de cero. Un cambio de energía libre negativo in-
dica que una reacción procede de manera espontánea tal como está escrita. Nótese
que “espontaneidad” no significa “rapidez”. Una reacción con cambio de energía li-
bre negativo es termodinámicamente favorable, pero la altura de la barrera de ener-
gía de activación (ΔG‡) determina la rapidez con que la reacción ocurre en realidad.
Si los productos tienen mayor energía libre que los reactivos (figura 6-3b), entonces
el cambio de energía libre global para la reacción (ΔGreacción) es mayor de cero. Esta
reacción no procede como está escrita (porque avanza “cuesta arriba”), sino que lo
hace en el sentido opuesto.

(a) (b)

Energía Reactivos ΔGreacción Energía Productos
libre Productos libre ΔGreacción
(G ) (G )

Reactivos

Coordenada de reacción Coordenada de reacción

6-2 Química catalítica | 159

Figura 6-4. Efecto de un catalizador

en una reacción química. Aquí, los X ++ cat

no

reactivos proceden a través de un estado Reacción no catalizada

de transición simbolizado X‡ durante su

conversión en productos. Un catalizador

reduce la energía libre de activación ++

(ΔG‡) para la reacción, de modo que ΔG no cat

ΔG‡cat < ΔG‡no cat. Reducir la energía X ++
libre del estado de transición (X‡)
cat

acelera la reacción porque más Energía libre Reacción catalizada
(G )
moléculas de reactivo son capaces de
Reactivos
alcanzar el estado de transición por ΔG ++

unidad de tiempo. cat

Productos

Coordenada de reacción

Un catalizador establece una vía de reacción con una
barrera de energía de activación más baja

Un catalizador, sea inorgánico o enzimático, reduce la barrera de energía de activa-
ción (ΔG‡) de una reacción (figura 6-4). Lo hace interactuando con las moléculas
reaccionantes, de ésta manera es probable que asuman el estado de transición. Un
catalizador acelera la reacción porque a medida que más moléculas de reactivo alcan-
zan el estado de transición por unidad de tiempo, más moléculas de producto pue-
den formarse por unidad de tiempo. (Un incremento de temperatura aumenta la
velocidad de reacción por un motivo similar: la entrada de energía térmica permite
que más moléculas alcancen el estado de transición por unidad de tiempo). Los
cálculos termodinámicos indican que la reducción de ΔG‡ en unos 5.7 kJ • mol–1
acelera la reacción en un factor de 10. Un incremento de 106 requiere un decre-
mento de ΔG‡ en seis veces esta cantidad, o alrededor de 3,4 kJ • mol–1.

Un catalizador enzimático no modifica el cambio de energía libre para una reac-
ción; simplemente aporta una vía de reactivos a productos que pasa por un estado de
transición con menor energía libre que el estado de transición de la reacción no ca-
talizada. De este modo, una enzima reduce la altura de la barrera de energía de acti-
vación (ΔG‡) reduciendo la energía del estado de transición. La hidrólisis de un
enlace peptídico siempre es termodinámicamente favorable, pero la reacción ocurre
con rapidez sólo cuando se dispone de un catalizador (como la proteasa quimotrip-
sina) que aporta una ruta de menor energía al estado de transición.

Las enzimas utilizan mecanismos catalíticos químicos

La idea de que los seres vivos contienen agentes que promueven el cambio de una
sustancia a otra ha existido cuando menos desde principios del siglo XIX, cuando los
científicos comenzaron a analizar las transformaciones químicas efectuadas por or-
ganismos como las levaduras. Sin embargo, pasó algún tiempo antes de que se apre-
ciara que esos agentes catalíticos no eran parte de alguna “fuerza vital” presente sólo
en organismos vivos e intactos. En 1878 se acuñó el término enzima para indicar
que había algo en la levadura (del griego en y zyme, “levadura”), más que la levadura
misma, que era responsable de descomponer (fermentar) el azúcar. De hecho, la
acción de las enzimas puede explicarse en términos puramente químicos. Lo que se
sabe en la actualidad sobre los mecanismos enzimáticos tiene una base sólida en el
conocimiento acerca de catalizadores químicos simples.

En una enzima, determinados grupos funcionales en el sitio activo realizan la
misma función catalítica que los pequeños catalizadores químicos. En algunos casos,

160 | CAPÍTULO 6 Cómo funcionan las enzimas

las cadenas laterales de los aminoácidos de una enzima no pue- Cofactores
den aportar los grupos catalíticos requeridos, de modo que un

cofactor fuertemente unido participa en la catálisis. Por ejem-

plo, muchas reacciones de oxidorreducción requieren un ion Iones metálicos Coenzimas
metálico como cofactor, dado que un ion metálico puede existir

en múltiples estados de oxidación, a diferencia de la cadena la-

teral de un aminoácido. Algunos cofactores enzimáticos son mo- Cosustratos Grupos prostéticos

léculas orgánicas conocidas como coenzimas, que pueden ser

derivados de vitaminas. Para la actividad enzimática sigue siendo necesaria la porción Figura 6-5. Tipos de cofactores

proteína de la enzima, que ayuda a posicionar el cofactor y los reactivos para la reac- enzimáticos.

ción (esta situación recuerda el caso de mioglobina y hemoglobina, donde la globina

y el grupo hemo funcionan juntos para unir oxígeno; sección 5-1). Algunas coenzi-

mas, llamadas cosustratos, entran y salen del sitio activo al igual que los sustratos; una

coenzima fuertemente unida que permanece en el sitio activo entre reacciones se de-

nomina grupo prostético (figura 6-5).

Existen tres tipos básicos de mecanismos de catálisis química usados por las enzi-

mas: catálisis ácido-base, catálisis covalente y catálisis por ion metálico. Se examina-

rá cada uno utilizando reacciones modelo para ilustrar algunas de sus características

fundamentales.

1. Catálisis ácido-base

Muchos mecanismos enzimáticos incluyen la catálisis ácido-base, en la cual se
transfiere un protón entre la enzima y sustrato. Este mecanismo catalítico puede
dividirse además en catálisis ácida y catálisis básica. Algunas enzimas utilizan una
u otra; muchas usan ambas. Considérese la siguiente reacción modelo, la tautomeri-
zación de una cetona en un enol (los tautómeros son isómeros interconvertibles que
difieren en la posición de un hidrógeno y un doble enlace):

R R R
CO C OϪ C OH

CH2 CH2 CH2
Hϩ
H Enol
Estado de transición
Cetona

Aquí el estado de transición se muestra entre corchetes para indicar que se trata de
una especie transitoria inestable. Las líneas de puntos representan enlaces en el pro-
ceso de romperse o formarse. La reacción no catalizada ocurre con lentitud porque
la formación del estado de transición tipo carbanión tiene una elevada barrera de
energía de activación (un carbanión es un compuesto en el cual el átomo de car-
bono porta carga negativa).

Si un catalizador (representado como H–A) dona un protón a un átomo de
oxígeno cetónico, reduce el carácter de carbanión desfavorable del estado de transi-
ción, con lo que reduce su energía y por tanto la barrera de energía de activación
para la reacción:

R R R
C OϩH A C OϪ Hϩ AϪ C O HϩH A
CH2 CH2
H CH2
Hϩ

Éste es un ejemplo de catálisis ácida, dado que el catalizador actúa como ácido al
donar un protón. Nótese que el catalizador vuelve a su forma original al final de la
reacción.

6-2 Química catalítica | 161

Figura 6-6. Cadenas laterales de O
Asp CH2 C
aminoácidos que pueden actuar
OH
como catalizadores ácido-base. Estos O
grupos pueden actuar como
catalizadores ácidos o básicos, Glu CH2 CH2 C
dependiendo de su estado de OH
protonación en el sitio activo de la
enzima. Las cadenas laterales se ϩ
muestran en sus formas protonadas, con His CH2 NH
el protón ácido resaltado.
N
H H

Lys CH2 CH2 CH2 CH2 Nϩ H

H

Cys CH2 SH

Tyr CH2 OH

La misma reacción de tautomerización ceto-enol anterior puede acelerarse me-
diante un catalizador que acepte un protón, esto es, un catalizador básico. En este
caso, el catalizador se representa como :B, donde los puntos indican electrones no
apareados:

R R Hϩ R
C Oϩ B C OϪ C O H ϩ B ϩ Hϩ
CH2 CH2
H CH2
Hϩ
B

La catálisis básica reduce la energía del estado de transición y de este modo acelera la
reacción.

En los sitios activos de una enzima, varias cadenas laterales de aminoácidos tienen
el potencial de actuar como catalizadores ácidos o básicos. Se trata de grupos cuyos
valores de pK se encuentran en el intervalo de pH fisiológico o cerca de él. En la fi-
gura 6-6 se muestran los residuos que más a menudo se identifican como catalizado-
res ácido-base. Dado que las funciones catalíticas de estos residuos dependen de su
estado de protonación o desprotonación, la actividad catalítica de la enzima puede
ser sensible a los cambios de pH.

2. Catálisis covalente

En la catálisis covalente, el segundo principal mecanismo de reacción química
usado por las enzimas, se forma un enlace covalente entre el catalizador y el sustrato
durante la formación del estado de transición. Considérese como reacción modelo la
descarboxilación del acetoacetato. En ésta, el movimiento de pares electrónicos entre
átomos se indica mediante flechas curvas rojas (recuadro 6-A).

O O CO2 ϪO Hϩ O
C CH2 C OϪ
H3C H3C C CH2 H3C C CH3
Acetoacetato
Enolato Acetona

162 | CAPÍTULO 6 Cómo funcionan las enzimas

RECUADRO 6-A UN VISTAZO MÁS DE CERCA

Descripción de mecanismos de reacción

Si bien a menudo es suficiente con escribir las estructuras de los Es útil estar familiarizado con las estructuras de puntos de Lewis y
sustratos y productos de una reacción, para comprender a comprender la electronegatividad (véase sección 2-1) para
cabalidad el mecanismo de reacción es necesario saber lo que hacen identificar grupos ricos en electrones (a menudo la fuente de
los electrones. Recuérdese que un enlace covalente se forma cuando electrones durante una reacción) y pobres en electrones (que es
dos átomos comparten un par de electrones, y una gran cantidad donde a menudo terminan los electrones).
de reacciones implican la ruptura y formación de enlaces covalen-
tes. Aunque en química también ocurren reacciones de un solo Una reacción típica requiere de varias flechas curvas, por
electrón, aquí la atención se centrará en las reacciones de dos ejemplo
electrones, más comunes.
RH
Las flechas curvas muestran el modo en que los electrones se
reordenan durante una reacción. La flecha sale del sitio original de OC O SN NH
un par electrónico. Puede tratarse de un par electrónico no
compartido, o un átomo como N u O, o los electrones de un OH
enlace covalente. La flecha curva apunta hacia el sitio final del par
electrónico. Por ejemplo, para representar la ruptura de un enlace: R

XY Xϩ ϩ YϪ R NH
ϪO C OH ϩ H ϩN
y para mostrar la formación de un enlace:
O
Xϩ ϩ SYϪ XY R

El estado de transición, un enolato, tiene elevada energía libre de activación. Esta
reacción puede ser catalizada por una amina primaria (RNH2), que reacciona con el
grupo carbonilo del acetoacetato para formar una imina, un compuesto que con-
tiene un enlace C=N (este aducto constituye una base de Schiff):

O R Nϩ H O
O
H3C H3C C CH2 Cϩ OHϪ
C CH2 C OϪ ϩ RNH2 OϪ

Acetoacetato Base de Schiff (imina)

En este intermediario covalente, el átomo de nitrógeno protonado actúa como su-
midero de electrones a fin de reducir el carácter de enolato del estado de transición
en la reacción de descarboxilación:

RϩH O CO2 RH Hϩ RϩH
N N N

H3C C CH2 C H3C C CH2 H3C C CH3
OϪ

Por último, la base de Schiff se descompone, lo cual regenera el catalizador amina y
libera el producto, acetona:

R Nϩ H O

H3C C CH3 ϩ OHϪ H3C C CH3 ϩ RNH2

Base de Schiff Acetona

6-2 Química catalítica | 163

X ++

2

X ++

1

ΔG ++

2

Energía libre Intermediario
(G )

ΔG ++

1

Reactivos

Productos

Ser, Tyr OH OϪ Coordenada de reacción

Cys SH SϪ Figura 6-7. Diagrama de una reacción acelerada por catálisis covalente. Dos
estados de transición flanquean el intermediario covalente. Las alturas relativas de las
ϩ barreras de energía de activación (para alcanzar los dos estados de transición, X1‡ y X2‡)
varían dependiendo de la reacción.
Lys NH3 NH2
En enzimas que utilizan la catálisis covalente, un grupo rico en electrones en el
ϩ sitio activo de la enzima forma un aducto covalente con un sustrato. A veces es po-
sible aislar este complejo covalente; es más estable que un estado de transición. Las
His NH N enzimas que utilizan la catálisis covalente sufren un proceso de reacción en dos par-
NN tes, de modo que el diagrama de la coordenada de reacción contiene dos barreras de
HH energía con el intermediario de reacción entre ellas (figura 6-7).

Figura 6-8. Grupos proteínicos que Muchos de los mismos grupos que constituyen buenos catalizadores ácido-base
(figura 6-6) también son buenos catalizadores covalentes porque contienen pares
pueden actuar como catalizadores electrónicos no compartidos (figura 6-8). La catálisis covalente a menudo se llama
también catálisis nucleofílica porque el catalizador es un nucleófilo, es decir, un
covalentes. En sus formas grupo rico en electrones en busca de un centro deficiente en electrones (un com-
desprotonadas (derecha), estos grupos puesto con deficiencia de electrones se conoce como electrófilo).
actúan como nucleófilos. Atacan centros
deficientes en electrones para formar 3. Catálisis por ion metálico
intermediarios covalentes.
Los iones metálicos pueden participar en reacciones enzimáticas mediante procesos
de oxidorreducción, como se mencionó, o promoviendo la reactividad de otros gru-
pos en el sitio activo de la enzima a través de efectos electrostáticos. Un ion metálico
unido a proteína también puede interactuar de manera directa con el sustrato reac-
tivo. Por ejemplo, durante la conversión de acetaldehído a etanol catalizada por la
enzima hepática deshidrogenasa alcohólica, un ion cinc estabiliza la carga negativa
en desarrollo en el átomo de oxígeno mientras se forma el estado de transición:

O Zn2ϩ OH
H3C C OϪ 2 H
H3C C H3C C H
H H
H
Acetaldehído
Etanol

La tríada catalítica de la quimotripsina promueve la
hidrólisis de enlaces peptídicos

La quimotripsina utiliza tanto catálisis ácido-base como catálisis covalente para acele-
rar la hidrólisis de enlaces peptídicos. Estas actividades dependen de tres residuos del
sitio activo cuyas identidades e importancia catalítica han sido tema de intenso estu-
dio desde el decenio de 1960-69. Dos de los residuos catalíticos de la quimotripsina

164 | CAPÍTULO 6 Cómo funcionan las enzimas

se identificaron mediante una técnica llamada marcado químico. Cuando la quimo-
tripsina se incuba con el compuesto diisopropilfosfofluoridato (DIPF), uno de sus 27
residuos Ser (Ser 195) queda marcado de manera covalente con el grupo diisopropil-
fosfo (DIP), y la enzima pierde actividad.

CH(CH3)2 CH(CH3)2

O HF O

CH2 OH ϩ F P O CH2 O P O
O O

Ser 195 CH(CH3)2 CH(CH3)2
(activa)
Diisopropilfosfofluoridato DIP-Ser 195
(DIPF) (inactiva)

Esta observación constituyó una sólida prueba de que la Ser 195 es esencial para la
catálisis. Por ello la quimotripsina se conoce también como serinproteasa (o serina
proteasa). Es un miembro de una gran familia de enzimas que emplean el mismo
mecanismo catalítico dependiente de Ser. Se usó una técnica de marcado similar
para dilucidar la importancia catalítica de His 57. El tercer residuo implicado en la
catálisis por quimitripsina –Asp 102– sólo pudo identificarse después de que la es-
tructura fina de la quimotripsina se visualizó mediante cristalografía de rayos X.

La disposición con enlaces de hidrógeno de los residuos Asp, His y Ser de la quimo-
tripsina y otras serinproteasas se denomina tríada catalítica (figura 6-9). El enlace
escindible del sustrato (el enlace que se romperá por hidrólisis) está situado cerca de
Ser 195 cuando el sustrato se une a la enzima. La cadena lateral de Ser no es en condi-
ciones normales un nucleófilo lo suficientemente fuerte para atacar un enlace amida.
Sin embargo, His 57, al actuar como catalizador básico, extrae un protón de Ser 195
de modo que el oxígeno puede actuar como catalizador covalente. Asp 102 promueve
la catálisis estabilizando el grupo imidazol con carga positiva de His 57.

La hidrólisis del enlace peptídico catalizada por quimotripsina en realidad ocurre
en dos fases que corresponden a la formación y degradación de un intermediario de
reacción covalente. En la figura 6-10 se detallan los pasos de la catálisis. El ataque
nucleofílico de Ser 195 en el carbono carbonilo del sustrato genera un intermediario
tetraédrico inestable en el cual el carbono carbonilo asume geometria tetraédrica. Esta
estructura se colapsa entonces a un intermediario en el que la porción N terminal del
sustrato permanece unida de manera covalente a la enzima. La segunda parte de la
reacción, durante la cual el oxígeno de una molécula de agua ataca el carbono carbo-
nilo, también incluye un intermediario tetraédrico inestable. Si bien la reacción ca-
talizada por enzima requiere de múltiples pasos, la reacción neta es la misma que la
reacción no catalizada que se muestra en la pág 155.

His 57

Asp 102

Ser 195 Figura 6-9. Tríada catalítica de la quimotripsina. Asp 102, His
57 y Ser 195 están dispuestas en una red con enlaces de hidrógeno.
Los átomos se representan con el código de color (C gris, N azul, O
rojo) y los enlaces de hidrógeno se muestran en amarillo.

6-2 Química catalítica | 165

His 57

Ser 195
CH2
O CH2

Ϫ

C OHN N H O

CH2 RC N C O 3. El agua entra entonces en el sitio
activo. Dona un protón a His 57 (una
Asp 102 H RN H2O vez más un catalizador básico),
dejando un grupo hidroxilo que
El sustrato peptídico entra en el sitio activo de la His 57 ataca el grupo carbonilo del sustrato
quimotripsina de modo que su enlace escindible (rojo) restante. Este paso es similar al
queda cerca del oxígeno de Ser 195 (la porción N terminal O CH2 paso 1, anterior.
del sustrato se representa como RN, y la porción C terminal, HN
como RC). Ϫ Ser 195

1. La extracción del protón hidroxilo CO CH2
de Ser por His 57 (un catalizador
básico) permite que el oxígeno N HO
nucleofílico resultante (un
catalizador covalente) ataque el CH2 O C O
carbono carbonilo del sustrato.

His 57 Asp 102 H RN

Ser 195 4. En el segundo intermediario
CH2 tetraédrico, His 57, ahora un
O CH2 catalizador ácido, dona un protón
al oxígeno de Ser, lo que
Ϫ ocasiona el colapso del
intermediario. Este paso es
C O H NϩN H O similar al paso 2, anterior.

CH2 RC N C OϪ

Asp 102 H RN

Intermediario tetraédrico His 57

H 2. El intermediario tetraédrico se Ser 195
RC N descompone cuando His 57, que CH2
ahora actúa como catalizador O CH2
H ácido, dona un protón al nitrógeno
del enlace peptídico escindible. Ϫ
Este paso escinde el enlace. Asp
102 promueve la reacción C O H NϩN H O
estabilizando His 57 mediante
enlaces de hidrógeno. CH2 O C OϪ

Asp 102 H RN

Intermediario tetraédrico

His 57 HO CO 5. La porción N terminal del sustrato
RN original, ahora con un nuevo extremo
CH2 Ser 195 C terminal, se difunde en el medio,
O HN lo que regenera la enzima.
CH2
Ϫ N O His 57

CO

CH2 C O CH2 Ser 195
HN
Asp 102 RN O CH2
HO
Intermediario acilo-coenzima Ϫ N

(intermediario covalente) CO

La pérdida de la porción C terminal del péptido escindido, CH2

con un extremo N terminal recién expuesto, deja la porción N Asp 102

terminal del sustrato (un grupo acilo) unido a la enzima. Este

complejo covalente relativamente estable se conoce como

intermediario acilo-enzima.

Figura 6-10. Mecanismo catalítico de la quimotripsina y otras serinproteasas.

Se piensa que los dos intermediarios tetraédricos semejan los estados de transición que
llevan hacia y desde el intermediario acilo-enzima.

166 | CAPÍTULO 6 Cómo funcionan las enzimas

Las funciones de Asp, His y Ser en la hidrólisis de enlaces peptídicos catalizada
por quimotripsina y otros miembros de la familia de las serinproteasas se han inves-
tigado mediante mutagénesis dirigida al sitio (véase sección 3-4). Si el Asp catalítico
se sustituye por otro residuo, la velocidad de hidrólisis del sustrato disminuye unas
5 000 veces. Al agregar un grupo metilo a la His por marcado químico (de modo que
no pueda aceptar un protón donado) tiene un efecto similar. Sustituir la Ser catalíti-
ca por otro residuo reduce la actividad catalítica alrededor de un millón de veces.
Resulta sorprendente el hecho de que sustituir los tres residuos catalíticos –Asp, His
y Ser– mediante mutagénesis dirigida al sitio no suprime por completo la actividad
de proteasa: la enzima modificada aún cataliza la hidrólisis de enlaces peptídicos con
velocidad de unas 50 000 veces mayor que la propia de la reacción no catalizada. Es
claro que la quimotripsina y sus parientes se basan en la catálisis ácido-base y la ca-
tálisis covalente realizadas por la tríada catalítica Asp–His–Ser, pero estas enzimas
deben tener mecanismos catalíticos adicionales que les permitan alcanzar velocida-
des de reacción 1011 veces más altas que la propia de la reacción no catalizada.

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Por qué una barrera de energía libre separa reactivos y productos en una

reacción química?
• ¿Cuál es la relación entre la altura de la barrera de energía de activación y la

velocidad de la reacción?
• ¿De qué manera una enzima reduce la energía de activación de una reacción?
• ¿Cómo pueden un ácido o una base acelerar una reacción?
• ¿Cómo acelera una reacción un catalizador covalente?
• ¿Por qué una reacción que procede por catálisis covalente debe tener dos estados

de transición?
• ¿De qué manera los iones metálicos aceleran reacciones químicas?
• ¿Cómo es posible identificar los residuos catalíticos de una enzima mediante

marcado químico?
• ¿Cuáles residuos constituyen la tríada catalítica de la quimotripsina?
• ¿Cómo participan estos residuos en la hidrólisis de enlaces peptídicos catalizada

por quimotripsina?

6-3. Propiedades únicas de los catalizadores enzimáticos

Si sólo algunos residuos de una enzima participan de manera directa en la catálisis (p. CONCEPTO CLAVE
ej., Asp, His y Ser en la quimotripsina), ¿por qué son tan grandes las enzimas? Una • La actividad catalítica de las
respuesta obvia es que los residuos catalíticos deben alinearse de manera precisa en el
sitio activo, de modo que se requiere cierta cantidad de estructura circundante para enzimas también depende de
mantenerlos en su lugar. En 1894, mucho antes de que se determinara la primera es- estabilización del estado de
tructura enzimática (y varios decenios antes de que se demostrara que las enzimas son transición, efectos de proximidad
proteínas), Emil Fischer observó la minuciosa especificidad de sustrato de las enzimas y orientación, ajuste inducido, y
y propuso que el sustrato se ajustaba a la enzima como una llave a su cerradura. catálisis electrostática.

Sin embargo, el modelo de cerradura y llave para la acción enzimática no expli- Véase figura animada. Efecto de la unión
ca el modo en que un sitio activo que recibe con ajuste perfecto los sustratos podría preferencial al estado de transición.
también dar cabida a los productos antes de que éstos se liberen de la enzima. De
hecho, las enzimas, como otras proteínas (véase sección 4-3), no son moléculas rígi-
das sino que pueden flexionarse cuando se unen a los sustratos. En algunos casos, la
enzima puede distorsionar físicamente el sustrato cuando se une, empujándolo de
manera literal a una conformación de mayor energía más cercana al estado de tran-
sición de la reacción. Las teorías actuales atribuyen gran parte del poder catalítico de
las enzimas a éstas y otras interacciones específicas entre enzimas y sus sustratos.

Las enzimas estabilizan el estado de transición

El modelo de cerradura y llave contiene no obstante una gran verdad, un principio
formulado originalmente por Linus Pauling en 1946. Él propuso que una enzima
incrementa la velocidad de reacción no uniéndose con fuerza a los sustratos, sino
uniéndose con fuerza al estado de transición de la reacción (esto es, los sustratos que

6-3 Propiedades únicas de los catalizadores enzimáticos | 167

Figura 6-11. Estabilización del His 57 Ser 195

estado de transición en el agujero (a) O CH2 NH C␣
Asp 102 CϪ O HN R N
oxianiónico. a) El sitio activo de la
quimotripsina se muestra con el agujero (b) CH2 N CH2 N Gly 193
oxianiónico en color. El carbono Asp 102 H OH
carbonilo del sustrato peptídico tiene
geometría trigonal, de modo que el O
oxígeno carbonilo no puede ocupar el CH
agujero oxianiónico. b) El ataque
nucleofílico por el oxígeno de Ser 195 R
en el grupo carbonilo del sustrato lleva a
un estado de transición, en el cual el His 57 Ser 195
carbono carbonilo asume una geometría
tetrahédrica. En este punto, el oxígeno O CH2 C␣
aniónico del sustrato (el oxianión) CϪ O H NϩN H N
puede entrar en el agujero oxianiónico,
donde forma enlaces de hidrógeno CH2 R CH2
(amarillo) con dos grupos esqueleto de N OH
la enzima. C OϪ H
H R
N Gly 193

His 57 N han sido forzados a asumir las estructuras de los productos). En otras palabras, la
llave unida de manera estrecha al modelo de cerradura y llave es el estado de transi-
CH2 ción, no el sustrato. En una enzima, la unión estrecha (estabilización) del estado de
O transición ocurre además de la catálisis ácido-base, covalente o por ion metálico. En
general, la estabilización del estado de transición se realiza a través de la estrecha
Ϫ complementariedad en forma y carga entre el sitio activo y el estado de transición.
Por tanto, una sustancia no reactiva que imita el estado de transición puede unirse
C OHN con fuerza a la enzima y bloquear su actividad catalítica (la inhibición enzimática se
expone con mayor detalle en la sección 7-3).

Al parecer la estabilización del estado de transición es una parte importante de la re-
acción de la quimotripsina. En este caso, los dos intermediarios tetraédricos, que se pa-
recen al estado de transición (figura 6-10), son estabilizados por medio de interacciones
que no ocurren en ningún otro punto de la reacción. Se piensa que el aumento de la
velocidad resulta de un incremento tanto en el número como en la fuerza de los enlaces
que se forman entre grupos de los sitios activos y el sustrato en el estado de transición.

Asp 102 CH2 1. Durante la formación del intermediario tetraédrico, el grupo peptídico plano del
sustrato cambia su geometría, y el oxígeno carbonilo, ahora un anión, se desplaza

a una cavidad antes desocupada cerca de la cadena lateral de Ser 195. En esta

His 57 cavidad, llamada agujero oxianiónico, el ion oxígeno del sustrato puede formar
dos nuevos enlaces de hidrógeno con los grupos NH del esqueleto de Ser 195 y

O CH2 H Gly 193 (figura 6-11). El grupo NH del esqueleto del residuo sustrato anterior
H NϩN al enlace escindible forma otro enlace de hidrógeno con Gly 193 (no se muestra
Ϫ en la figura 6-11). Así, el estado de transición se estabiliza (su energía disminuye)
mediante tres enlaces de hidrógeno que no pueden formarse cuando la enzima
CO

Asp 102 CH2 recién se une a su sustrato. El efecto estabilizador ejercido por estos tres nuevos
enlaces de hidrógeno podría explicar una parte significativa del poder catalítico
Figura 6-12. Formación de un enlace de la quimotripsina, dado que la energía de un enlace de hidrógeno estándar es
de hidrógeno de barrera baja de unos 20 kJ • mol–1 y la velocidad de reacción aumenta en un factor de 10 por
cada decremento en ΔG‡ de 5.7 kJ • mol–1.
durante la catálisis en la 2. Los estudios de RMN, que son capaces de identificar interacciones por puentes de
quimotripsina. El enlace de hidrógeno hidrógeno individuales, sugieren que el enlace de hidrógeno entre Asp 102 y His
Asp 102–His 57 se hace más corto y 57 se acorta durante la formación de los dos intermediarios tetraédricos (figura
fuerte, de modo que el protón del 6-12). Tal enlace se denomina enlace de hidrógeno de barrera baja porque el
imidazol es compartido por igual entre hidrógeno se comparte por igual entre los átomos donador y aceptor originales
el O de Asp y el N de His en un enlace
de hidrógeno de barrera baja.

168 | CAPÍTULO 6 Cómo funcionan las enzimas

Figura 6-13. Efectos de proximidad

y orientación en la catálisis. A fin de
reaccionar, dos grupos deben
aproximarse y chocar con la orientación
correcta. a) Los reactivos en solución
están separados en el espacio y tienen
movimientos de traslación y rotación
que deben ser superados. b) Cuando los
reactivos se unen a una enzima, su
movimiento es limitado, y son
mantenidos en estrecha proximidad y
con la alineación correcta para una
reacción productiva.

(a) (b)

(en un enlace de hidrógeno estándar, el protón aún “pertenece” al átomo do-
nador y existe una barrera de energía para su transferencia completa al átomo
aceptor). Un decremento en la longitud de enlace desde ~2.8 hasta ~2.5 Å al
formarse el enlace de hidrógeno de barrera baja se acompaña de un incremento
al triple o al cuádruple de la fuerza de enlace. El enlace de hidrogeno de barrera
baja que se forma durante la catálisis en la quimotripsina ayuda a estabilizar el
estado de transición y de este modo acelera la reacción.

La catálisis eficiente depende de efectos (a)
de proximidad y orientación

Las enzimas incrementan las velocidades de reacción colocando los grupos reac-
cionantes en estrecha proximidad, de manera que se incremente la frecuencia de
colisiones que pueden llevar a una reacción. Además, cuando los sustratos se unen
a una enzima, sus movimientos de traslación y rotación quedan “congelados”, de
modo que pueden orientarse de manera apropiada para la reacción (figura 6-13).
Es probable que los efectos de proximidad y orientación expliquen parte de la
actividad residual de la quimotripsina cuyos residuos catalíticos han sido modifi-
cados. Pese a todo, una enzima debe ser algo más que una plantilla para ensamblar
y alinear grupos reaccionantes.

El microambiente del sitio activo promueve la catálisis (b)

En casi todos los casos, el sitio activo de una enzima está un tanto aislado del Figura 6-14. Cambios
solvente, con sus residuos catalíticos en alguna clase de hendidura o bolsillo en la conformacionales en la hexocinasa.
superficie de la enzima. Al unirse a sus sustratos, algunas enzimas experimentan a) La enzima consiste en dos lóbulos
un pronunciado cambio de conformación de tal manera que rodean casi por com- conectados por una región de bisagra. El
pleto a los sustratos. Daniel Koshland et al., llamaron a este fenómeno ajuste in- sitio activo se localiza en una hendidura
ducido. Un ejemplo clásico es el caso de la hexocinasa, que cataliza la fosforilación entre los lóbulos. b) Cuando la glucosa
de glucosa por ATP (reacción 1 de la glucólisis; véase sección 13-1): (no se muestra) se une al sitio activo, los
lóbulos de la enzima se acercan entre sí,
HO CH2 H Ϫ2O3P O CH2 H encerrando la glucosa e impidiendo la
O ϩ ATP H O ϩ ADP entrada de agua. (Estructura de la hexocinasa

H OH hexocinasa H OH “abierta” (pdb 2YHX) determinada por T.A.
HO Steitz, C.M. Anderson y R.E. Stenkamp;
OH H OH H estructura de la hexocinasa “cerrada” (pdb
HO 1HKG) determinada por W.S. Bennett, Jr. y T.A.
Steitz).
H OH H OH

Glucosa Glucosa 6-fosfato

La enzima consta de dos lóbulos abisagrados con el sitio activo entre ellos (figura
6-14A). Cuando la hexocinasa se une a la glucosa, los lóbulos se acercan entre sí,
“encerrando” el azúcar (figura 6-14B). El resultado de la acción de bisagra es que el

6-3 Propiedades únicas de los catalizadores enzimáticos | 169

sustrato glucosa se coloca cerca del sustrato ATP de modo que un grupo fosforilo
puede transferirse con facilidad del ATP a un grupo hidroxilo del azúcar. Ni siquiera
una molécula de agua puede entrar en el sitio activo cerrado. Esto es benéfico, ya que
el agua en el sitio activo podría causar la hidrólisis dispendiosa de ATP:

ATP ϩ H2O ADP ϩ Pi
Una molécula de glucosa en solución está rodeada por moléculas de agua ordena-
das en una capa de hidratación (véase sección 2-1). Esas moléculas de agua deben
desprenderse para que la glucosa quepa en el sitio activo de una enzima como la
hexocinasa. Sin embargo, una vez que el sustrato desolvatado está en el sitio activo
de la enzima, la reacción puede proceder con rapidez porque no hay moléculas de agua
que interfieran. En solución, el reordenamiento de los enlaces de hidrógeno de las
moléculas de agua circundantes a medida que los reactivos se aproximan entre sí y
pasan por el estado de transición tiene un alto costo energético. Al secuestrar los
sustratos en el sitio activo, una enzima puede eliminar la barrera de energía impues-
ta por las moléculas de solvente ordenadas, con lo cual acelera la reacción.
Este fenómeno se describe algunas veces como catálisis electrostática, dado que
el sitio activo no acuoso permite interacciones electrostáticas más potentes entre la
enzima y sustrato de las que ocurrirían en solución acuosa (p. ej., un enlace de hi-
drógeno de barrera baja puede formarse en un sitio activo, pero no en presencia de
moléculas de solvente, que formarían enlaces de hidrógeno ordinarios).

REPASO DE CONCEPTOS
• ¿Cuáles son las funciones de los efectos de proximidad y orientación en la catálisis

enzimática?
• ¿Por qué la exclusión del agua de un sitio activo promueve la catálisis?
• ¿Por qué el modelo de cerradura y llave para la acción enzimática sólo es válido

en parte?
• ¿Cuál es el cometido del agujero oxianiónico en la quimotripsina?
• ¿De qué manera un enlace de hidrógeno de barrera baja promueve la catálisis?

6-4. Otras características de las enzimas

CONCEPTOS CLAVE La quimotripsina sirve como modelo para las estructuras y funciones de una gran
• La evolución ha producido varias familia de serinproteasas. Y como ocurre en el caso de mioglobina y hemoglobina
(véase sección 5-1), un vistazo de cerca a la quimotripsina revela algunas caracterís-
serinproteasas que difieren en ticas generales de la función enzimática, incluidas evolución, especificidad de sus-
estructura general y especificidad trato e inhibición.
de sustrato.
• Los zimógenos inactivos son No todas las serinproteasas están relacionadas
activados por proteólisis, y las por la evolución
proteasas activas son objeto de
inhibición. Las tres primeras proteasas que se examinaron en detalle fueron las enzimas digesti-
vas quimotripsina, tripsina y elastasa, con notable parecido de sus estructuras tridi-
mensionales (figura 6-15). Esto no era lo esperado con base en su limitada similitud
de secuencia (cuadro 6-3). Sin embargo, un examen cuidadoso reveló que la mayor
parte de la variación de secuencia ocurre en la superficie de la enzima, y las posicio-
nes de los residuos catalíticos en los tres sitios activos son virtualmente idénticas. Se
piensa que estas proteínas surgieron a partir de un ancestro común y han retenido su
estructura global y su mecanismo catalítico.

Figura 6-15. Estructuras de quimotripsina, tripsina y elastasa. Se muestran los
trazos superpuestos correspondientes a quimotripsina bovina (azul), tripsina bovina
(verde) y elastasa porcina (rojo) junto a las cadenas laterales de los residuos Asp, His y
Ser del sitio activo. (Estructura de la quimotripsina [pdb 4CHA] determinada por H. Tsudaka y D.M.

Blow; estructura de la tripsina [pdb 3PTN] determinada por J. Walker, W. Steigeman, T.P. Singh, H.

Bartunik, W. Bode y R. Huber; estructura de la elastasa (pdb 3EST) determinada por E.F. Moyer, G.

Cole, R. Radhakrishnan y O. Epp).

170 | CAPÍTULO 6 Cómo funcionan las enzimas