El término proteína deriva del griego "proteos" (lo primero, lo principal) y habla de su gran importancia para los seres vivos. La importancia de las proteínas es, en un primer análisis, cuantitativa: constituyen el 50% del peso seco de la célula (15% del peso total) por lo que representan la categoría de biomoléculas más abundante después del agua.
Sin embargo su gran importancia biológica reside, más que en su abundancia en la materia viva, en el elevado número de funciones biológicas que desempeñan, en su gran versatilidad funcional y sobre todo en la particular relación que las une con los ácidos nucleicos, ya que constituyen el vehículo habitual de expresión de la información genética contenida en éstos últimos.
Las proteínas son biomoléculas de elevado peso molecular (macromoléculas) y presentan una estructura química compleja. Sin embargo, cuando se someten a hidrólisis ácida, se descomponen en una serie de compuestos orgánicos sencillos de bajo peso molecular: los α-aminoácidos. Son macromoléculas, es decir, son polímeros complejos formados por la unión de unos pocos monómeros o sillares estructurales de bajo peso molecular. Existen 20 α-aminoácidos diferentes que forman parte de las proteínas (aminoácidos proteogénicos).
1. AMINOÁCIDOS
Los aminoácidos son compuestos orgánicos que poseen un grupo carboxilo y un grupo amino. En la naturaleza existen distintos tipos de aminoácidos que desempeñan diferentes funciones, sin embargo, los aminoácidos que forman parte de las proteínas son todos ellos α-aminoácidos (los β, γ, δ, etc, se denominan así según el C al que se una el grupo amino).
Existen 20 aminoácidos diferentes que forman parte de las proteínas. Todos ellos tienen una parte de su molécula en común (formada por el átomo de carbono α unido a los grupos amino y carboxilo) y difieren entre sí en la naturaleza de la cadena lateral (habitualmente llamada grupo R). Se distinguen los siguientes grupos:
a) Aminoácidos con grupo R no polar (alifáticos y aromáticos); insolubles en agua (hidrófobos). Su cadena R es de da naturaleza alifática (lineal) o con anillos aromáticos derivados del benceno.
b) Aminoácidos con grupo R polar sin carga. La cadena R es polar y termina en grupos como (-OH, -NH2,-SH) lo que les permite formar puentes de hidrógeno con el agua (hidrosolubles).
c) Aminoácidos con grupo R con carga negativa (ácidos). Su cadena R termina en un grupo -COOH, que puede ceder hidrogeniones y cargarse negativamente (según el pH del medio).
d) Aminoácidos con grupo R con carga positiva (básicos). Su cadena R termina en un grupo -NH2, que puede aceptar hidrogeniones y cargarse positivamente (según el pH del medio).
Se representan las fórmulas estructurales de los 20 aminoácidos presentes en las proteínas en las formas iónicas en las que aparecen a pH fisiológico. Todos los aminoácidos tienen, además de sus nombres sistemáticos, nombres simplificados apropiados para su uso común y una abreviatura de tres letras, que, en algunos casos, provienen de la fuente biológica de la cual fueron aislados inicialmente; así, la asparagina (Asn) se encontró por primera vez en el espárrago, el ácido glutámico (Glu) se aisló del gluten de trigo, la tirosina (Tyr) fue identificada en el queso (del griego tyros = queso), y la glicocola (Gly) debe su nombre a su sabor dulce (del griego glycos = dulce).
Los aminoácidos esenciales son los que nuestro cuerpo no puede sintetizar y por lo tanto, hay que ingerirlos en la dieta. Cuando un alimento contiene proteínas con todos los aminoácidos esenciales, se dice que son proteínas (o alimentos) de alta o de buena calidad (proteína animal). La lista incluye hasta 10 aminoácidos: fenilalanina (Phe), isoleucina (Ile), leucina (Leu), lisina (Lys), metionina (Met), treonina (Thr), triptófano (Trp), valina (Val), histidina (His) y arginina (Arg) condicionalmente, pues puede ser esencial en los niños muy pequeños ya que sus requerimientos son mayores que su capacidad para sintetizar este aminoácido.
1.1 Estereoisomería de los aminoácidos
Los aminoácidos son compuestos quirales. En todos ellos, con la única excepción de la glicocola o glicina (Gly), el átomo de carbono α (el contiguo al grupo carboxilo) es un carbono asimétrico, es decir, un átomo de carbono unido a cuatro sustituyentes distintos. Debido a esta circunstancia, cada aminoácido puede existir en dos formas estereoisómeras cada una de ellas con una diferente ordenación espacial de los cuatro sustituyentes que rodean, en disposición tetraédrica, al carbono α.
Estas dos formas estereoisómeras son además enantiómeros (imágenes especulares no superponibles una de la otra). La nomenclatura de las formas estereoisómeras de los aminoácidos se establece por convenio relacionando sus fórmulas en proyección de Fisher con la de un compuesto de referencia que es el gliceraldehido. Así, la forma D de un aminoácido es la que, en la fórmula en proyección de Fisher, tiene el grupo amino hacia la derecha, mientras que la forma L es la que lo tiene hacia la izquierda . Aunque existen en la naturaleza aminoácidos con configuración D que desempeñan diferentes funciones en las células, todos los aminoácidos presentes en las proteínas presentan configuración L.
Los aminoácidos, presentan actividad óptica, es decir, hacen girar en uno u otro sentido el plano de vibración de la luz polarizada. Así, algunos aminoácidos en disolución hacen girar dicho plano de vibración hacia la derecha, y se dice que son dextrógiros (+), mientras que otros lo hacen hacia la izquierda, y se dice que son levógiros (-). El carácter dextrógiro o levógiro de un α-aminoácido es independiente de la configuración D o L que presente.
1.2 Comportamiento ácido-base de los aminoácidos
Los aminoácidos son compuestos sólidos, cristalinos, que presentan un punto de fusión y una solubilidad en agua muy superior a lo que cabría esperar dado su peso molecular.
Los aminoácidos pueden comportarse como ácidos o como bases según el pH del medio; se dice que son sustancias anfóteras. En disoluciones acuosas neutras, los aminoácidos se encuentran ionizados, son iones dipolares o híbrido (se llama también zwitterión) pues el grupo carboxilo pierde un protón y se carga negativamente y el grupo amino gana un protón y se carga positivamente.
Si el medio acidifica, aumentará la concentración de protones y disminuye el pH. El aminoácido es una sustancia tampón que actuará amortiguando el cambio de pH. Por tanto, el grupo COO- capta un protón y pierde su carga negativa. El aminoácido queda cargado positivamente y se comporta como una base.
Por el contrario, si el medio se hace básico disminuirá la concentración de protones y aumenta el pH. En el aminoácido entonces el grupo NH3+ libera un protón y pierde su carga positiva, por tanto, el aminoácido queda cargado negativamente y actuará como ácido.
Existe un valor de pH llamado punto isoeléctrico (pI) para el cual el aminoácido está compensado eléctricamente (carga neta = 0). Este valor es una propiedad distintiva de cada aminoácido y nos sirve para aislarlos e identificarlos cuando hacemos una electroforesis.
Por otra parte, como ya hemos visto antes, algunos aminoácidos presentan cadenas laterales (R) con grupos funcionales que son potenciales dadores o aceptores de protones, y que por lo tanto también influyen de manera determinante en sus propiedades ácido-base.
El comportamiento ácido-base de los aminoácidos reviste una gran importancia biológica, ya que influye a su vez en las propiedades de las proteínas de las que forman parte.
2. Enlace peptídico
Los aminoácidos se enlazan para formar proteínas mediante el enlace peptídico. El enlace peptídico es una unión covalente tipo amida sustituida que se da al reaccionar el grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de otro aminoácido con desprendimiento de una molécula de agua.
Cuando dos aminoácidos reaccionan para formar un enlace peptídico el compuesto resultante recibe el nombre de dipéptido. Por ser el enlace peptídico una unión "cabeza-cola" (grupo amino con grupo carboxilo) un dipéptido conserva siempre un grupo amino libre, que puede reaccionar con el grupo carboxilo de otro aminoácido, y un grupo carboxilo libre, que puede reaccionar con el grupo amino de otro aminoácido (esto permite que se formen grandes cadenas de aminoácidos).
El enlace peptídico es un enlace muy fuerte y resistente que se comporta como un doble enlace (decimos que tiene carácter de doble enlace, aunque no lo sea). Esto implica que los átomos que participan en el enlace peptídico (C=O y H-N) se sitúen en el mismo plano y no permite el giro. Por esto la cadena semeja una sucesión de "placas" articuladas que solo pueden moverse por los Cα (lo que influye en la configuración tridimensional de los péptidos).
Dado que los cuatro átomos del enlace se sitúan en el mismo plano son posibles dos configuraciones, cis y trans. El O del grupo carbonilo y el H del grupo amino normalmente están en lados opuestos del enlace, es decir, en configuración trans, que se ve favorecida para evitar interacciones entre los átomos. De la misma forma los radicales también se sitúan en lados alternos.
Los péptidos se clasifican según el número de restos de aminoácidos que los forman. Así los péptidos formados por 2, 3, 4,.... aminoácidos se denominan respectivamente dipéptidos, tripéptidos, tetrapéptidos... En general cuando el número de aminoácidos implicados es menor o igual a 10 decimos que se trata de un oligopéptido, cuando es mayor que 10 decimos que se trata de un polipéptido. Es también frecuente el uso del la expresión cadena polipeptídica en lugar de polipéptido.
Cuando una cadena polipeptídica tiene más de 100 restos de aminoácidos decimos que se trata de una proteína. Sin embargo hay que tener en cuenta que existen proteínas, llamadas oligoméricas, que están formadas por varias cadenas polipeptídicas, por lo que los términos cadena polipeptídica y proteína no pueden considerarse sinónimos en todos los casos.
3. Oligopéptidos de interés biológico
Los oligopéptidos pueden ser definidos como pequeñas proteínas, y resultan de la unión de 2 a 10 aminoácidos. Entre los ej., más destacados se encuentran varias hormonas como la insulina, el glucagón, la oxitocina, la vasopresina y la β-endorfina. Los venenos extremadamente tóxicos producidos por algunas setas como Amanita phaloides también son péptidos, al igual que muchos antibióticos.
La insulina es una hormona de 51 aminoácidos, producida y secretada por las células β de los islotes de Langerhans del páncreas, interviene en el aprovechamiento metabólico de los nutrientes, sobre todo con el anabolismo de los glúcidos.
El glucagón, de 29 aminoácidos, actúa en el metabolismo del glucógeno liberando glucosas. Es sintetizado por las células α de los islotes de Langerhans del páncreas. Tienen un mecanismo de actuación antagónico a la insulina, cuando el nivel de glucosa disminuye es liberado a la sangre.
La oxitocina (del griego ὀξύς oxys "rápido" y τόκος tokos "nacimiento") y la vasopresina son hormonas del hipotálamo liberadas a la circulación a través de la neurohipófisis. Ambas actúan sobre la musculatura lisa, la primera provoca la contracción del útero en el parto y la segunda disminuye la luz de los vasos sanguíneos.
Las endorfinas son péptidos opioides endógenos que funcionan como neurotransmisores. Son producidas por la glándula pituitaria y el hipotálamo en vertebrados durante el ejercicio físico (también por excitación, el dolor, el consumo de alimentos picantes o de chocolate, el enamoramiento y el orgasmo) y son similares a los opiáceos en su efecto analgésico y en la sensación de bienestar que producen.
4. Conformación tridimensional de las proteínas
A la secuencia de aminoácidos única de cada proteína hay que añadir que, en las células vivas, las cadenas polipeptídicas de las proteínas no se encuentran extendidas ni plegadas al azar adoptando estructuras caprichosas o variables, sino que cada una de ellas se encuentra plegada de un modo característico, que es igual para todas las moléculas de una misma proteína, y que recibe el nombre de estructura o conformación tridimensional nativa de la proteína. Una clara evidencia en favor de esta idea la constituye el hecho de que las proteínas puedan cristalizar. Desde que en 1926 James Sumner consiguió obtener cristales del enzima ureasa, centenares de proteínas han sido obtenidas en estado cristalino.
El plegamiento de una cadena polipeptídica se realiza mediante rotaciones de los enlaces simples del esqueleto. Dado que el esqueleto de una cadena polipeptídica consta de centenares de enlaces simples, cabría esperar que dicha cadena pudiera adoptar un número elevadísimo de conformaciones diferentes. Sin embargo, existen una serie de restricciones a la libertad de giro de estos enlaces (la mayoría de ellas derivadas de la interacción de la cadena polipeptídica con las moléculas de agua que la rodean) las cuales determinan que sólo sea posible una conformación tridimensional estable.
La conformación tridimensional de una proteína es un hecho biológico de una gran complejidad: existen distintos niveles de plegamiento que se superponen unos a otros. Debido a ello, para sistematizar el conocimiento acerca de este fenómeno, se establecen una serie de niveles dentro de la estructura de la proteína que se conocen como estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.
4.1 Estructura primaria
La estructura primaria de una proteína es su secuencia de aminoácidos, es decir, vendría especificada por los aminoácidos que la forman y el orden de colocación de los mismos a lo largo de la cadena polipeptídica. La secuencia de aminoácidos de una proteína se escribe empezando por el extremo amino terminal y finalizando por el carboxi-terminal.
Las cadenas laterales o grupos R de los distintos restos aminoácidos, que no están implicadas en el enlace peptídico, surgen lateralmente hacia afuera de este esqueleto monótono.
Los estudios realizados acerca de la estructura primaria de proteínas procedentes de diferentes especies de seres vivos revelan que aquellas proteínas que desempeñan funciones similares en diferentes especies tienen secuencias de aminoácidos parecidas entre sí. Por otra parte, se ha comprobado que cuanto más emparentadas evolutivamente estén dos especies mayor es el grado de similitud entre las secuencias de aminoácidos de sus proteínas homólogas.
Con estos datos está claro que debe existir algún tipo de relación entre la secuencia de aminoácidos y la función de las proteínas. Además la estructura primaria es la que va a determinar cómo serán las estructuras de orden superior.
4.2 Estructura secundaria
La estructura secundaria de una proteína es el modo característico de plegarse la misma a lo largo de un eje. Es el primer nivel de plegamiento, en el que los distintos restos de aminoácidos se disponen de un modo ordenado y repetitivo siguiendo una determinada dirección. Se debe a la capacidad de rotación que tienen los enlaces del Cα de cada aminoácido.
En las proteínas fibrosas (aquéllas cuyas cadenas polipeptídicas están ordenadas formando largos filamentos u hojas planas) las estructuras primaria y secundaria especifican completamente la conformación tridimensional; estas proteínas no presentan por lo tanto niveles superiores de complejidad.
El análisis de la estructura secundaria de las proteínas fibrosas fue abordado inicialmente mediante la técnica de difracción de rayos X (basada en la capacidad de los átomos de difractar los rayos X en función de su tamaño). Esta técnica es aplicable al análisis de estructuras cristalinas, sin embargo, la microscopía electrónica reveló que las proteínas fibrosas presentaban estructuras repetitivas que eran susceptibles de análisis mediante esta técnica.
Los primeros análisis de difracción de rayos X de las queratinas, realizados por Willian Atsbury en la década de los años 30, proporcionaron datos acerca de estructuras que se repetían con una periodicidad fija a lo largo de sus cadenas polipeptídicas, siendo estas periodicidades diferentes según se tratase de α o de β-queratinas. Dado que las cadenas polipeptídicas extendidas no presentan estructuras repetitivas que puedan dar lugar a estas periodicidades, se concluyó que dichas cadenas debían encontrarse plegadas de un modo regular que era diferente en cada tipo de queratinas.
Por otra parte, aplicando la técnica DRX a pequeños péptidos (dos o tres residuos aminoácidos) en estado cristalino Pauling y Corey pudieron conocer la estructura íntima del enlace peptídico. Observaron que este enlace era ligeramente más corto de lo que sería un enlace simple C-N, lo que les permitió deducir que poseía un carácter parcial de doble enlace. Ello es debido a que el nitrógeno del grupo peptídico posee un orbital vacante que le permite compartir en resonancia un par de electrones del doble enlace C=O.
El carácter parcial de doble enlace impide que el enlace peptídico pueda girar sobre sí mismo; los cuatro átomos del grupo peptídico son coplanares, estando el oxígeno y el hidrógeno en posición trans.
Esta falta de libertad de giro supone una primera restricción en el número de conformaciones posibles de la cadena polipeptídica, que estaría entonces constituida por una serie de planos rígidos formados por los diferentes grupos peptídicos, los cuales podrían adoptar diferentes posiciones unos con respecto a otros mediante giros de los enlaces sencillos del Cα que flanquean cada uno de estos planos.
Pauling y Corey construyeron modelos moleculares de gran precisión (con bolas y varillas) hasta que encontraron unos que encajaban con los datos experimentales, es decir, hasta que encontraron modelos que, respetando las restricciones de giro del enlace peptídico, explicaban las periodicidades obtenidas. A la vista de estos modelos pudieron observar que no sólo eran posibles, sino que, de ser reales, presentarían una gran estabilidad, ya que todos los grupos peptídicos del esqueleto quedaban colocados en la relación geométrica adecuada para poder establecer puentes de hidrógeno entre ellos, circunstancia esta que proporcionaría una gran estabilidad a la estructura. Los modelos encontrados fueron denominados respectivamente hélice α y conformación en lámina β.
En la hélice-α el esqueleto de la cadena polipeptídica se encuentra arrollado de manera compacta alrededor del eje longitudinal de la molécula, y los grupos R de los distintos restos aminoácidos sobresalen de esta estructura helicoidal, que tiene forma de escalera de caracol.
Cada giro de la hélice abarca 3,6 residuos aminoácidos, ocupando unos 0,56 nm del eje longitudinal, lo que se corresponde con la periodicidad observada por la difracción con rayos X. El rasgo más sobresaliente de esta estructura es que todos los grupos peptídicos de los diferentes restos aminoácidos quedan enfrentados en la relación geométrica adecuada para formar puentes de hidrógeno entre sí; estos puentes se establecen entre el oxígeno del grupo carboxilo de cada residuo aminoácido y el hidrógeno del grupo amino que se encuentra cuatro residuos más allá en dirección carboxi-terminal (algo más de una vuelta completa de hélice). Así, cada vuelta sucesiva de la hélice α se mantiene unida a las vueltas adyacentes mediante varios puentes de hidrógeno intracatenarios que, actuando cooperativamente, proporcionan a la estructura una considerable estabilidad.
En la conformación en lámina β, también llamada hoja plegada, el esqueleto de la cadena polipeptídica se dispone en zig-zag con los grupos R de los distintos aminoácidos proyectándose alternativamente a uno y otro lado de dicho esqueleto. Muchas de estas cadenas colocadas paralelamente unas a otras forman una estructura que recuerda a una hoja de papel plegada, en la que los grupos R de los aminoácidos se encuentran sobresaliendo por ambas caras de dicha hoja. En este caso, los grupos peptídicos de los diferentes restos aminoácidos establecen puentes de hidrógeno con los de las cadenas vecinas (puentes de hidrógeno intercatenarios).
De forma más reciente se ha descrito una estructura secundaria diferente: la triple hélice de colágeno es una molécula con forma de varilla rígida larga y muy estrecha (1'5 Å de diámetro), que tiene una composición absolutamente inusual en la que dominan tres aminoácidos la prolina, la glicina y la hidroxiprolina. Esto origina una estructura constituida por tres cadenas polipeptídicas que se enrollan de modo similar a una hélice alfa pero más distendida y levógira. La unión entre las tres hebras se hace a través de puentes de hidrógeno de NH con los CO peptídicos entre las hebras.
En las proteínas globulares se han descubierto estructuras secundarias características de los puntos en que la cadena polipeptídica cambia abruptamente de dirección. Se les ha denominado giros o codos.
Los estudios realizados acerca de la estructura de cadenas polipeptídicas formadas por un solo tipo aminoácido (poliaminoácidos), así como diversas consideraciones teóricas (basadas en el tamaño o carga eléctrica de los grupos R de los distintos aminoácidos de una cadena), llevaron a la conclusión de que es la secuencia de aminoácidos, es decir, la estructura primaria, lo que determina el modo en que una cadena polipeptídica ha de plegarse a lo largo de un eje, es decir, su estructura secundaria. Es la naturaleza y posición de los grupos R a lo largo de la cadena, es decir, su secuencia, lo que propicia o impide el plegamiento según uno u otro modelo.
4.3 Estructura terciaria
Existen proteínas cuya conformación tridimensional no puede especificarse totalmente considerando sólo sus estructuras primaria y secundaria. Son las llamadas proteínas globulares cuyas cadenas polipeptídicas se hallan plegadas de un modo complejo formando arrollamientos globulares compactos que tienden a adoptar una forma aproximadamente esférica. La proteínas globulares son generalmente solubles en agua y desempeñan un gran número de funciones biológicas (por ejemplo los enzimas son proteínas globulares). Se conoce como estructura terciaria el modo característico de plegarse una cadena polipeptídica para formar un arrollamiento globular compacto.
Hay algunos autores que consideran que en las proteínas filamentosas o fibrosas la estructura terciaria es el resultado de que la estructura secundaria no se pliega y, por tanto, la proteína tiene forma alargada. Por ese motivo, son insolubles y realizan funciones estructurales, como la fibroína de la seda o el colágeno. Para otros autores las proteínas fibrosas no tienen estructura terciaria y consideran que solo tienen estructura secundaria.
El estudio de la estructura terciaria de las proteínas globulares se abordó también mediante la aplicación de la técnica de difracción de rayos X. La primera proteína cuya estructura terciaria fue conocida fue la mioglobina (una proteína que transporta oxígeno en el músculo). En ella se pueden apreciar ocho segmentos rectilíneos con estructura secundaria en hélice α separados por curvaturas sin estructura secundaria aparente. Alrededor del 70% de la cadena polipeptídica se encuentra en las regiones plegadas en hélice α. La molécula es muy compacta, sin apenas espacio para moléculas de agua en su interior. Los grupos R de residuos aminoácidos con carácter polar o iónico se proyectan hacia la periferia de la molécula, mientras que los de carácter no polar se encuentran enterrados en el interior de la misma, aislados del contacto con el agua. La estructura se encuentra estabilizada por diferentes tipos de interacciones débiles entre los grupos R de diferentes aminoácidos; estas interacciones son de largo alcance, afectando a grupos R de residuos aminoácidos que pueden ocupar posiciones muy alejadas en la cadena polipeptídica.
En los últimos años se ha podido descifrar la estructura terciaria de miles de proteínas globulares y se ha observado que la variedad de estructuras terciarias posibles es inmensa. Sin embargo se pueden hacer algunas generalizaciones interesantes para todas ellas:
a) La cadena polipeptídica está plegada de un modo muy compacto, sin apenas espacio para moléculas de agua en el interior del plegamiento.
b) Existen tramos rectilíneos que presentan estructura secundaria en hélice-α o en conformación β; en la mayoría de las proteínas estudiadas coexisten zonas con uno y otro tipo de estructura. Estos tramos están separados por curvaturas sin estructura secundaria aparente en unos casos o por codos β en otros. Las cantidades relativas que representan los diferentes tipos de estructura secundaria varían considerablemente de unas proteínas a otras.
c) Se han detectado agrupamientos estables de estructuras secundarias que dan lugar a motivos estructurales que se repiten en multitud de proteínas diferentes. Entre estos agrupamientos, denominados estructuras supersecundarias, cabe citar, la "silla β", el "haz de cuatro hélices", el"lazo βαβ" o el "sandwich ββ".
d) En algunas proteínas se han detectado dos o más regiones globulares densamente empaquetadas que se hallan conectadas entre sí por un corto tramo de cadena polipeptídica extendida o plegada en hélice α. Estas regiones globulares, denominadas dominios, presentan una gran estabilidad, y aparecen repetidas en muchas proteínas diferentes.
e) Los restos de aminoácidos con grupos R polares o con carga se proyectan hacia el exterior de la estructura, expuestos al contacto con las moléculas de agua.
f) Los restos de aminoácidos con grupos R no polares (hidrófobos) se encuentran en el interior de la estructura, aislados del contacto con el agua y ejerciendo interacciones hidrofóbicas entre sí.
Por otra parte se observó que en todas las proteínas estudiadas existe una serie de fuerzas intramoleculares que tienden a estabilizar la estructura terciaria. Estas fuerzas son de dos tipos:
a) Enlaces covalentes de puentes disulfuro entre los grupos -SH de los restos de cisteína.
b) Interacciones débiles entre los grupos R de distintos aminoácidos que ocupan posiciones muy distantes a lo largo de la cadena polipeptídica (puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, fuerzas de Van der Waals).
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Teniendo en cuenta que, en su estado nativo, las moléculas proteicas se encuentran en el seno del agua y que, por lo tanto, el plegamiento de la cadena polipeptídica será una respuesta a la interacción de los distintos grupos R (polares o no polares) con las moléculas de agua y que la posibilidad de que se establezcan interacciones que estabilicen la estructura entre los distintos grupos R a lo largo de la cadena polipeptídica dependerá de la naturaleza y posición de los mismos en la cadena parece claro que, al igual que sucede con la estructura secundaria, la estructura primaria determina la estructura terciaria de las proteínas globulares.
4.4 Estructura cuaternaria
Existen proteínas que están formadas por varias cadenas polipeptídicas: son las llamadas proteínas oligoméricas. En ellas, la proteína completa (oligómero) está formada por un número variable de subunidades o protómeros. Los oligómeros pueden ser dímeros, trímeros, tetrámeros, pentámeros, hexámeros...., según estén formados por 2, 3, 4, 5, 6.... protómeros. Los oligómeros más frecuentes están formados por un número par de cadenas polipeptídicas.
En estas proteínas las distintas subunidades están asociadas de un modo característico al que llamamos estructura cuaternaria.
El estudio de la estructura cuaternaria de las proteínas oligoméricas también fue abordado mediante la aplicación de la técnica de difracción de rayos X tras la obtención de las mismas en estado cristalino puro. En este caso la interpretación de los difractogramas de rayos X resultó tan compleja que algunos cristalógrafos de proteínas emplearon en este esfuerzo hasta 25 años de trabajo antes de poder publicar resultados.
La primera proteína cuya estructura cuaternaria se conoció fue la hemoglobina humana (la proteína encargada de transportar el oxígeno en la sangre).
También se pueden hacer algunas generalizaciones acerca de la estructura cuaternaria de algunas proteínas oligoméricas conocidas. En todas ellas:
a) Cada una de las subunidades o protómeros presenta una estructura terciaria determinada con rasgos similares a los de las proteínas globulares formadas por una sola cadena polipeptídica.
b) La estructura terciaria de las diferentes subunidades de una proteína oligomérica es muy semejante a la de proteínas globulares que desempeñan la misma o parecida función (la estructura terciaria de cada una de las subunidades de la hemoglobina es casi idéntica a la estructura terciaria de la mioglobina. Ambas proteínas desempeñan la función de transportar oxígeno, una en la sangre, la otra en el músculo. Se percibe pues una clara relación entre estructura y función.
c) Las distintas subunidades se encuentran asociadas de un modo característico, estableciéndose entre ellas puntos de contacto que son los mismos para todas las moléculas de una misma proteína. Estos puntos de contacto se ven estabilizados por interacciones débiles (puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones iónicas) entre los grupos R de determinados aminoácidos. También pueden establecer puentes disulfuro (más resistentes) como ocurre entre las dos cadenas ligeras y las dos pesadas de los anticuerpos, por ejemplo
Una ventaja selectiva de las subunidades de estructura cuaternaria es que se auto-ensamblan, por ej., los complejos enzimáticos, los microtúbulos y microfilamentos del citoesqueleto, las subunidades del ribosoma, o las partes de un virus. Una vez formados los monómeros, no se necesita gasto de energía ni una reacción metabólica adicional, por si solos forman estructuras de orden superior.
A la vista de estos resultados se dedujo que también en este caso es la naturaleza y posición de los grupos R de los distintos aminoácidos en las diferentes subunidades la que determina cuáles han de ser los puntos de contacto entre las mismas, y, por lo tanto, el modo característico de asociarse unas con otras, es decir, la estructura cuaternaria; los puntos de contacto vendrán dados por las posibilidades de formación de interacciones débiles del tipo de las citadas y éstas a su vez de la naturaleza y posición de los distintos grupos R. Deducimos, pues, que es la estructura primaria de las distintas subunidades la que determina la estructura cuaternaria de una proteína oligomérica.
Como conclusión podemos afirmar que la secuencia de aminoácidos (estructura primaria) contiene la información necesaria y suficiente para determinar la conformación tridimensional de una proteína a sus diferentes niveles de complejidad (estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria).
5. Desnaturalización de las proteínas
Se entiende por desnaturalización de una proteína la pérdida de la conformación tridimensional nativa de la misma, pérdida que suele ir acompañada de un descenso en la solubilidad y el precipitado de la proteína (las cadenas polipeptídicas de la proteína desnaturalizada se agregan unas a otras y forman un precipitado que se separa de la disolución).
Durante el proceso de desnaturalización se rompen las interacciones débiles que mantienen estable la conformación pero se mantienen los enlaces covalentes del esqueleto polipeptídico, es decir, se pierden las estructuras secundaria, terciaria y, en su caso, cuaternaria, pero permanece intacta la estructura primaria.
La desnaturalización puede ser provocada por diferentes causas o agentes desnaturalizantes de tipo físico o químico. Destacaremos dos de ellos (aunque puede ocurrir por otros motivos como alta salinidad, agitación molecular o alteraciones en la concentración):
a) Aumento de temperatura; los aumentos de temperatura provocan una mayor agitación molecular que hace que las interacciones débiles que mantienen estable la conformación de la proteína terminen por ceder con la consiguiente desnaturalización.
b) Alteración del pH; estas alteraciones causan variación en el grado de ionización de distintos grupos funcionales (carboxilo, amino, hidroxilo, etc.) implicados en interacciones débiles que estabilizan la conformación. Estas variaciones provocan la rotura de dichas interacciones (sobre todo enlaces iónicos y también puentes de hidrógeno) y por lo tanto la desnaturalización (debido a ello son tan importantes los tampones que mantienen estable el pH de los fluidos biológicos).
Si la desnaturalización ha sido lenta y progresiva es posible que la proteína vuelva a recuperar su estructura secundaria, terciaria y cuaternaria y, con ello, su función. A esto se le llama renaturalización.
6. Clasificación de las proteínas
Las proteínas se clasifican en dos clases principales atendiendo a su composición:
a) Las proteínas simples u holoproteínas son las que están compuestas exclusivamente por aminoácidos.
b) Las proteínas conjugadas o heteroproteínas son las que están compuestas por aminoácidos y otra sustancia de naturaleza no proteica que recibe el nombre de grupo prostético. Las proteínas conjugadas pueden a su vez clasificarse en función de la naturaleza de su grupo prostético. Así, se habla de glucoproteínas, lipoproteínas cuando es un lípido, metaloproteínas, fosfoproteínas, etc.
Otro criterio de clasificación de las proteínas es la forma tridimensional de su molécula:
a) Las proteínas fibrosas son de forma alargada, generalmente son insolubles en agua y suelen tener una función estructural
b) Las proteínas globulares forman arrollamientos compactos de forma globular y suelen tener funciones de naturaleza dinámica (catalíticas, de transporte, etc).
Desde un punto de vista funcional se distinguen:
a) Proteínas monoméricas: constan de una sola cadena polipeptídica, como la mioglobina.
b) Proteínas oligoméricas: constan de varias cadenas polipeptídicas. Las distintas cadenas polipeptídicas que componen una proteína oligomérica se llaman subunidades, y pueden ser iguales o distintas entre sí.
Como ya dijimos antes, dentro de las holoproteínas podemos distinguir entre:
1) PROTEÍNAS FIBROSAS (alargadas e insolubles en agua). Destacamos:
a) El colágeno es la proteína más abundante en vertebrados, llegando a un 25-35% del total de proteínas en mamíferos. Es una proteína extracelular que está organizada en fibras insolubles, con estructura de triple hélice. Ello es adecuado para la función del colágeno como componente que soporta la tensión en los tejidos conectivos o conjuntivos, tales como los huesos, los dientes, los cartílagos, los tendones, los ligamentos y las matrices fibrosas de la piel y de los vasos sanguíneos.
b) La elastina como su nombre indica es una proteína dotada de gran elasticidad, que le permite recuperar su forma tras la aplicación de una fuerza. Se encuentra en órganos sometidos a deformaciones reversibles como los pulmones, vasos sanguíneos y la dermis de la piel.
c) La queratina es una proteína que presenta un mayor porcentaje de cisteínas que otras proteínas, con lo que se pueden establecer puentes disulfuros lo que da mayor rigidez. Aparece formando parte del cabello, la lana, la piel, uñas...
d) La fibroína es la proteína que forma la seda de los insectos, arañas, etc., es tremendamente elástica y muy resistente.
e) La miosina es la proteína más abundante del músculo esquelético; es una proteína fibrosa, cuyos filamentos al unirse a la actina, permiten la contracción de los músculos. También interviene en la división celular y en el transporte de vesículas en la célula.
f) La fibrina: interviene en la coagulación sanguínea al unirse con las células sanguíneas formando una red o entramado insoluble. Esta proteína se obtiene a partir del fibrinógeno, una proteína sanguínea globular por la acción de una enzima llamada trombina se transforma en fibrina, que tiene efectos coagulantes.
2) PROTEÍNAS GLOBULARES (esféricas, solubles en agua). Destacamos
a) Las globulinas son las proteínas globulares de mayor tamaño de forma esférica. Hay muchos ejemplos importantes de globulinas (ver en heteroproteínas), como las α y β-globulinas de la hemoglobina, con función transportadora y las γ-globulinas o inmunoglobulinas que forman los anticuerpos, de función defensiva. Destacan como componentes importantes del plasma sanguíneo.
b) Las albúminas tienen funciones de reserva de aminoácidos como la lactoalbúmina de la leche, la ovoalbúmina del huevo. También pueden ser transportadoras, como la seroalbúmina de la sangre, que ayuda a controlar la presión osmótica. Bajas concentraciones de seroalbumina indican malnutrición, inflamación, y enfermedades graves de hígado o riñón.
c) Las histonas son proteínas que se asocian con el ADN formando la cromatina y los cromosomas, tienen un importante papel en la regulación genética.
d) La actina junto con la miosina es responsable de la contracción muscular. Los microfilamentos de actina forman parte del citoesqueleto de las células eucariotas.
La mayor parte de las proteínas cuando son funcionales no son homoproteínas sino heteroproteínas. Se clasifican según su grupo prostético o parte no proteica en:
a) Las glucoproteínas, llevan un glúcido como grupo prostético, como ej., destacan las glucoproteínas de la membrana con función de reconocimiento, el fibrinógeno, las γ globulinas o inmunoglobulinas y las mucoproteínas o proteoglucanos.
b) Las lipoproteínas llevan un lípido como grupo prostético, los más conocidos son las lipoproteínas transportadoras de la sangre como HDL y LDL (vistas el tema anterior).
c) Las nucleoproteínas son complejos entre ácidos nucleicos y proteínas básicas como la unión histonas - ADN que veremos en el tema 6.
d) Las fosfoproteínas cuyo grupo prostético es un grupo fosfato, se caracterizan por ser proteínas de alta calidad, por ejemplo, la caseína de la leche o la vitelina de la yema de huevo.
e) Las cromoproteínas llevan en su grupo prostético un pigmento. Se clasifican en dos grupos según posean o no en su estructura la porfirina. La porfirina es un anillo tetrapirrólico, es decir con cuatro grupos pirrol formando una estructura cerrada, en cuyo centro hay un catión metálico (letra M). Si el catión es el ion ferroso (Fe+2), la porfirina se llama grupo hemo.
Entre las cromoproteínas porfirínicas destacan la hemoglobina que trasporta oxígeno en la sangre, la mioglobina que transporta oxígeno en el músculo, los citocromos y el anillo de la clorofila que lleva Mg2+ en vez de Fe2+.
Hay otras cromoproteínas de naturaleza no porfirínica, por ejemplo, la hemocianina que es un pigmento azulado que lleva cobre y transporta oxígeno en algunos invertebrados; y la rodopsina presente en las células de la retina, esta proteína es imprescindible para realizar el proceso visual ya que es una molécula que capta luz.
7. Funciones de las proteínas. Relación entre estructura y función.
Las proteínas son las macromoléculas más versátiles de cuantas existen en la materia viva: desempeñan un elevado número de funciones biológicas diferentes. Cada proteína está especializada en llevar a cabo una determinada función.
La función de una proteína depende de la interacción de la misma con una molécula a la que llamamos ligando (en el caso particular de los enzimas el ligando recibe el nombre de sustrato). El ligando es específico de cada proteína. A su vez, la interacción entre proteína y ligando reside en un principio de complementariedad estructural: el ligando debe encajar en un hueco existente en la superficie de la proteína (el centro activo) tal y como lo haría una llave en una cerradura. Sólo aquel o aquellos ligandos capaces de acoplarse en el centro activo de la proteína serán susceptibles de interactuar con ella.
Hay que tener en cuenta que este acoplamiento no es meramente espacial, sino que la proteína "ve" en su ligando, además de la forma, la distribución de cargas eléctricas, sus distintos grupos funcionales, y, en general, las posibilidades de establecer interacciones débiles con él a través de los grupos R de los aminoácidos que rodean el centro activo (el ligando "atraca" en el centro activo como lo haría un barco en un muelle, se establecen entre ambos "amarras" en forma de interacciones débiles que hacen más estable la asociación).
De lo anteriormente expuesto es fácil deducir que para que una proteína desempeñe su función biológica debe permanecer intacta su conformación tridimensional nativa (ESPECIFICIDAD). Si se pierde dicha conformación, y por lo tanto se altera la estructura del centro activo, ya no habrá acoplamiento entre proteína y ligando (no se "reconocerán") y la interacción entre ambos, de la que depende la función, ya no tendrá lugar. Como corolario de este razonamiento podemos afirmar que la función biológica de una proteína depende de su conformación tridimensional.
Las principales funciones de las proteínas son:
a) Enzimas; la gran mayoría de las reacciones metabólicas tienen lugar gracias a la presencia de un catalizador de naturaleza proteica específico para cada reacción. Estos biocatalizadores reciben el nombre de enzimas. Los catalizadores disminuyen la energía de activación de una reacción química acelerándolas (hasta millones de veces) y posibilitando que se produzcan a temperaturas bajas.
Las enzimas no sufren ninguna alteración en las reacciones químicas. Las moléculas sobre las que actúan se denominan sustratos y las moléculas resultantes de la reacción productos. Las enzimas son muy específicas y solo pueden catalizar una reacción determinada pues solo pueden actuar sobre un sustrato determinado.
b) Hormonas; son sustancias producidas por una célula y que una vez secretadas ejercen su acción sobre otras células dotadas de un receptor adecuado. Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la hipófisis como la hormona del crecimiento, o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio).
c) Reconocimiento celular; la superficie celular alberga un gran número de proteínas encargadas del reconocimiento de señales químicas de muy diverso tipo. Existen receptores hormonales, de neurotransmisores, de anticuerpos, de virus, de bacterias, etc. En muchos casos, los ligandos que reconoce el receptor (hormonas y neurotransmisores) son, a su vez, de naturaleza proteica.
d) Transporte; en los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte, bien para llevar una molécula hidrofóbica a través de un medio acuoso (transporte de oxígeno o lípidos a través de la sangre) o bien para transportar moléculas polares a través de barreras hidrofóbicas (transporte a través de la membrana plasmática). Los transportadores biológicos son siempre proteínas.
e) Estructural; las células poseen un citoesqueleto de naturaleza proteica que constituye un armazón alrededor del cual se organizan todos sus componentes, y que dirige fenómenos tan importantes como el transporte intracelular o la división celular. En los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colágeno forman parte importante de la matriz extracelular y son las encargadas de conferir resistencia mecánica tanto a la tracción como a la compresión.
f) Defensiva; en los vertebrados superiores, las inmunoglobulinas o anticuerpos se encargan de reconocer moléculas u organismos extraños y se unen a ellos para facilitar su destrucción por las células del sistema inmunitario.
g) Movimiento; todas las funciones de motilidad de los seres vivos están relacionadas con las proteínas. Así, la contracción del músculo resulta de la interacción entre dos proteínas, la actina y la miosina.
h) Reserva; la ovoalbúmina de la clara de huevo, la lactoalbúmina de la leche, la gliadina del grano de trigo y la hordeína de la cebada, constituyen una reserva de aminoácidos para el futuro desarrollo del embrión.
i) Reguladora; muchas proteínas se unen al ADN y de esta forma controlan la transcripción génica. Las distintas fases del ciclo celular son el resultado de un complejo mecanismo de regulación desempeñado por proteínas como la ciclina.
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