PROTENAS, ESTRUCTURA Y FUNCINLasprotenas, debidoasuimportancianutricional, sehanconvertidoenfocode estudio de los tecnlogos de alimentos en el mundo. La palabra protena significa ser primero, lo que indica la importancia de estos compuestos para la vida. Las protenas desempean un papel muy importante en lasfunciones biolgicas de los seres vivos. Mencionaremos slo algunas de ellas.Catlisisenzimtica. Casi todaslasreaccionesqumicasquesellevana caboenlasclulasvivasestncatalizadaspor macromolculasproteicas llamadas enzimas.Transporte. Muchos compuestos son transportados por protenas dentro de los organismos vivos. Un ejemplo clsico es el transporte de oxgeno por la hemoglobina.Estructurales. Muchasprotenasformanpartedel tejidoconectivodelos animales, como son la piel, elpelo y otros tejidos rgidos estructurales; por ejemplo, el colgeno, la elastina, la queratina. Constituyentes de la sangre. La sangre est constituida por distintas protenas que desempean funciones diversas.Hormonas. Algunas hormonas, como la insulina, estn constituidas por aminocidos. Proteccininmune. Losanticuerpossonprotenasaltamenteespecficas que reconocen a sustancias extraas, como virus y bacterias, proporcionando, de esta forma, proteccin a los organismos.Contraccinmuscular. Lacontraccinmuscular sellevaacaboconla participacin de protenas, co-mo la miosina y actina.Por su composicin, las protenas pueden ser:PROTENAS, ESTRUCTURA Y FUNCIN Conjugadas. Estn constituidas por un componente polipeptdico asociado a otro no peptdico que puede ser orgnico o inorgnico, al cual se le denomina grupoprosttico. Estegrupopuedeser uncarbohidratoyconstituyeuna glicoprotena; un ion metlico, que conforma una metaloprotena; una flavina, que origina una flavoprotena, etc.No conjugadas. Son protenas constituidas solamente por aminocidos.Por su solubilidad y forma, las protenas se clasifican en:Fibrosas. Estn constituidas por cadenas polipeptdicas largas y entrelazadas, formando una especie de cuerdas que integran hilos o filamentos plurimoleculares y, por lo general, son insolubles en agua. Estas protenas se encargan de la contraccin muscular y constituyen la estructura de los organismos.Globulares. Son protenas cuyas cadenas polipeptdicas estn curvadas sobres mismas, detal mane-raqueconstituyenestructurasmuchoms compactas que las fibrosas. Estas son, generalmente, ms solubles que las fibrosas, pero tambin son mucho ms delicadas.AminocidosLos aminocidos son los monmeros y principales constituyentes de las protenas. Un aminocido es un compuesto que tiene en su misma estructura un grupo carboxilo y un grupo amino. Todos los aminocidos constituyentes de protenas son -aminocidos porque los grupos carboxilo y amino se en-cuentran en el carbono alfa (C) de la molcula. La prolina es un -aminocido debido a que elgrupo amino interacciona y forma un anillo heterocclico. Con excepcin de la glicina, todos los -aminocidospresentanuncarbonoasimtricoy, por tanto, existenendosformas pticamenteactivas: ismeros Dy L, ensimilitudconlaestructuraqumicadel gliceraldehdo. Los aminocidos que tienen actividad biolgica son los de la configuracinL.Estructura de los aminocidosLos aminocidos tienen estructura tetradrica debido a que el carbono presenta una hibridacin sp3.C6 1s2, 2s2, 2px1, 2py1(estado basal)C6 1s 2, 2s1, 2px1, 2py1, 2pz1(estado excitado)C6 1s 2, 2(sp3)1, 2(sp3)1, 2(sp3)1, 2(sp3)1(estado hbrido) FIGURA2.1 Aminocidos y el efecto del pHEn solucin acuosa, los -aminocidos estn ionizados y forman lo que a veces se conoce como una sal interna o zwitterion: El grupo carboxilo pierde un protn quedando cargado negativamente, mientras queel grupoaminoadquiereuna cargapositivaal aceptarunprotn. Laproximidadinmediata delgrupo carboxilo algrupo amino propicia esta ionizacin y genera que losaminocidos tengan unmomentodipolar alto que hace que la mayora de ellos sean muy solubles en agua. Para cada aminocido y para la mayora de las protenas hay una concentracin peculiar de iones de hidrgeno cuando las cargas negativas estn exactamente balanceadas por cargas positivas. En dicho pH, conocido como punto isoelctrico, no semuevecuandoselessometeaelectroforesisyposeen entonces su solubilidad mnima. Ya que los aminocidos y las protenas aceptan fcilmente o liberan H+(dependiendo delpH de la solucin), actan como amortiguadores y tienen tendencia a resistir grandes cambios enel pHcuandouncidoseagregaoesremovidodeuna solucin. En clulas y en plasma sanguneo, las protenas desempean un papel vital en los cambios de pHal funcionar como amortiguadores, evitando que dichos cambios ocurran; esto es importante porque la actividad de algunas enzimas se afecta grandemente por el pH.Clasificacin de los aminocidosDe acuerdo con los grupos radicales, podemos clasificar los aminocidos como sigue:Aminocidos alifticosGlicina (Gly) Alanina (Ala) Valina (Val) Leucina (Leu) Isoleucina (Ile)Aminocidos con grupos hidroxilo o azufre en sus cadenasSerina (Ser)Cistena (Cys) Treonina (Thr)Metionina (Met)Aminocidos aromticosFenilalanina (Phe) Tirosina (Tyr)Triptfano (Trp)Aminocidos bsicos Histidina (His)Lisina (Lys) Arginina (Arg) Aminocidos cidos y sus amidas correspondientesAspartato (Asp) Glutamato (Glu) Asparragina (Ans) Glutamina (Gln)Iminocido Prolina (Pro)ProtenasLas protenas detodas las especies biolgicas, desdevirus, bacterias, hongos, vegetales, hasta el hombre, estn constituidas de solamente veinte aminocidos, cuya diversidad biolgica se debe alas combinaciones posibles de esa veintena de aminocidos.Aunacombinacin determinada deamino-cidos se le conoce como estructura primaria de una protena.Estos aminocidos se unen entre s por medio de enlaces peptdicos (el grupo - carboxilo de un aminocido se une con el- amino de otro aminocido) como se muestra:Enlace peptdico o amdicoEstascadenasdeaminocidosnopresentanramificacionesysusextremosson diferentes, tomndose el extremo amnico como el inicio de la cadena polipeptdica y el grupo carboxilo como el final.Si se observa, hay una secuencia que se repite constantemente: Esta secuencia repetitiva constituye la columna vertebral de una protena en donde los grupos R varan de acuerdo con el aminocido de que se trate.Por mediodetcnicasdedifraccinderayosXsehaencontradoqueel enlace peptdico C - N tiene carcter de doble enlace (40%), debido a la resonancia existente entre O - C - N. A causa de esta resonancia, el enlace C - N de las protenas es ms corto que en otros compuestos orgnicos e inorgnicos. Esto le da al enlace peptdico una rigidez y no puede rotar libremente. Losdipolos que se forman entreC= O y N - Hestn en posicintrans. Normalmente los en-laces peptdicos son de configuracin trans, ya que la cis es poco estable. EnlosCseobservaquelosradicalestambinestnenposicintrans, sobre todo si stos son muy voluminosos, lo que provocara un impedimento estrico. Loscuatrotomosdel enlacepeptdico(O=C-N-H)ylosdostomosdeC contiguos estn en un mismo plano espacial; en otras palabras, el enlace peptdico es coplanar. Estaordenacinplanar esrgidayesel resultadodelaestabilidaddel enlace peptdico a travs de su resonancia.Estructura de las protenasLas propiedades y caractersticas de las protenas, ya sean inmunolgicas, hormonales, enzimticas o nutritivas, dependen fundamentalmente de la conformacinenqueseencuentren; esdecir, paraqueunaprotenarealicesu funcinbiolgicaesnecesarioquetengaunaconformacinespecficaynica. La destruccin de dicha conformacin trae consigo la prdida de su actividad biolgica.1) Estructura primaria La estructura primariaest determinada por la secuencia de aminocidos; es decir, por el nmero, clasedeaminocidosypor el ordencomoestnenlazados. Las protenas ms frecuentes son cadenas lineales de 100 a 300 aminocidos, aunque algunas cadenas proteicas llegan a rebasar los 800, como la miosina o la fosforilasa.Los aminocidos de una secuencia se enumeran empezando por el extremo amnico libre, que es el mismo orden como se ensamblan durante la sntesis biolgica de las protenas.Lanaturalezaypropiedadesdelosaminocidosordenadosenla estructuraprimariacondicionalasestructurasdeordensuperior. Conocer la secuencia de aminocidos es importante porque nos permite determinar el mecanismo de accin de dicha protena. Se sabe tambin que la estructura tridimensionaldepende de las atracciones o repulsiones de los grupos radicales de los aminocidos que la constituyen y esto permite descubrir las leyes que rigen los plegamientosdelascadenaspolipeptdicas. Lasalteracionesenlasecuenciade aminocidos trae como consecuencia una protena con una estructura tridimensional diferente, lo que a su vez ocasiona una anomala en su funcin y esto se manifiesta como una enfermedad; por ejemplo, la anemia falciforme, la hemofilia o cualquiera otra de las enfermedades conocidas como errores innatos del metabolismo. La secuenciadeaminocidossededuceapartir delasecuenciadenucletidosque constituyen al RNA mensajero, el cual, a su vez, es transcrito a partir del DNA gnico que codifica la biosntesis de una protena. 2) Estructura secundaria La estructura secundaria se refiere a la posicin relativa de las cadenas polipeptdicas en el espacio, las cuales se estabilizan por medio de puentes de hidrgeno entre los aminocidos que la constituyen. En esta estructura se incluyen la -hlice,lmina plegada- , hlice de colgena, estructura al azar y el giro . -Hlice dextrgira. La gran mayora de las protenas tiende a formar hlices-en las que una vuelta completa de la hlice contiene aproximadamente 3.6 aminocidos, quedandolosradicalesorientadosenformaperpendicularhaciael exteriordel eje central. Las hlices presentan la menor energa libre y, por tanto, son las formas ms estables de estructura secundaria de una protena. Los carbonilos e iminos de losenlacespeptdicosdela -hlicetienenlacapacidaddeformar puentesde hidrgeno intramoleculares participando todos ellos.Estospuentesde hidrgenoson paralelos aleje delahlice y apesarde que su energa en forma individual es muy baja, su alto nmero en cada protena contribuye demaneraimportantealaestabilidaddelaestructura, por ellosedicequeson cooperativos. La -hlice se favorece y estabiliza por la presencia de los aminocidos alanina, leucina, fenilalanina, tirosina, triptfano, cistena, metionina, histidina, asparagina, glutamina y valina, mientras que la prolina y la hidroxiprolina, por tener su grupo amino constituyendo una estructura cclica, confiere rigidez, lo que impide la formacin de la -hlice.El segundo tipo de la estructura secundaria es la conformacin laminar-y se presenta en la familia de las protenas llamadas queratinas. En esta estructura cada cadena polipeptdica adopta una conformacin en zig-zag extendida, de talmanera que pueden existir varias molculas de protenas alineadas,paralela o antiparalelamente, produciendo lminas plegadas que se unen transversalmente por puentes de hidrgeno intermoleculares. Todos los enlaces peptdicos contribuyen a la formacindepuentesdehidrgeno, loqueledagranestabilidadaestetipode estructura.Los grupos radicales delosaminocidosselocalizan por encima o por debajo de los planos en zig-zag. Las cadenas polipeptdicas paralelas se desarrollan en direccin N terminal alC terminal, mientras que en la antiparalela las cadenas se extienden en direccin opuesta.Lmina antiparalelaLmina paralelaOtro tipo de estructura secundaria se presenta en las hlices de la colgena,una protena fibrosa y muy rgida que se encuentra abundantemente en el tejido conectivo de los animales superiores. Debido a su alto contenido de prolina e hidroxiprolina, la protena no adquiere la conformacin de -hlice, sino que forma una estructura que consiste en una triple hlice de cadenas polipeptdicas; cada una de las hlices es unacadenaenrolladahacialaizquierdaysemantienenunidaspor puentesde hidrgeno intermoleculares.El colgeno realiza una serie de funciones muy amplia, es la protena ms abundante enlamayoradelosvertebrados. Lasfibrasdecolgenoformanlamatrizdelos huesos sobre la que precipitan los constituyentes minerales, estas fibras constituyen lamayor partedelostendones. Bsicamenteel colgenomantieneunidosala mayora de los animales. La unidad bsica de la fibra de colgeno es la molcula de tropocolgeno una hlice triplede tres cadenas polopeptdicas, cada una de ellas con aproximadamente 1000 residuos. Las cadenas individuales son hlices a la izquierda con aproximadamente 3.3 residuos por vuelta. Tres de estas cadenas se enredan a la derecha unas alrededor de las otras. El examen del modelo revela que cada tercer residuo que debe encontrarse en el centrodelatriplehlicesolo puede ser glicina, esta formacin tambin resultafavorecidaporla presencia deprolina o hidroxiprolinaenlamolculade tropocolgeno. Un conjunto que se repite es Gly-X-Y donde X suele ser prolina e Y prolina o hidroxiprolina.Estructura al azar. Cuando no existen puentes de hidrgeno que restrinjan la librerotacindelacadena, laprotenapuedeadquirir conformacionesqueestn controladas por factores como tempe-ratura, pH, presencia de sales y la naturaleza del disolvente en que se encuentre. A la conformacin de las protenas en este estado de libertad se le designa al azar y normalmente se alcanza cuando hay un proceso de desnaturalizacin del polipptido. Giro . Los acodamientos en las protenas globulares ocurren por las inversionesenladirec-cindelascadenaspolipeptdicas. Dichasinversionesse deben a los giros .Estructura supersecundaria. En diferentes protenas globulares se observan asociaciones locales ti-picas, formadas por hojas plegadas (paralela o antiparalela), conectadas entre s mediante segmentos al azar o en -hlice. Estas asociaciones locales se denominan estructuras supersecundarias. Por ejemplo, en muchas protenasseencuentransegmentosdehojaplegada- separadosentres porun segmento -helicoidal; este grupo se denomina unidad . Las estructuras supersecundarias seconsiderancomo ordenamientosintermedios entre estructuras secundaria y terciaria, como se muestra en la figura. x Meandro Estructura de RossmanFIGURA2.3La mayora de las protenas no presentan un solo tipo de estructura secundaria, sino que contienen diferentes porcentajes de 2 3 de ellas en forma combinada. FIGURA2.23) Estructura terciariaLa estructura terciaria da cuenta de la conformacin global de la cadena polipeptdica. Esta estructura se refiere al modo como la cadena polipeptdica se curva o se pliega sobre s misma para formar una estructura compacta caracterstica de las protenas globulares. En las protenas fibrosas cada cadena peptdica tiene forma de hebra alargada. En muchas protenas, los aminocidos que componen esta hebra tienen estructura secundaria de -hlice dextrgira(miosina, -queratina delcabello),perola hebrapresentauna torsin longitudinal levgira que le permite trenzarse con otras hebras paralelas. Las fuerzasqueledanestabilidadalaestructuraterciariasonlosenlacesdisulfuro, fuerzasdeatraccinion-ionentrelascadenaslaterales, fuerzasdeatraccinion-dipolo, puentes de hidrgeno de los enla-ces peptdicos que ocurren en las regiones helicoidales y laminares, interacciones entre grupos prostticos, interacciones hidrofbicas einteracciones hidroflicas. Engeneral,estaestructuraseadopta espontneamente porque representa un mnimo de energa libre.4) Estructura cuaternariaLa estructura cuaternaria no existe en todos los polipptidos y se refiere a la asociacin de 2 o ms cadenas de protenas (monmeros) para integrar la protena completa. Esta asociacin resulta estable debido a la forma de los monmeros, que les permite encajar coordinadamente en un todo y a las fuer-zas que los mantiene unidos: hidrofbicas, polares, puentes de hidrgeno y puentes disulfuro.En las protenas fibrosas la estructura cuaternaria est constituida por la asociacindevariashebrasqueintegranunafibraosoga. As, lamiosinaola tropomiosina constan de dos hebras en -hlice enrolladas en una fibra levgira. La -queratina (fibrona de la seda) presenta varias hebras plegadas en hoja orientadas en forma antiparalela. El colgeno est formado por 3 hebras helicoidales levgiras, que se entrelazan para formar una fibra dextrgira. En las protenas globulares se asocian, en nmero discreto, varios monmeros que pueden ser idnticos, semejantes o diferentes. Por ejemplo, la hexocinasa de levadura consta de dos monmeros iguales que integran una unidad; las distintas hemoglobinas humanas la integran cuatro monmeros iguales 2 a 2. Ventajas de la estructura cuaternariaUnadelasfuncionesquepresentanalgunosoligmerosesladeregular algunas rutas metablicas por interconversin de las enzimas que catalizan dichas rutas entre estados asociados y disociados, que pueden ser activos o inactivos. Por ejemplo, la cinasa de las protenas, que regula la formacin del complejo de iniciacin de la traduccin, est constituida por un tetrmero inactivo R2C2 que se activa por medio del cAMP, como se muestra.Otro aspecto importante de las estructuras oligomricas es el de cooperatividad.La hemoglobina refleja un grado muy intenso de cooperatividad positiva, se sabe que cada interaccin de O2-hemo facilita la siguiente, conunfactor depromocindealrededor de400paralaltima molcula de oxgeno que se fija: Otra ventaja de la estructura oligomrica es lageneracin de formas hbridasdeunaprotena. Cuandolasdistintascadenaspolipeptdicasse asocian para formar un oligmero, hay ocasiones en las que stas se asocian en diferentes proporciones y forman estructuras oligomricas hbridas llamadas isoenzimas que catalizan la misma reaccin qumica, pero lo hacen en diferente magnitud o con diferente eficiencia; por ejemplo, la lactato deshidrogenasa(LDH) esuntetrmeroquepuedeexistir encincoformas hbridas: H4, H3L, H2L2, HL3 y L4. La unidad H predomina en corazn (Heart), la unidad L predomina en el hgado (Liver). Catalizan la reaccin, Asociaciones supramolecularesExistenasociacionesdemolculas proteicas concarcter indefinidoquenoson consideradascomopartculasdiscretas. Porejemplo, lafibrina; losmonmerosde esta protena se unen mediante enlaces covalentes y forman la red caracterstica del trombo o cogulo sanguneo. Otros ejemplos ms complejos incluyen asociaciones de protenas con otros tipos de biomolculas: con azcares en los proteoglicanos y los pptidoglicanos; con lpidos en las membranas biolgicas; con cidos nucleicos en los ribosomas, los virus o los nucleosomas.Enlasiguientepginaencontrarasunbancodedatosdeprotenascon49426 estructuras de protenas http://www.rcsb.org/pdb/Desnaturalizacin de las protenasLaconformacin original delas protenas globulares est sujeta a alteracionespor diversos agentes qumicos, fsicoso fisicoqumicos, sin que esto cambie la secuencia de aminocidos. Esta prdida de la conformacin original se llama desnaturalizacin y, generalmente, va acompaada de una prdida de la funcinoactividadbiolgica. Por estoesimportantemanejar adecuadamentelas protenas (enzi-mas): mantenerlas a una temperatura y pHconvenientes, evitar agitacin brusca, etc. Es preciso, por consiguiente, seguir estos pasos:Todas las manipulaciones deben efectuarse a baja temperatura para evitar la desnaturalizacin trmica.Las protenas deben almacenarse en congelamiento a temperaturas de -20 a -80 C.Deben utilizarse amortiguadores para mantener el carcter poli-inico de las protenas.Deben evitarse los manejos bruscos como las sacudidas.Enzimas. 3.1 Enzimas. Clasificacin y nomenclaturaLas enzimas son catalizadores formados por la clula, pero capaces de funcionar in vitrosi las condiciones son apropiadas. La mayora son de naturalezaproteica, aunquesehan encontradomolculasdeRNAque poseen actividades enzimticas llamadasribozimas(introngrupoI, intron grupo II, virus delta de hepatitis). Las molculas del sustrato se unen a un sitio particular en la superficie de laenzima, denominadositioactivo, donde tiene lugar la catlisis. La estructura tridimensional de este sitio activo, dondesolopuedeentrar un determinado sustrato (ni siquiera sus ismeros) es lo que determina la especificidad de las enzimas. El acoplamiento es tal que E. Fisher (1894) enunci: "elsustrato se adapta al centro activo o cataltico de una enzima como una llave a una cerradura". Reaccin catalizada por la Trifosfato Isomerasa Gliceraldehdo-3-Fosfato Intermediario Enediol o enediolatoDihidroxiacetona fosfato

A continuacin se muestra el sitio activo de la enzima Trifosfato Isomerasa Los estudioscristalogrficosdelaenzimadelevaduraindicanquelahistidina95est unidapordospuentesdehidrgenoal laDIHIDROXIACETONAFOSFATO, locual permite la protonacin del oxgeno carbonlico del GLICERALDEHDO-3-FOSFATO:Por otra parte, estudios de resonancia magntica nuclear (NRM) indican que estaHis 95estensuformaneutral imidazol envez delaformaimidazolio protonada. Pero, cmo un grupo imidazol N3-H, el cual tiene un pK altamente bsico de 14.0,protona a un oxgeno carboxlico que cuando se protona tiene un pK muy cido de