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P R O T E Í N A S ¿Qué son?

Las proteínas son sustancias complejas formadas necesariamente por los

elementos: C, H, O, N, S y en algunos casos fósforo. Son de alto peso molecular,

forman dispersiones coloidales y están compuestas por L-alfa-aminoácidos en

enlace peptídico, arreglados en secuencia lineal que se arrolla después para

constituir cuatro niveles estructurales.

Las proteínas se encuentran presentes en todas las estructuras de la célula y son

las moléculas más activas en la vida celular.

Una de las funciones más relevantes de las proteínas es constituir la parte

fundamental de las enzimas, los principales catalizadores de las células.

Así como las proteínas forman parte de todas las estructuras celulares participan

también como agentes activos en todas las funciones de la célula y del organismo.

Así por ejemplo las proteínas funcionan en los diferentes tipos de trabajo de las

células: químico, mecánico, osmótico y eléctrico.

Por ejemplo: el trabajo químico de todas las reacciones celulares; el trabajo

mecánico de la contracción muscular; el trabajo osmótico que mediante el

transporte activo permite la entrada y salida de metabolitos en la célula viva; y el

trabajo eléctrico que es muy evidente en la conducción nerviosa y en los

fenómenos de percepción y sensibilidad como el dolor, la temperatura, la luz, el

equilibrio corporal y los fenómenos eléctricos del pensamiento.

Las proteínas funcionan también como hormonas -mensajeros químicos entre las

células- de suerte que varias de las hormonas son de naturaleza proteica, por

ejemplo: la insulina, el glucagón, la hormona adrenocorticotrófica y demás

hormonas tróficas de la hipófisis: tirotropina, luteinizante, prolactina, hormona del

crecimiento; así como los factores liberadores del hipotálamo.

A nivel del organismo las proteínas tienen también una importante función

nutricional, formando el principal ingreso nitrogenado del organismo.

Las proteínas membranales se ocupan además de servir como marcadores de la

individualidad celular, se ocupan de realizar los principales tipos de transporte

activo y pasivo de la célula: difusión facilitada, uniporte, simporte y antiporte.

Las proteínas funcionan prominentemente como acarreadores de diferentes tipos

de sustancias: el oxígeno es llevado por la hemoglobina, el cobre por la

ceruroplasmina, el fierro por la siderofilina, los ácidos grasos por la albúmina que

también lleva los pigmentos biliares, los lípidos por las lipoproteínas, etcétera.

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las proteínas participan en los sistemas de defensa del organismo funcionando

como anticuerpos: inmunoglobulinas G, M, A, D y E; y también formando todos los

componentes del complemento.

ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS.

A primera vista podría pensarse en las proteínas como polímeros lineales de AA unidos entre sí por medio de enlaces peptídicos. Sin embargo, la secuencia lineal de AA puede adoptar múltiples conformaciones en el espacio. La estructura primaria viene determinada por la secuencia de AA en la cadena proteica, es decir, el número de AA presentes y el orden en que están enlazados. La conformación espacial de una proteína se analiza en términos de estructura secundaria y estructura terciaria. La asociación de varias cadenas polipeptídicas origina un nivel superior de organización, la llamada estructura cuaternaria. Por último, la asociación de proteínas con otros tipos de biomoléculas para formar asociaciones supramoleculares con carácter permanente da lugar a la estructura quinaria.

ESTRUCTURA PRIMARIA.

La estructura primaria viene determinada por la secuencia de AA en la cadena proteica, es decir, el número de AA presentes y el orden en que están enlazados (Figura de la derecha). Las posibilidades de estructuración a nivel primario son prácticamente ilimitadas. Como en casi todas las proteínas existen 20 AA diferentes, el número de estructuras posibles viene dado por las variaciones con repetición de 20 elementos tomados de n en n, siendo n el número de AA que componen la molécula proteica.

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Como consecuencia del establecimiento de enlaces peptídicos entre los distintos AA que forman la proteína se origina una cadena principal o "esqueleto" a partir del cual emergen las cadenas laterales de los AA (Átomos sombreados en la Figura de la derecha).Los átomos que componen la cadena principal de la proteína son el N del grupo amino (condensado con el AA precedente), el Ca (a partir del cual emerge la cadena lateral) y el C del grupo carboxilo (que se condensa con el AA siguiente). Por lo tanto, la unidad repetitiva básica que aparece en la cadena principal de una proteína es: (-NH-Ca-CO-) Generalmente, el número de AA que forman una proteína oscila entre 80 y 300.

Los enlaces que participan en la estructura primaria de una proteína son

covalentes: son los enlaces peptídicos. El enlace peptídico (Figura de la izquierda)

es un enlace amida que se forma entre el grupo carboxilo de una AA con el grupo

amino de otro, con eliminación de una molécula de agua. Independientemente de

la longitud de la cadena polipeptídica, siempre hay un extremo amino terminal y un

extremo carboxilo terminal que permanecen intactos. Por convención, la secuencia

de una proteína se lee siempre a partir de su extremo amino (Figura superior).

Como consecuencia del establecimiento de enlaces peptídicos entre los distintos AA que forman la proteína se origina una cadena principal o "esqueleto" a partir del cual emergen las cadenas laterales de los AA (Átomos sombreados en la Figura de la derecha).Los átomos que componen la cadena principal de la proteína son el N del grupo amino (condensado con el AA precedente), el Ca (a partir del cual emerge la cadena lateral) y el C del grupo carboxilo (que se condensa con el AA siguiente). Por lo tanto, la unidad repetitiva básica que aparece en la cadena principal de una proteína es: (-NH-Ca-CO-)

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Como la estructura primaria es la que determina los niveles superiores de

organización, el conocimiento de la secuencia de AA es del mayor interés para el

estudio de la estructura y función de una proteína. Clásicamente, la secuenciación

de una proteína se realiza mediante métodos químicos. El método más utilizado

es el de Edman, que utiliza el fenilisotiocianato para marcar la proteína

(representado en la Figura de la izquierda como un triángulo) e iniciar una serie de

reacciones cíclicas que permiten identificar cada AA de la secuencia empezando

por el extremo amino. Hoy en día esta serie de reacciones las realiza de forma

automática un aparato llamado secuenciador de AA.

ESTRUCTURA SECUNDARIA.

La estructura secundaria es el plegamiento que la cadena polipeptídica adopta

gracias a la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos que forman el

enlace peptídico. Los puentes de hidrógeno (en color verde en la figura inferior) se

establecen entre los grupos -CO- y -NH- del enlace peptídico (el primero como

aceptor de H, y el segundo como donador de H). De esta forma, la cadena

polipeptídica es capaz de adoptar conformaciones de menor energía libre, y por

tanto, más estables.

Se pueden distinguir varios tipos de conformaciones que determinan la estructura

secundaria de una proteína:

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CONFORMACIÓN AL AZAR

En algunas proteínas, o en ciertas regiones de la misma, no existen interacciones

de suficiente consideración como para que se pueda distinguir un nivel de

organización superior a la estructura primaria. En estos casos se habla de la

conformación al azar.

HELICE a

Cuando la cadena principal o esqueleto de un polipéptido se pliega en el espacio

en forma dehelicoide dextrógiro se adopta una conformación

denominada hélice a Esta estructura es periódica y en ella cada enlace peptídico

puede establecer dos puentes de hidrógeno. Un puente de hidrógeno se forma

entre el grupo -NH- del enlace peptídico del AA en posición n y el grupo -CO- del

enlace peptídico del AA situado en posición n-4. El otro puente de hidrógeno se

forma entre el grupo -CO- del enlace peptídico del AA en posición n y el grupo -

NH- del enlace peptídico del AA situado en posición n+4. Cada vuelta de la hélice

implica 3,6 AA, con una translación media por residuo de 0,15 nm, lo que indica

que la hélice tiene un paso de rosca de 0,54 nm. Dicho con otras palabras, una

vuelta completa de la hélice arepresenta una distancia de 0,54 nm y contiene 3,6

residuos de A.

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Las cadenas laterales de los AA se sitúan en la parte externa del helicoide, lo que

evita problemas de impedimentos estéricos .Los AA alanina, glutamina, leucina y

metionina se encuentran frecuentemente formando parte de hélices a, mientras

que la prolina, glicina, tirosina y serina no. De hecho, la prolina se considera un

terminador de la hélice (Figura de la derecha) ya que su Ca no tiene libertad de

giro, y al estar integrado en un anillo, interfiere en la formación de puentes de

hidrógeno. Los AA muy polares (Lys, Glu) también desestabilizan la

hélice a porque los enlaces de hidrógeno pierden importancia frente a las

interacciones electrostáticas de atracción o repulsión. Por este motivo, la

estructura en hélice a es la que predomina a valores de pH en los que los grupos

ionizables no están cargados. En caso contrario, adoptan la conformación al

azar.

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GIROS B

Secuencias de la cadena polipeptídica con estructura a o b a menudo están

conectadas entre sí por medio de los llamados giros b(Figura de la derecha, en

color blanco). Son secuencias cortas, con una conformación característica que

impone un brusco giro de 180oa la cadena principal de un polipéptido.

AA como Asn, Gly y Pro (que se acomodan mal en estructuras de tipo a o b) aparecen con frecuencia en este tipo de estructura.

La conformación de los giros b está estabilizada generalmente por medio de un

puente de hidrógeno entre los residuos 1 y 4 del giro b. En la Figura de la derecha

no se representan los átomos de hidrógeno.

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ESTRUCTURA TERCIARIA.

Se llama estructura terciaria a la disposición tridimensional de todos los átomos que componen la proteína, concepto equiparable al de conformación absoluta en otras moléculas. La estructura terciaria de una proteína es la responsable directa de sus propiedades biológicas, ya que la disposición espacial de los distintos grupos funcionales determina su interacción con los diversos ligandos. Para las proteínas que constan de una sola cadena polipeptídica (carecen de estructura cuaternaria), la estructura terciaria es la máxima información estructural que se puede obtener. La Figura de la derecha corresponde a la proteína triosafosfato isómeras. La estructura terciaria es una disposición precisa y única en el espacio, y surge a medida que se sintetiza la proteína. En otras palabras, la estructura terciaria está determinada por la secuencia de AA (estructura primaria).

Se distinguen dos tipos de estructura terciaria:

Proteínas con estructura terciaria de tipo fibroso en las que una de las dimensiones es mucho mayor que las otras dos. Son ejemplos el colágeno (Figura inferior izquierda), la queratina del cabello o la fibroína de la seda), En este caso, los elementos de estructura secundaria (hélices au hojas b) pueden mantener su ordenamiento sin recurrir a grandes modificaciones, tan sólo introduciendo ligeras torsiones longitudinales, como en las hebras de una cuerda.

Proteínas con estructura terciaria de tipo globular, más frecuentes, en las que no existe una dimensión que predomine sobre las demás, y su forma es aproximadamente esférica. En este tipo de estructuras se suceden regiones con estructuras al azar, hélice a hoja b, acodamientos y estructuras supersecundarias. La figura inferior de la derecha corresponde a la mioglobina.

Las fuerzas que estabilizan la estructura terciaria de una proteína se establecen entre las distintas cadenas laterales de los AA que la componen. Los enlaces propios de la estructura terciaria pueden ser de dos tipos: covalentes y no covalentes (Figura de la

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derecha).

Los enlaces covalentes pueden deberse a (1) la formación de unpuente desulfuro entre dos cadenas laterales de Cys, o a (2) la formación de un enlace amida (-CO-NH-) entre las cadenas laterales de la Lys y un AA dicarboxílico (Glu o Asp).

Los enlaces no covalentes pueden ser de cuatro tipos: (1) fuerzas

electrostáticas entre cadenas laterales ionizadas, con cargas de signo opuesto,

(2) puentes de hidrógeno, entre las cadenas laterales de AA polares

(3) interacciones hidrofóbicas entre cadenas laterales apolares y (4)fuerzas de

polaridad debidas a interacciones dipolo-dipolo

Como resultado de estas interacciones, en las proteínas con estructura terciaria globular:

las cadenas laterales con carácter apolar se orientan hacia el interior de la molécula evitando las interacciones con el disolvente, y forman un núcleo compacto con carácter hidrofóbico (en color azul en la figura de la derecha).

las cadenas laterales de los aminoácidos polares se localizan en la superficie de la molécula, interaccionando con el agua y permitiendo que la proteína permanezca en disolución (en color blanco en la figura de la derecha).

No todas estas interacciones contribuyen por igual al mantenimiento de la estructura terciaria. Obviamente, el enlace que aporta más estabilidad es el de tipo covalente, y entre los no covalentes, las interacciones más importantes son las de tipo hidrofóbico, ya que exigen una gran proximidad entre los grupo apolares de los AA.

Cuando desaparecen estas interacciones la estructura terciaria de una proteína se desestabiliza y pierde su estructura tridimensional característica de manera que pierde su función y, a menudo precipita. Este fenómeno se conoce con el nombre de desnaturalización.

Existen regiones diferenciadas dentro de la estructura terciaria de las proteínas

que actúan como unidades autónomas de plegamiento y/o desnaturalización de

las proteínas. Estas regiones constituyen un nivel estructural intermedio entre las

estructuras secundaria y terciaria reciben el nombre de dominios. Los dominios se

pliegan por separado a medida que se sintetiza la cadena polipeptídica. Es la

asociación de los distintos dominios la que origina la estructura terciaria. La Figura

de la derecha corresponde a la proteínapiruvato quinasa, que consta de 4

dominios, cada uno representado de un color. La pérdida total o parcial de los

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niveles de estructuración superiores al primario recibe el nombre

de desnaturalización, que puede ser reversible o irreversible.

ESTRUCTURA CUATERNARIA.

Cuando una proteína consta de más de una cadena polipeptídica, es decir, cuando se trata de una proteína oligomérica, decimos que tiene estructura cuaternaria. La estructura cuaternaria debe considerar: (1) el número y la naturaleza de las distintas subunidades o monómeros que integran el oligómero y (2) la forma en que se asocian en el espacio para dar lugar al oligómero. La figura de la derecha corresponde a la hemoglobina.

En proteínas con estructura terciaria de tipo fibroso, la estructura cuaternaria resulta de la asociación de varias hebras para formar una fibra o soga. La miosina o la tropomiosina constan de dos hebras con orientadas de forma antiparalela. Estructura de hélice a enrolladas en una fibra levógira. La a-queratina del cabello y el fibrinógeno de la sangre presentan tres hebras en cada fibra levógira. El colágeno consta de tres hebras helicoidales levógiras que forman una fibra dextrógira. La fiobrina de la seda presenta varias hebras con estructura de hoja b.

Cuando varias proteínas con estructura terciaria de tipo globular se asocian para formar una estructura de tipo cuaternario, los monómeros pueden ser:

Exactamente iguales, como en el caso de la fosfoglucoisomerasa o de la hexoquinasa.

Muy parecidos, como en el caso de la lactato deshidrogenasa. Con estructura distinta pero con una misma función, como en el caso de

la hemoglobina. Estructural y funcionalmente distintos, que una vez asociados forman una

unidad funcional, como en el caso de la aspartato transcarbamilasa, un enzima alostérico con seis subunidades con actividad catalítica y seis con actividad reguladora.

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La estructura cuaternaria modula la actividad biológica de la proteína y la separación de las subunidades a menudo conduce a la pérdida de funcionalidad. Las fuerzas que mantienen unidas las distintas cadenas polipeptídicas son, en líneas generales, las mismas que estabilizan la estructura terciaria. Las más abundantes son las interacciones débiles (hidrofóbicas, polares, electrostáticas y puentes de hidrógeno), aunque en algunos casos, como en las inmunoglobulinas, la estructura cuaternaria se mantiene mediante puentes disulfuro. El ensamblaje de los monómeros se realiza de forma espontánea, lo que indica que el oligómero presenta un mínimo de energía libre con respecto a los monómeros.

En proteínas con estructura terciaria de tipo fibroso, la estructura cuaternaria resulta de la asociación de varias hebras para formar una fibra o soga. La miosina o la tropomiosina constan de dos hebras con estructura de hélice a enrolladas en una fibra levógira. La a-queratina del cabello y el fibrinógeno de la sangre presentan tres hebras en cada fibra levógira. El colágeno consta de tres hebras helicoidales levógiras que forman una fibra dextrógira. La fibroína de la seda presenta varias hebras con estructura de hoja b orientadas de forma antiparalela.

La estructura cuaternaria modula la actividad biológica de la proteína y la separación de las subunidades a menudo conduce a la pérdida de funcionalidad. Las fuerzas que mantienen unidas las distintas cadenas polipeptídicas son, en líneas generales, las mismas que estabilizan la estructura terciaria. Las más abundantes son las interacciones débiles (hidrofóbicas, polares, electrostáticas y puentes de hidrógeno), aunque en algunos casos, como en las inmunoglobulinas, la estructura cuaternaria se mantiene mediante puentes

hemoglobina aspartato transcarbamilasa

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disulfuro. El ensamblaje de los monómeros se realiza de forma espontánea, lo que indica que el oligómero presenta un mínimo de energía libre con respecto a los monómeros.

ESTRUCTURA QUINARIA.

ASOCIACIONES SUPRAMOLECULARES

En muchos casos, las proteínas se agrupan bien entre sí, bien con otros grupos de biomolecular para formar estructuras supramoleculares de orden superior y que tienen un carácter permanente. Este nivel de asociación recibe el nombre de estructura quinaria.

ASOCIACIONES ENTRE PROTEÍNAS

Las proteínas a y b-tubulina (en color azul y verde en la figura inferior) forman unos dímeros que se ensamblan formando filamentos huecos enormemente largos llamados microtúbulos, cuya función es fundamentalmente estructural, ya que forman parte del citoesqueleto de las células (que contribuyen a dar forma a las células), del centriolo (que participa en la mitosis), y de los cilios y flagelos (que participan en la motilidad celular).

La fibrina es otra proteína que forma una asociación supramolecular. Los monómeros de fibrina se unen mediante enlaces covalentes para formar la malla tridimensional característica del trombo o coágulo sanguíneo.

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Polimerización de la fibrina Coágulo sanguíneo

TIPOS DE ENLACE

FORMACION DEL ENLACE PEPTÍDICO

Se forma por la unión del grupo amino de un aminoácido con el carboxilo de otro,

formándose un enlace tipo amida con la salida de una molécula de agua. El

enlaces peptídico que así se forma es un enlace covalente muy fuerte pues de

todos los tipos de enlace de las proteínas, es el único que resiste a la

desnaturalización.

RESONANCIA DE ENLACE PEPTÍDICO.

El enlace peptídico permite que los electrones de CO y de NH resuenen entre si,

lo cual convierte al carbono y al nitrógeno involucrados a una configuración sp2

que tiene una estereoquímica plana trigonal como si fuera un doble enlace, con el

oxígeno y el hidrogeno en posición trans. En otras palabras, tanto el NH como el

CO se aplanan y se constituye un plano representado en amarillo, en donde se

sitúan los cuatro átomos del enlace O-C-N-H-A este plano se le llama el plano

peptídico.

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Bibliografía.

González Mañas Juan Manuel, Profesor Titular del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad del País Vasco. Título de la página: Curso de Biomoléculas. Curso de biomoléculas, fecha de consulta: 20 de Noviembre de 2015. http://www.ehu.eus/biomoleculas/index.htm