Funciones de las Proteínas

Introducción

El Conocer la estructura tridimensional de una proteína es fundamental para entender como funciona. Las proteínas son moléculas dinámicas y su función depende de la interacción con otras moléculas.

Las funciones de muchas proteínas implican la unión reversible de otras moléculas. Una proteína unida de manera reversible por otra proteína se conoce como ligando. El ligando se une a un lugar de la proteína llamado sitio de fijación, que es complementario al ligando en tamaño, forma, carga y carácter hidrofóbico o hidrofílico.

La unión de una proteína con un ligando está asociada con un cambio conformacional que hace que el sitio de fijación sea más complementario al ligando.

Unión reversible de una proteína a un ligando: proteínas de unión a oxígeno

La mioglogina y la hemoglobina son las dos proteínas más estudiadas y mejor conocidas. Su estudio ha proporcionado abundante información de cómo trabajan las proteínas.

El oxígeno puede estar unido a un grupo prostético hemo

El oxígeno no es muy soluble en el agua por lo que no puede transportarse a los tejidos por simple dilución en el plasma sanguíneo.

El grupo hemo tiene una estructura de anillo orgánico complejo, protoporfirina, al cual está unido un único átomo de hierro en su estado ferroso (Fe2+).

El hierro en estado Fe2+ une oxígeno de una manera reversible, mientras que el estado Fe3+ no une oxígeno. El grupo hemo se encuentra en muchas proteínas transportadoras de oxígeno, y también en algunas proteínas como los citocromos, que participan en reacciones de oxidación-reducción (transferencia de electrones).

La mioglobina tiene un sitio único de fijación para el oxígeno.

La mioglobina (abreviada Mb) es una proteína de unión a oxígeno relativamente simple y que está presente en casi todos los mamíferos, sobre todo en el tejido muscular. Al ser una proteína de transporte, facilita la difusión del oxígeno en el músculo. Es especialmente abundante en el músculo de los animales que se sumergen, tales como focas y ballenas, que deben almacenar suficiente oxígeno para estancias prolongadas bajo el mar.

Consta de un único péptido de 153 aminoacidos con una molécula de hem. Es un ejemplo típico de la familia de proteínas llamadas globinas, que poseen estructuras primarias y terciarias similares.

La estructura proteica afecta al modo de unión del ligando

La unión de un ligando a una proteína no suele ser tan simple como podría pensarse, la interacción se ve afectada en gran medida por la estructura proteica y suele estar acompañada por cambios conformacionales. Así, la especificidad con la que el grupo hemo se une a sus diversos ligandos se ve alterada cuando el grupo hemo es componente de la mioglobina. El monóxido de carbono (CO) se une 20.000 veces mejor que el O2 a las moléculas libres de grupo hemo, pero se une tan solo unas 200 veces mejor que el O2 cuando el grupo hemo está unido a la mioglobina.

El oxígeno es transportado en la sangre por la hemoglobina

Prácticamente todo el oxígeno transportado por la sangre en los animales es unido y transportado por la hemoglobina de los eritrocitos (glóbulos rojos). La principal función de los eritrocitos es transportar hemoglobina la que está disuelta en su citosol a una concentración muy alta aproximadamente un 34 % de su peso).

En la sangre arterial que pasa de los pulmones a través del corazón a los tejidos periféricos, la hemoglobina está saturada con oxígeno en un 96 % mientras que en la sangre venosa que vuelve al corazón saturada solo un 64 %. Por lo tanto, cada 100 mL de sangre que pasa a través de los tejidos libera aproximadamente un tercio del oxígeno que transporta.

Las subunidades de la hemoglobina son estructuralmente similares a la mioglobina

La hemoglobina (Hb) es más o menos esférica con un diámetro de 5,5 nm. Es una proteína tetramérica que contiene cuatro grupos prostéticos hemo, dos a y dos ß, similares entre ellas y cada uno asociado a una de las cadenas polipeptídicas.

La convención para nombrar las hélices que se describe en el caso de la mioglobina también es aplicable para los polipéptidos de la hemoglobina.

La hemoglobina experimenta un cambio estructural al unirse al oxigeno

El análisis por rayos X ha revelado dos conformaciones principales de la hemoglobina: el estado R y el estado T. El oxígeno se une a la Hb en cualquiera de estos estados pero muestra mucho mayor afinidad por el estado R. Los estados T y R fueron denominados como "tenso" y "relajado" ya que el primero es más estable en ausencia de oxígeno mientras que el oxigeno estabiliza el estado R.

La hemoglobina une oxígeno de manera cooperativa.

La unión de oxígeno a la hemoglobina es alostérica y cooperativa. Al unirse O2 a un sitio de fijación, la hemoglobina experimenta cambios conformacionales que afectan los otros sitios de fijación, lo que es un ejemplo de comportamiento alostérico.

Los cambios conformacionales entre los estados T y R, mediados por interacciones subunidad-subunidad, producen una unión cooperativa; este comportamiento se describe mediante una curva sigmoidea y se analiza mediante la representación de Hill.

Se ha propuesto dos modelos para explicar la unión cooperativa de ligandos a proteínas con múltiples subunidades: el modelo concertado y el modelo secuencial.

El modelo concertado fue propuesto en 1965 por Jacques Monod, Jeffries Wyman y Jean-Pierre Changeux. Se considera que las subunidades de una proteína con unión cooperativa son funcionalmente idénticas, que cada subunidad puede existir (como mínimo) dos conformaciones, y que todas las unidades sufren la transición de una conformación a otra de manera simultanea.

En el modelo secuencial propuesto por Daniel Koshlan y colaboradores; la unión del ligando puede inducir un cambio de conformación en una subunidad individual.

La hemoglobina también transporta H+ y CO2

La hemoglobina también se une a H+ y CO2, lo que resulta en la formación de pares iónicos que estabilizan el estado T y hacen disminuir la afinidad de la hemoglobina por el O2 (efecto Bohr).

La unión del oxígeno a la hemoglobina está también modulada por el 2,3-bifosfoglicerato, que se une y estabiliza el estado T.

La interacción del 2,3-bifosfoglicerato (BPG) con las moléculas de una hemoglobina perfecciona aún más la función de la hemoglobina y proporciona un ejemplo de modulación alostérica heterotrópica.

El BPG está presente en concentraciones relativamente altas en los eritrocitos. El BPG disminuye la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno al estabilizar el estado T. La transición al estado R provoca un estrechamiento de la bolsa de unión a BPG, impidiendo la unión del BPG. En ausencia de BPG, la hemoglobina pasa más fácilmente al estado R.

La regulación de la unión de oxígeno a la hemoglobina por el 2,3-bifosfoglicerato juega un papel importante en el desarrollo fetal. La Hb fetal debe tener una mayor afinidad por el O2 que la hemoglobina materna debido a que el feto debe extraer el oxígeno de la sangre de su madre.

La anemia falciforme es una enfermedad molecular de la hemoglobina, que demuestra de manera indiscutible la gran importancia de la secuencia de aminoácidos para determinar las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria de las proteínas globulares y por lo tanto sus funciones biológicas. Se conocen más de 500 variedades genéticas de la hemoglobina en la población humana, la gran mayoría son variantes muy raras.

La mayoría se debe a una diferencia en un único residuo aminoácido. El efecto en la estructura y la función de la hemoglobina suele ser muy pequeño pero a veces puede ser extraordinario. Cada variante de la hemoglobina se debe a una alteración genética. A cada variante de un gen se le llama alelo.

La anemia falciforme se da en individuos que han heredado el alelo de esta enfermedad de ambos progenitores, los eritrocitos de estos individuos son anormales y menos numerosos. Estos eritrocitos anormales son alargados, delgados y en forma de media luna, similares a una hoz.

La anemia falciforme es una enfermedad genética causada por la sustitución de un único aminoácido (Glu6 por Val6) en cada una de las cadenas ß de la hemoglobina. El cambio genera la aparición de una zona hidrofóbica en la superficie de la hemoglobina que hace que las moléculas se agreguen en haces de fibras. En condiciones de homozigosis, esta enfermedad presenta graves complicaciones.

Interacciones complementarias entre proteínas y ligandos: el sistema inmune y las inmunoglobulinas

Todos los vertebrados poseen un sistema inmune capaz de distinguir las moléculas "propias" de las "ajenas" y destruir a continuación las consideradas ajenas. De esta manera el organismo cuenta con el sistema inmune que elimina virus, bacterias y otros patógenos, como también otras moléculas que puedan representar una amenaza para el organismo.

En la respuesta inmune intervienen un conjunto de células y proteínas especializadas.

La acción inmune es llevada a cabo por una amplia gama de leucocitos (glóbulos blancos de la sangre) que incluyen a los macrófagos y linfocitos

La respuesta inmune está mediada por interacciones entre un conjunto de leucocitos especializados y sus proteínas asociadas, los linfocitos T producen receptores de células T. Los linfocitos B producen inmunoglobulinas. La respuesta inmune es el resultado de la acción de dos sistemas complementarios, el sistema inmune humoral y el celular.

El sistema inmune humoral (del latin humor; "fluido") está dirigido contra infecciones bacterianas y virus extracelulares (que se encuentran en los fluidos corporales), pero también pueden responder a proteínas externas individuales.

El sistema inmune celular destruye las células propias infectadas por virus y también parásitos y tejidos ajenos.

Mediante un proceso denominado selección clonal, las células T auxiliares (helper) inducen la proliferación de células B y de células T citotóxicas que producen inmunoglobulinas o de receptores de células T que se unen a un antígeno específico.

Los anticuerpos poseen dos lugares idénticos de unión a antigenos

El ser humano posee cinco clases de inmunoglobulinas, con diferentes funciones biológicas para cada una de ellas. La clase más abundante es la de las IgG, proteínas en forma de Y con dos cadenas pesadas y dos ligeras. Los dominios cercanos los extremos superiores de la Y son hipervariables dentro de la amplia población de las IgG y forman dos sitios de fjjación de antígeno.

En muchos vertebrados la IgG es solamente una de las cinco clases de inmunoglobulinas. Cada clase tiene un tipo característico de cadena pesada llamadas a, d, e, ? y &µ, que corresponden a las IgA, IgD, IgE, IgG e IgM respectivamente.

Una inmunoglobulina determinada se une generalmente a una única parte, denominada epitopo, de un antígeno más grande. La unión suele implicar un cambio conformacional de la IgG a través de un encaje inducido con el antígeno.

Las IgA se encuentran principalmente en secreciones como la saliva, las lágrimas y la leche. Las IgM son los primeros anticuerpos producidos por los linfocitos B y el principal anticuerpo en los primeros estadios de la respuesta inmune primaria. La función específica de la IgD no está bien definida.

La IgD es el principal anticuerpo en la respuesta inmune secundaria.

Los anticuerpos se unen fuertemente y de manera específica al antígeno

La especificidad de unión de un anticuerpo viene determinada por la composición de aminoácidos de los dominios variables de sus cadenas pesada y ligera. La especificidad se debe a la complementariedad química entre el antígeno y su sitio de fijación específico.

Las interacciones antígeno-anticuerpo son la base de diversos procesos analíticos importantes, la extraordinaria afinidad y especificidad de unión de los anticuerpos los convierten en valiosos reactivos para análisis.

Se emplean dos tipos de anticuerpos: los policlonales y los monoclonales.

Los anticuerpos policlonales son producidos por diferentes poblaciones de linfocitos B en respuesta a un antígeno como podría ser el caso de una proteína inyectada a un animal. Una preparación policlonal contiene una mezcla de anticuerpos que reconocen diferentes partes de una proteína.

En una técnica analítica muy versátil, un anticuerpo puede marcarse radiactivamente o con algún otro reactivo que lo haga fácil de detectar. Cuando el anticuerpo se une a la proteína diana, la marca revela la presencia de la proteína en una solución o su localización en un gel o incluso en una célula viva.

Los anticuerpos monoclonales se sintetizan por una población de.

células B idénticas (un clon) crecidos en cultivo celular estos anticuerpos son homogéneos, todos reconocen el mismo epitopo. Las técnicas para producir anticuerpos monoclonales fueron desarrolladas por George Kóhler y Cesar Milstein.

La especificidad de los anticuerpos tiene utilidades prácticas por ejemplo para purificación de proteinas

Una prueba ELISA (enzyme-linkek immunosorbent assay: análisis del inmunoadsorbente unido a enzima) permite un rastreo rápido y una cuantificación de la presencia de un antígeno en una muestra. La formación de producto (medida colorimétricamente) es proporcional a la concentración de la proteína de interés en la muestra.

Otra variante de estas técnicas es el ensayo de inmunotransferencia o inmunoblot.

George Köhler

César Milstein

Interacciones proteicas moduladas por energía química: actina, miosina y motores moleculares

Los organismos se mueven, las células se mueven, los orgánulos y las macromoléculas dentro de las células se mueven la mayoría de estos movimientos se originan a partir de la actividad de unos fascinantes motores moleculares basados en proteínas.

Las principales proteínas del músculo son la actina y la miosina

Las interacciones proteína-ligando adquieren un grado especial de organización espacial y temporal en las proteínas motoras. La contracción muscular es el resultado de un conjunto de interacciones entre miosina y actina, acopladas a la hidrólisis del ATP a cargo de la miosina.

Otras proteínas adicionales organizan a la actina y miosina en filamentos delgado y grueso y en estructuras ordenadas. Entre estas proteínas tenemos en los filamentos delgados a la a-actinina, desmina y vimentina y una gran proteína llamada nebulina. Los filamentos gruesos contienen las proteínas paramiosina, proteína C y la proteína M.

Los filamentos gruesos de miosina se deslizan a lo largo de los filamentos delgados de la actina

La miosina consiste de dos cadenas pesadas y cuatro cadenas ligeras que forman un dominio enrollado superhelicoidal (cola) y un dominio globular (cabeza). Las moléculas de miosina se organizan en filamentos gruesos que se deslizan sobre filamentos delgados compuestos principalmente por actina. La hidrólisis de ATP en la miosina se acopla a una serie de cambios conformacionales en la cabeza de la miosina que conducen a la disociación de la miosina de una subunidad de actina F y su posterior reasociación con otra subunidad, en una posición más lejana en el filamento delgado. De este modo, la miosina se desliza a lo largo de los filamentos de actina.

La interacción entre la actina y la miosina debe ser regulada de manera que la contracción muscular se produzca solo como respuesta a las señales adecuadas con origen en el sistema nervioso. De esta regulación se encarga un complejo formado por dos proteínas, la tropomiosina y la troponina.

La contracción muscular es estimulada por la liberación de Ca2+ desde el retículo sarcoplasmático. El Ca2+ se une a la proteína troponina, provocando un cambio conformacional en un complejo troponin-tropomiosina que da lugar al inicio del ciclo de interacciones actina-miosina.

Comentario

Como se ha visto en esta breve revisión, las proteínas cumplen múltiples funciones de suma importancia en el organismo. Las proteínas participan de uno u otro modo en todos los procesos químicos de un organismo vivo. Asimismo con el conocimiento de las funciones de las proteínas se ha podido encontrar muchas utilidades, que se puede ver encontrar por ejemplo en el campo de la medicina, que puede ser en el conocimiento de las enfermedades, las infecciones, el diagnóstico e incluso el tratamiento.

Bibliografía

Principios de Bioquímica de Lehninger – David L. Nelson y Michael M. Cox. 5ta. Edición.

Autor:

Rosa E. Pérez Ramos

Asesor: Ing. Myriam Vilca Arana