Estructura de macromoléculas: las proteínas

Proteínas. Funciones y síntesis

Las proteínas son las macromoléculas biológicas más importantes. Sus funciones son enormemente variadas aunque todas realizan su función mediante el mismo mecanismo, la unión selectiva a moléculas.

Las funciones más relevantes son la estructural y la enzimática:

Función estructural: Muchas proteínas forman estructuras que organizan la disposición espacial de las células o confieren elasticidad y resistencia a distintos órganos. Ejemplos son las glicoproteínas estructurales de membrana, la elastina (elasticidad), el colágeno (resistencia), la queratina…

Función enzimática: Muchas proteínas actúan como biocatalizadores, posibilitando reacciones biológicas que serían imposibles en condiciones normales.

Función hormonal: Algunas hormonas tienen funciones hormonales, como la insulina y el glucagón encargadas de los mecanismos de regulación de glucosa en sangre.

Función reguladora: Algunas proteínas regulan la expresión de ADN bloqueando o permitiendo la síntesis de otras proteínas, intervienen en la división celular, actúan como sistemas amortiguadores de pH o mantienen el equilibrio osmótico regulando y equilibrando distintas funciones vitales.

Función de transporte: Algunas proteínas como la Hemoglobina en los vertebrados, tienen la función de transportar distintos elementos necesarios para otras reacciones. También son ejemplos las lipoproteínas (transporte de lípidos), el citocromo (transporte de electrones).

Función defensiva: Las inmunoglobulinas o anticuerpos son el más estudiado ejemplo de proteínas defensivas. Las mucinas, algunas toxinas bacterianas, venenos de serpientes son otros ejemplos de compuestos proteínicos con funciones defensivas.

Función contráctil: La actina y la miosina son las encargadas de la contracción muscular. Otras como la dineina posibilitan el movimiento de cilios y flagelos

Función de reserva: Algunas proteínas como la ovoalbúmina están específicamente diseñadas como reserva de aminoácidos.

Estas macromoléculas se sintetizan mediante los procesos de Transcripción y Traducción. Durante el proceso de transcripción se produce una copia de la información genética que se transporta como ARN mensajero hasta los ribosomas (un complejo formado por proteínas y ARN ribosómico). Acto seguido, en los ribosomas, esta información es leída y se realiza el ensamblaje ordenado de los aminoácidos suministrados por el ARN transferente en la proteína en crecimiento.

Unidades básicas: aminoácidos

Los aminoácidos son moléculas con un grupo amino (-NH2) y un grupo de ácido carboxílico (-COOH). Estas dos terminaciones son necesarias ya que serán las encargadas de realizar el enlace peptídico para formar la cadena de aminoácidos. Hay conocidos hasta el momento 20 tipos de aminoácidos constituyentes de las proteínas.

ENLACES ENTRE ATOMOS:

Entre los distintos tipos de enlaces entre átomos los principales y más estudiados son el enlace covalente, el enlace electrovalente o iónico y el enlace metálico. El enlace peptídico entre aminoácidos para formar proteínas es de tipo covalente.

El enlace covalente:

El enlace covalente es un tipo de enlace atómico en el que los dos átomos enlazados comparten al menos una pareja de electrones. De esta forma los dos átomos consiguen obtener una configuración más estable, aproximándose a la configuración de gas noble. Una primera pareja de electrones formará un enlace de tipo sigma (enlace frontal), y en algunos casos se podrán formar uno (enlace doble) o dos (enlace triple) solapamientos laterales de tipo pi.

ENLACES ENTRE AMINOACIDOS: EL ENLACE PÉPTIDICO:

El enlace peptídico se forma con la unión de las terminaciones de ácido carboxílico de un aminoácido y la región amina de otro aminoácido. La reacción de condensación llevada a cabo libera una molécula de H2O. La reacción inversa es por tanto una hidrólisis. Es una reacción no favorecida termodinámicamente, por lo que necesita ser catalizada.

El enlace peptídico es un enlace covalente especial. Aunque es un enlace simple, se aproxima bastante a un enlace doble. El enlace C-N tiene un 60% de carácter de doble enlace y el enlace C-O un 40%. Esta disposición produce una cierta resonancia entre ambos enlaces, manteniendo a los 4 elementos que componen el enlace en el mismo plano. Es este carácter parcial de doble enlace el que dota a la unión de menor libertad de rotación, de este modo se va a proceder a una correcta distribución de la estructura de la proteína en su síntesis.

Estructura de las proteínas

Elementos moduladores:

La correcta síntesis y funcionalidad de las proteínas dependen de varias condiciones externas. De este modo, no sólo el código genético influye en la estructura final de las proteínas, sino también las condiciones durante el proceso de fabricación y durante la vida útil de la proteína.

La temperatura es el elemento modulador de mayor importancia. La temperatura favorece la reactividad, sin embargo altas temperaturas pueden producir la desnaturalización de la proteína. La desnaturalización de la proteína es la pérdida de funcionalidad de la misma y ocurre en las estructuras cuaternarias, terciarias y secundarias. La desnaturalización puede deberse de este modo, a una separación o modificación de la posición original de las subunidades, a la ruptura de enlaces intermoleculares o a la modificación de los patrones de disposición en el espacio regulares que forman la estructura secundaria. En algunos casos la desnaturalización es reversible, es el proceso conocido como renaturalización.

El pH también será un factor importante. Los aminoácidos son sensibles al pH ya que tanto los extremos que no se encuentran formando enlace peptídico, como las cadenas laterales de algunos aminoácidos, poseen un carácter anfótero. Es decir, pueden actuar como ácidos o como bases. En exceso de protones los aminoácidos se encontrarán en su forma protonada y en medio básico cederán protones al medio, cambiando su reactividad según el medio. Hay otros elementos que pueden desnaturalizar una proteína, como por ejemplo algunos disolventes orgánicos como el alcohol, reductores como el mercaptoetanol y compuestos polares neutros como la urea.

Las chaperonas son un conjunto de proteínas cuya función es la de modificar la estructura de otras proteínas. Sirven tanto durante la síntesis para favorecer estructuras que no podrían darse sin su ayuda, como durante la vida útil de las proteínas protegiéndolas de cambios estructurales. Se unen a las proteínas mediante fuerzas intermoleculares pero no forman parte de la propia molécula, ya que se sintetizan aparte. Las chaperonas pueden trabajar de forma coordinada, de esta manera dependiendo de la disponibilidad de las mismas, se tiene acceso o no a ciertas proteínas. También existen sustancias como el disacárido trehalosa, que favorece los enlaces de hidrógeno volviendo más estables las estructuras proteicas.

Fuerzas intermoleculares:

Las fuerzas entre moléculas van a ser capaces de modificar la estructura espacial de las proteínas. Entre las más importantes tenemos el enlace de hidrógeno.

El enlace de hidrógeno se produce entre un átomo muy electronegativo (N, O, F) con carga parcial negativa y un átomo de hidrógeno de una molécula cercana o dos partes de una misma molécula si es muy grande como sucede en las proteínas. Es por ejemplo la responsable de la estructura del agua en condiciones normales y de que esta sea liquida en vez de gaseosa como cabría esperar sin tener en cuenta las fuerzas intermoleculares.

Las fuerzas de Van der Waals pueden ser debidas a: Dos polarizaciones temporales inducidas (fuerzas de dispersión de London); una fuerza dipolo-dipolo inducido (Fuerzas de Debye) o fuerzas dipolo-dipolo permanentes (Fuerzas de Keesom), entre estas últimas tendríamos una especial de la que hemos hablado antes, el enlace de hidrógeno.

También tenemos por otro lado fuerzas intermoleculares iónicas entre especies cargadas, que también podrán crear fuerzas de atracción con dipolos y dipolos inducidos y las fuerzas hidrofóbicas. Estas fuerzas son menos poderosas y menos importantes en cuanto a la estructura de las proteínas.

Estructura primaria:

La estructura primaría de una proteína está determinada por el orden de los aminoácidos que la componen. En el caso de tener dos aminoácidos tendríamos un dipéptido, con tres un tripéptido y así hasta componer polipéptidos, finalmente si tenemos una cantidad grande de aminoácidos (al menos 50) hablaremos de proteína. Esta secuencia será el factor más importante que lleve a la proteína a formar una estructura espacial determinada, aunque ya hemos visto que hay más factores. Las mutaciones pueden variar la estructura primaria, realizando cambios conservadores o cambios que alteran la función de la proteína.

Esta disposición espacial dependerá de las fuerzas intermoleculares que surjan entre los distintos aminoácidos:

• Aminoácidos hidrófobos: La alanina, la isoleucina, la valina, la leucina, la fenilalanina, la tirosina y el triptófano suelen encontrarse en regiones alejadas del medio acuoso.

• Aminoácidos polares: Treonina, serina, asparagina, glutamina, aspartato, glutamato, histidina, lisina y arginina: Suelen encontrarse en la parte en contacto con el agua, forman canales iónicos y posibilitan la solubilidad de las proteínas.

• Aminoácidos especiales: La cisteína será encargada de realizar puentes disulfuro, la glicina al ser muy pequeña permite una mayor libertad de movimiento siendo a veces un factor desestabilizante y la prolina, al ser cíclica permite cambios bruscos en la dirección (giros beta y giros gamma).

Estructura secundaria:

Es la conformación regular local. Entre las estructuras básicas destacan:

Estructura terciaria:

Son conformaciones tridimensionales únicas que asumen las proteínas al plegarse en sus estructuras nativas (con actividad biológica). Se debe a la formación de enlaces débiles entre las cadenas laterales. Dependiendo de esta estructura, las proteínas se clasifican en dos tipos:

• Proteínas fibrosas: constan de un solo tipo de estructura secundaria. Dispuestas en hebras largas son insolubles en agua y tienen estructural. Ejemplos son las a-queratinas, el colágeno y la elastina.

• Proteínas globulares: Constan de varios tipos de estructura secundaria. Se encuentran plegadas, en forma esférica o globular. Son solubles en agua. Principalmente son enzimas y proteínas reguladoras.

Las distintas estructuras se organizan en dominios, regiones que pueden plegarse de forma independiente y a las que se les puede asociar una función determinada.

La estructura terciaria se estabiliza principalmente con cuatro de las fuerzas intermoleculares explicadas: Los puentes disulfuro, atracciones electrostáticas, enlaces de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas. El enlace disulfuro es un enlace covalente fuerte entre dos grupos tiol (-SH) y será uno de los factores más importantes durante el plegamiento y estabilización de la proteína.

El plegamiento de la proteína es un proceso jerarquizado. La secuencia de aminoácidos determina la estructura terciaria natural, aunque se requieren determinadas condiciones y en ocasiones también la asistencia de chaperonas. Defectos del plegamiento constituyen la base molecular de algunas enfermedades como la fibrosis quística, la anemia falciforme o la enfermedad de las vacas locas.

Estructura cuaternaria:

La estructura cuaternaria de una proteína se produce con la unión de varias cadenas polipeptídicas, a las que llamaremos subunidades. Ejemplos de proteínas que tienen estructura cuaternaria son la hemoglobina, los anticuerpos, la miosina, el colágeno…

EJEMPLOS:

Hemoglobina:

La hemoglobina es un ejemplo de proteína con estructura cuaternaria. Es la encargada de fijar el oxígeno en los pulmones y transportarla y cederla en los distintos órganos y tejidos. Además se une al CO2 producido en los tejidos y lo libera en los pulmones.

Es una proteína de tipo globular, con cuatro subunidades, cada una con un grupo hemo. Estos grupos contienen un átomo de hierro que será el encargado de fijar el O2. La unión de oxígeno produce un cambio conformacional entre el estado T (desoxiHb) azul y el R (oxiHB) rojo.

Por cada litro de sangre hay 150 gramos de Hb y cada gramo disuelve 1.34ml de oxígeno, es decir, 200 ml de Oxigeno por litro de sangre, que es 87 veces más de lo que el plasma sanguíneo puede disolver.

Enzimas:

Las enzimas son fundamentalmente de naturaleza proteica. Las enzimas son catalizadoras de las reacciones que ocurren en seres vivos, aunque no todos los catalizadores bioquímicos son proteínas representan la inmensa mayoría. Estos catalizadores disminuyen la energía de activación de las reacciones siendo indispensables para realizar más de 4000 reacciones bioquímicas distintas.

No se consumen en el proceso y están regulares por inhibidores y cofactores. Muchos fármacos y drogas son moléculas inhibidoras que al bloquear la enzima desactivan reacciones químicas necesarias para los procesos en los que intervienen. Tienen una alta especificidad.

Biblografía

• Lehninger Principles of Biochemistry, David L. Nelson y Michael M. Cox. Cuarta edición.

• Apuntes personales – UCM farmacia. Bioquímica y Biología Molecular. 2011

Autor:

Loïc Veillard Garoz