TEMA 3A Las proteínas (Tiempo estimado: 3 sesiones)

TEMA 3A

“Las proteínas”

1.

LAS PROTEÍNAS: CARACTERÍSTICAS

Las proteínas están constituidas básicamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, aunque pueden contener también azufre y fósforo y, en menor proporción, hierro, cobre, magnesio, yodo, …

Son los principales componentes de los seres vivos (más del 50% del peso seco de las células y alrededor del 16% del peso total). Una bacteria puede tener cerca de 1000 proteínas diferentes, pero en una célula humana puede haber 10.000 clases de proteínas distintas. Desempeñan una gran diversidad de funciones como consecuencia de su estructura química variable, sin embargo, todas ellas tienen la misma composición básica: son polímeros lineales formados por la unión, mediante enlaces peptídicos, de un número variable de aminoácidos de entre los veinte aminoácidos diferentes que podemos encontrar en los seres vivos. Esos veinte aminoácidos distintos comparten una estructura y composición básicas.

La síntesis de las proteínas está regida directamente por el material genético y, como consecuencia, son moléculas informativas, en el sentido de que constituyen un reflejo de la información genética.

A las cadenas formadas por entre 2 y 100 restos de aminoácidos se les denomina

péptidos, pudiendo ser oligopéptidos (entre 2 y 10) o polipéptidos (entre 10 y 100). Si

las cadenas poseen más de 100 restos de aminoácidos se les denomina proteínas. Si estas están formadas exclusivamente por aminoácidos se denominan holoproteínas o

proteínas simples, si por el contrario contienen en su molécula una parte proteica

(apoproteína) y una parte de naturaleza no proteíca (grupo prostético), se denominan

heteroproteínas o proteínas complejas o conjugadas.

2.

AMINOÁCIDOS

Son los monómeros que originan las proteínas al unirse entre ellos por enlaces

peptídicos. Químicamente son ácidos carboxílicos aminados, es decir moléculas que

poseen un grupo ácido (– COOH) y un grupo amino (– NH2) ambos unidos a un átomo

de carbono asimétrico α. Son por lo tanto α-aminoácidos. Hasta aquí la estructura común de todos los aminoácidos. Lo que diferencia entre sí a cada uno de los aminoácidos es su grupo R o cadena lateral, unido al carbono α, diferente para cada uno de ellos.

En las proteínas hay veinte aminoácidos distintos, que son los que están codificados en los ácidos nucleicos; no obstante, en las células se encuentran otros que resultan de transformaciones de uno o más de los veinte aminoácidos que se presentan comúnmente.

Los aminoácidos presentan una serie de propiedades físico-químicas que les caracterizan:

- Isomería espacial o estereoisomería: Excepto la glicina o glicocola (Gly), en todos

los aminoácidos el carbono es asimétrico y, por tanto, presentan estereoisómeros. Para diferenciarlos se considera forma D si el grupo amino está situado a la derecha del carbono asimétrico, y L si está a la izquierda. En los seres vivos solo aparecen proteínas formadas por L – aminoácidos.

- Isomería óptica: Presentan actividad óptica, es decir desvían un haz de luz polarizada

cuando están en disolución. Si es desviado a la derecha, es dextrógiro (+) y si lo desvía a la izquierda, levógiro (-).

- Punto isoeléctrico (pI): Es el pH en el que cada aminoácido mantiene ionizados

simultáneamente sus grupos amino y carboxilo y, por lo tanto, se comporta como un ion dipolar neutro, al ser 0 su carga neta. A este ion dipolar se llaman ion

hermafrodita o zwitterion.

- Carácter anfótero: Pueden actuar como ácidos (dadores de H+_{) o como bases}

(receptores de H+_{), dependiendo del pH del medio en que se encuentren.}

En un medio con pH ácido los aminoácidos poseen carga positiva al quedar neutralizado el grupo carboxilo por los H+ _{“sobrantes”, comportándose como una}

base. En un medio con pH básico tendrán carga negativa, al quedar neutralizado el grupo amino por ceder los H+ _{“faltantes”, comportándose como un ácido.}

También en estas biomoléculas aparece el concepto de sustancia esencial, con el mismo significado que le dimos cuando hablamos de los ácidos grasos. En la especie humana son nueve los aminoácidos esenciales: Met, Val, Leu, Ile, Phe, Trp, Thr, Lys e His, que deben ser ingeridos necesariamente en la dieta. Sólo los vegetales y bacterias pueden sintetizarlos, aunque todos los seres vivos los necesitan para fabricar sus proteínas. La clasificación de los aminoácidos se hace en función de la naturaleza de la cadena lateral R que posean:

a) Aminoácidos neutros: si su grupo R no posee grupos amino o ácido y por lo tanto no

tienen carga eléctrica a pH neutro. A su vez pueden ser apolares, como la alanina (de un total de ocho), si su grupo R es apolar, o polares, como la treonina (de un total de siete), si su grupo R es polar pero sin carga.

b) Aminoácidos ácidos: si su grupo R posee un grupo carboxilo que, a pH neutro,

adquiere carga negativa, como el ácido aspártico (de un total de dos).

c) Aminoácidos básicos: si su grupo R posee un grupo amino que, a pH neutro,

adquiere carga positiva, como la histidina (de un total de tres).

3.

EL ENLACE PEPTÍDICO

Los aminoácidos se unen entre sí por enlaces de tipo amida, llamados enlaces

peptídicos, liberándose una molécula de agua, siendo todos idénticos a lo largo de las

cadenas polipeptídicas.

EJERCICIOS PROPUESTOS 1, 2, 3

Este enlace es de tipo covalente muy estable y más corto de lo normal, que posee carácter parcial de doble enlace, por lo que los cuatro átomos del enlace (– CO – NH –) están colocados en el mismo plano, no pudiendo girar entre sí, sólo los enlaces sencillos de los átomos de carbono α pueden girar. Es decir, el enlace peptídico limita el número de conformaciones que puede adquirir una cadena polipeptídica, de ahí su enorme importancia en la estructura de las proteínas.

La estabilidad del enlace es tal que la hidrólisis de los polipéptidos sólo es posible mediante una hidrólisis ácida o enzimática, rindiendo aminoácidos.

Al formarse los enlaces peptídicos desaparece el carácter anfótero, ya que dichos enlaces incluyen un grupo (amino o ácido) de cada aminoácido. Sin embargo, la cadena polipeptídica puede mostrar propiedades ácidas o básicas debidas a los grupos presentes en las cadenas laterales de sus aminoácidos.

4.

ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

Los polipéptidos formados por la unión de los aminoácidos adquieren una disposición espacial característica y específica responsable, en última instancia, de la función biológica concreta que realiza, en ocasiones uniéndose a su vez a otros polipéptidos. Es en ese punto donde el polipéptido adquiere el estatus de proteína.

En la configuración espacial de las proteínas pueden describirse hasta cuatro niveles estructurales distintos, cada uno de los cuales se constituye a partir del anterior. Es decir, estos niveles podrían corresponder a los pasos mediante los cuales una proteína recién formada se pliega hasta conseguir su configuración nativa o natural, o sea, hasta alcanzar la configuración tridimensional en la que es estable y activa.

La estructura tridimensional de una proteína en condiciones fisiológicas (pH, temperatura y salinidad del medio) se conoce como estructura o conformación nativa, y se considera la estructura más estable de todas las estructuras posibles, siendo además esta estructura la funcionalmente activa. Si cambiamos las condiciones ambientales, la estructura nativa se pierde por desnaturalización.

4.1.

PRIMARIA

Viene determinada por los aminoácidos específicos que contiene y por su secuencia en la molécula, unidos por enlaces peptídicos, altamente estables. En este nivel estructural la orientación de las moléculas se realiza nombrando cada extremo con el grupo terminal que posea, así existirá un extremo amino terminal (N-terminal) y un extremo

carboxilo terminal (C-terminal).

La importancia biológica de este nivel estructural radica en las características siguientes: - La secuencia de aminoácidos es única para cada proteína y está controlada

genéticamente, al ser el resultado de la traducción de la secuencia codificada de nucleótidos de los ácidos nucleicos (ADN y ARNm).

- La secuencia de aminoácidos determina la configuración tridimensional específica de las proteínas, ya que de ella dependen las interacciones internas (enlaces de hidrógeno y puentes disulfuro) que se originen en los demás niveles estructurales.

- Como consecuencia de lo anterior, este nivel estructural determina la función y la especificidad de cada proteína.

- Cualquier modificación de esa secuencia (por sustitución, adición o eliminación de algún aminoácido) produce una proteína diferente a la original, lo que podría provocar que perdiera su actividad biológica.

4.2.

SECUNDARIA

A medida que las proteínas se sintetizan en los ribosomas, las cadenas polipeptídicas van adquiriendo la forma tridimensional más estable para ellas. Por tanto, la estructura secundaria es la forma en que la cadena lineal de aminoácidos puede plegarse y disponerse en el espacio. Está condicionada por las interacciones entre las cadenas laterales de los aminoácidos y por las escasas posibilidades de rotación alrededor de los enlaces, así como por la formación de puentes de hidrógeno de manera regular entre los enlaces peptídicos.

Las proteínas fibrilares o fibrosas están generalmente formadas sólo por fragmentos de alfa-hélice o de beta-lámina, formando estructuras lineales, insolubles en el agua. Para que la proteína con estructura secundaria tenga estabilidad, ha de presentar unas características:

- Que todos los átomos pertenecientes al enlace peptídico (–CO–NH–) estén en un mismo plano.

- Que las dimensiones de los enlaces y las de los ángulos que éstos forman entre sí, se vayan repitiendo con una magnitud exacta y constante para cada uno de ellos. - Que la estructura o configuración permita la formación de un máximo número de

puentes de H entre los grupos –CO– y –NH– de los distintos enlaces peptídicos. Aun así, las interacciones entre los puentes de hidrógeno se pueden romper con facilidad por ser muy débiles, pero la formación de un enorme número de ellos aporta estabilidad suficiente a la proteína, tanto como para que su estructura quede definida perfectamente.

Pueden darse tres configuraciones secundarias:

- α-hélice: Se produce cuando una cadena polipeptídica gira sobre sí misma de forma

dextrógira y origina una estructura helicoidal en la que el grupo –NH– de un enlace peptídico se une al grupo –CO– del cuarto aminoácido que le sigue en la cadena mediante un enlace de hidrógeno intracatenario. Así se forman enrollamientos helicoidales en los que las cadenas laterales R de los aminoácidos se proyectan hacia el exterior de la hélice, que es bastante compacta (3,6 restos de aminoácidos por vuelta de hélice).

Es un ejemplo de proteínas con esta configuración las α -queratinas (en la piel, pelo, plumas, uñas, cuernos,...).

- β -lámina: Se produce cuando las cadenas polipeptídicas se disponen paralelas y a

modo de láminas plegadas en zig-zag, unidas transversalmente por enlaces de hidrógeno intracatenarios e intercatenarios, establecidos entre los grupos –CO– y – NH–. Los restos R de los aminoácidos quedan a un lado y a otro de la estructura laminar.

Es un ejemplo de proteínas con esta configuración la β-queratina o fibroína (en las fibras que fabrican gusanos de seda y arañas).

- Hélice de colágeno: Es una forma minoritaria de estructura secundaria que aparece

en proteínas muy ricas en los aminoácidos glicina, prolina e hidroxiprolina. La hélice que se forma tiene sólo tres aminoácidos por vuelta y gira de forma levógira, lo que dificulta la formación de enlaces de hidrógeno y se impide la formación de una estructura secundaria convencional. Se forman en su lugar triples hélices constituidas por tres moléculas de colágeno unidas por enlaces de hidrógeno. Es un ejemplo de proteínas con esta configuración el colágeno (en la piel, tendones, vasos sanguíneos, cartílagos, huesos)

4.3.

TERCIARIA

Viene definida por los pliegues y enrollamientos que sufre la estructura secundaria, buscando una disposición espacial estable, como consecuencia de las interacciones que se establecen entre las diferentes cadenas laterales de los aminoácidos de la cadena peptídica. Hay diversidad de enlaces que se pueden producir, los más comunes son: - Puentes disulfuro entre grupos –SH del aminoácido cisteína. Sirven para estabilizar

las proteínas, pero no son estrictamente necesarios para el plegamiento específico de la molécula.

- Fuerzas electrostáticas entre grupos de carga opuesta. Su contribución a la

estabilidad es de escasa importancia.

- Interacciones hidrofóbicas producidas al acercarse entre grupos apolares que huyen

del agua.

- Enlaces de hidrógeno entre grupos polares no iónicos. Muy importantes en la

estabilidad de la estructura terciaria (y la razón fundamental de la secundaria). Las cadenas R de sus aminoácidos polares tienden a disponerse cerca de la superficie, donde pueden interactuar con el agua y con otros grupos polares. Los propios enlaces peptídicos son bastante polares, y tienden a interactuar entre sí y también con las cadenas R de los aminoácidos polares para formar puentes de hidrógeno. - Fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrofóbicas entre grupos apolares, que

generalmente se sitúan en el interior de la estructura proteica, para evitar el contacto con el agua.

Tal es la importancia de la estructura primaria en las subsiguientes, especialmente la terciaria, que la simple sustitución de un aminoácido por otro en la cadena polipeptídica puede alterar gravemente su estructura tridimensional y por lo tanto su función. Las proteínas terciarias pueden estar formadas exclusivamente por cada una de ellas por separado o presentar tramos alternantes de α-hélice y β-lámina en la misma molécula. Estos esquemas de alternancia se repiten en ocasiones en diversas proteínas de múltiples seres vivos, lo que se interpreta como resultado de un “éxito evolutivo” de esa estructura. A estos clichés repetidos insistentemente a lo largo del proceso evolutivo se les llama dominios estructurales.

Las proteínas globulares, que poseen estructura terciaria, aparecen normalmente muy plegadas. Están generalmente formadas por fragmentos de α-hélice y β-lámina combinadas en la misma molécula, formando estructuras más o menos esféricas, que

disponen los grupos polares en el exterior del glóbulo por lo que suelen ser solubles en el agua.

4.4.

CUATERNARIA

Para ser funcionales, estas proteínas llamadas oligoméricas, requieren la asociación de un número par de cadenas polipeptídicas, llamadas subunidades proteicas o

protómeros, con estructura terciaria. En este caso, decimos que tienen estructura

cuaternaria y está referida a la disposición espacial de los polipéptidos para formar la proteína. Se suelen mantener unidos por uniones químicas similares a las anteriormente descritas en la estructura terciaria.

El número de polipéptidos que pueden integrar la proteína varía en cada caso y, además pueden ser iguales o distintos. Son ejemplos de estas proteínas con estructura cuaternaria la hemoglobina de la sangre, proteínas musculares, la enzima ARN polimerasa o las inmunoglobulinas.

5.

PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS

Cada proteína posee unas características físico-químicas derivadas de su composición de aminoácidos y de su conformación espacial. Las más importantes son las siguientes: - Solubilidad: en general las proteínas globulares son solubles en medios polares,

aunque por su elevada masa molecular, en presencia de agua forman disoluciones coloidales. Disponen sus grupos polares hacia el exterior por su afinidad con los dipolos del agua y sitúan los apolares hacia el interior del glóbulo, alejándolos del agua. Las proteínas fibrilares son insolubles en el agua.

- Especificidad: cada proteína lleva a cabo una determinada función exclusivamente,

que depende de la conformación nativa que posea, y que deriva en primera instancia, de su secuencia de aminoácidos. A esta especificidad se le denomina de

función. Por otra parte, cada especie de ser vivo posee un conjunto de proteínas

propias, diferentes de las que aparecen en otras especies distintas. A esta especificidad se le denomina de especie.

- Desnaturalización/renaturalización: la desnaturalización consiste en la pérdida

parcial o total de la configuración nativa característica, por la destrucción de la estructura secundaria, terciaria y cuaternaria, aunque no de la primaria. Como consecuencia, se produce una alteración en su actividad funcional o la pérdida de la misma.

Se puede producir por cambios en las condiciones ambientales del medio en donde están las proteínas, es decir, variaciones de presión, temperatura, pH, concentración salina, presencia de metales pesados, de disolventes orgánicos, etc.

Es un proceso que puede ser reversible, llamado entonces renaturalización, si las condiciones ambientales que lo provocan duran muy poco tiempo o son poco intensas y retornan a la normalidad con rapidez.

- Tampón de pH: amortiguando las variaciones en el pH del medio donde se

encuentren, actuando como base (aceptor de protones) en un medio ácido o como ácido (dador de protones) en un medio básico, según las necesidades. Esta

EJERCICIOS PROPUESTOS 5, 6, 8

propiedad deriva de la presencia de grupos ionizables, amino y carboxilo, en la cadena lateral R de los aminoácidos que las componen.

6.

FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS

Cumplen con multitud de funciones en los seres vivos:

- Estructural: pueden constituir estructuras celulares, como algunas glucoproteínas

que forman parte de las membranas biológicas. También las histonas que aportan estructura a los cromosomas, o la tubulina que constituye el citoesqueleto y cilios y flagelos. También el colágeno en los tejidos conjuntivos, la queratina en la piel, o la elastina del cartílago.

- Biocatalizadora: las proteínas enzimáticas actúan como biocatalizadores específicos

al favorecer las reacciones químicas del metabolismo aumentando su velocidad. Son numerosísimas, como las catalasas, hidrogenasas, nucleadas, isomerasas,...

- Hormonal: algunas proteínas actúan como hormonas, llevando mensajes químicos.

Por ejemplo la insulina y el glucagón en el páncreas, o la tiroxina en la glándula tiroides, o la hormona del crecimiento o somatotropina (STH) en la hipófisis.

- Reguladora: algunas proteínas regulan la expresión de ciertos genes y otras regulan

la división celular. También el paso de sustancias a través de las membranas, mediante sistemas de bombeo (bomba de Na+_/K+_{, de Ca}+_{) o de canales.}

- Homeostática: hay proteínas que mantienen el equilibrio interno, mediante

procesos osmóticos y actuando, junto con sistemas amortiguadores, en la regulación del pH.

- Defensiva: las inmunoglobulinas o anticuerpos actúan como parte del sistema

inmunitario de los vertebrados. También la trombina y el fibrinógeno (filamentosas) contribuyen a la coagulación de la sangre favoreciendo la formación de coágulos para evitar hemorragias. Las mucinas (proteoglucanos) protegen a las mucosas con un efecto bactericida. Algunas toxinas bacterianas son proteínas fabricadas con misión defensiva de las propias bactrerias.

- Transporte: algunas se unen a sustancias diversas para transportarlas. Es el caso de

la hemoglobina, hemocianina y mioglobina, que transportan oxígeno, o las lipoproteínas que transportan lípidos, como el colesterol, por la sangre, o los citocromos que son transportadores de electrones, o las proteínas transportadoras de la membrana plasmática, que facilitan el paso de sustancias a través de ellas. - Contráctil: la actina y la miosina constituyen las fibrillas responsables de la

contracción muscular. También la flagelina y la dineína, responsables del movimiento de flagelos y cilios bacterianos, respectivamente.

- Reserva: algunas proteínas almacenan aminoácidos que serán utilizados en la

síntesis de proteínas propias. Como es el caso de la ovoalbúmina del huevo, la caseína de la leche, la zeína del maíz y la hordeína de la cebada. No puede decirse que realicen una función de reserva energética ya que, aunque pueden proporcionar energía al ser degradadas en las mitocondrias (producen 4,1 Kcal/gr) en caso de extrema necesidad, no es ese el cometido para el que han sido diseñadas por la evolución.

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7.

CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Sólo poseen estructura secundaria. Tienen estructura fiamentosa. Función estructural.

Son insolubles en agua.

Aparecen generalmente en animales.

Colágeno: en tejidos conjuntivos, cartilaginosos,

tegumentarios y óseos.

Fibrinógeno: interviene en procesos de coagulación

sanguínea.

α -Queratina: formaciones epidérmicas como cabellos, uñas, plumas, cuernos, etc...

β -Queratina: fibras fabricadas por gusanos de seda y arañas.

Miosina: en estructuras musculares. Es responsable de la

contracción muscular.

Elastina: en tendones y vasos sanguíneos.

Globulares o esferoproteínas:

Tienen estructura terciaria o cuaternaria.

Estructura globular.

En general, solubles en agua o en disolventes polares.

Protaminas: asociadas al ADN en los espermatozoides. Histonas: asociadas al ADN nuclear, excepto en

espermatozoides.

Prolaminas: insolubles, en semillas vegetales. Gluteninas: insolubles, en cereales.

Albúminas: reserva de aminoácidos o transporte de

moléculas. Son ejemplos la ovoalbúmina, seroalbúmina o la lactoalbúmina.

Globulinas: Son ejemplos las inmunoglobulinas o anticuerpos.

OPROT EÍ N A S o P ROT EÍ N A S C OM PLEJA S o C ONJU G A DA S Fo rm ad as po r un a par te pro te ica o apo p ro teín a y un a n o pro te ica o gru p o pro sté tico Cromoproteínas:

Su grupo prostético es una molécula compleja con dobles enlaces conjugados, que les da una coloración característica.

Porfirínicas:

Su grupo prostético es una

metalporfirina.

Hemoglobina: grupo hemo Fe++_; transporte de O2 en la sangre.

Mioglobina: grupo hemo Fe++_;

transporte de O2 en el músculo estriado.

Citocromos: grupo hemino Fe+++_; transporte de electrones en la cadena respiratoria y fotosíntesis.

Clorofilas: con Mg++ _{y el terpeno fitol;} son pigmentos fotosintéticos.

No porfirínicas:

Su grupo prostético es coloreado pero no metalporfirina.

Hemocianina: posee Cu++_{; transporte de} O2 en la sangre de algunos

invertebrados.

Hemeretrina: posee Fe+++_{; transporte de} O2 en la sangre de algunos

invertebrados.

Rodopsina: en la retina, capta la luz.

Glucoproteínas:

Su grupo prostético es un oligosacárido.

Hormonas FSH, LH (gonadotropinas) regulan ciclo ovárico y TSH (tirotropina).

Proteoglucanos (mucinas): en secreciones mucosas, tendones,

huesos y cartílagos.

Ribonucleasas: enzimas hidrolíticas de los ARN.

De membrana: forman parte del glucocálix celular o actúan

como receptores.

Lipoproteínas:

Su grupo prostético es un lípido.

Sanguíneas: transportan lípidos desde el intestino hasta otros

tejidos.

Fosfoproteínas:

Su grupo prostético es el ácido fosfórico.

Caseína, en la leche.

Vitelina en la yema de huevo. Nucleoproteínas:

Su grupo prostético es un ácido nucleico.

Desoxirriboproteínas: asociaciones de histonas y protaminas

con ADN (cromosomas).