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