Características generales y funciones.

Transcripción

1 1.6.-Proteínas Características generales y funciones. Todas las proteínas contienen C, H, O y N, además la mayoría contienen S y algunas P, Fe, Zn y Cu. Las proteínas constituyen el grupo de moléculas orgánicas más abundantes en los seres vivos, ya que suponen el 50% del peso seco celular. Son polímeros constituidos por la unión de moléculas llamadas aminoácidos. Gracias a su gran hetereogeneidad estructural, las proteínas asumen funciones muy variadas. Describir las funciones de las proteínas equivale a describir en términos moleculares todos los fenómenos biológicos. Podemos destacar las siguientes: Función enzimática. La gran mayoría de las reacciones metabólicas tienen lugar gracias a la presencia de un catalizador de naturaleza proteica específico para cada reacción. Estos biocatalizadores reciben el nombre de enzimas. La gran mayoría de las proteínas son enzimas. Estos enzimas, son proteínas que controlan la velocidad de las reacciones. Ejemplo: Glucógeno-sintasa, cuya función es sintetizar glucógeno a partir de glucosa. Función hormonal. Las hormonas son sustancias producidas por una célula y que una vez secretadas ejercen su acción sobre otras células dotadas de un receptor adecuado. Algunas hormonas son de naturaleza proteica, como la insulina y el glucagón (que regulan los niveles de glucosa en sangre) o las hormonas segregadas por la hipófisis como la hormona del crecimiento, o la calcitonina (que regula el metabolismo del calcio). Reconocimiento de señales químicas. La superficie celular alberga un gran número de proteínas encargadas del reconocimiento de señales químicas de muy diverso tipo (figura de la izquierda). Existen receptores hormonales, de neurotransmisores, de anticuerpos, de virus, de bacterias, etc. En muchos casos, los ligandos que reconoce el receptor ( hormonas y neurotransmisores) son, a su vez, de naturaleza proteica. Función de transporte. En los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte, bien para llevar una molécula hidrofóbica a través de un medio acuoso (transporte de oxígeno (hemoglobina) o lípidos a través de la sangre (lipoproteínas)) o bien para transportar moléculas polares a través de barreras hidrofóbicas (transporte a través de la membrana plasmática). Los transportadores biológicos son siempre proteínas. Función estructural. Las células poseen un citoesqueleto de naturaleza proteica que constituye un armazón alrededor del cual se organizan todos sus componentes, y que dirige fenómenos tan importantes como el transporte intracelular o la división celular. En los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colágeno forman parte importante de la matriz extracelular y son las encargadas de conferir resistencia mecánica tanto a la tracción como a la compresión. Así forman parte de las membranas biológicas y de estructura como huesos y tendones, así el colágeno, o la queratina, en pelos, uñas y plumas. Función de defensa. La propiedad fundamental de los mecanismos de defensa es la de discriminar lo propio de lo extraño. En bacterias, una serie de proteínas llamadas endonucleasas de restricción se encargan de identificar y destruir aquellas moléculas de

2 DNA que no identifica como propias (en color blanco en la figura de la derecha). En los vertebrados superiores, las inmunoglobulinas se encargan de reconocer moléculas u organismos extraños y se unen a ellos para facilitar su destrucción por las células del sistema inmunitario Función de movimiento. Todas las funciones de motilidad de los seres vivos están relacionadas con las proteínas. Así, la contracción del músculo resulta de la interacción entre dos proteínas, la actina y la miosina. El movimiento de la célula mediante cilios y flagelos está relacionado con las proteínas que forman los microtúbulos Funciones de reserva. La ovoalbúmina de la clara de huevo, la lactoalbúmina de la leche, la gliadina del grano de trigo y la hordeína de la cebada, constituyen una reserva de aminoácidos para el futuro desarrollo del embrión. Funciones reguladoras. Muchas proteínas se unen al DNA y de esta forma controlan la transcripción génica. De esta forma el organismo se asegura de que la célula, en todo momento, tenga todas las proteínas necesarias para desempeñar normalmente sus funciones. Las distintas fases del ciclo celular son el resultado de un complejo mecanismo de regulación desempeñado por proteínas como la ciclina Otras funciones. Los fenómenos de transducción (cambio en la naturaleza físicoquímica de señales) están mediados por proteínas. Así, durante el proceso de la visión, la rodopsina de la retina convierte (o mejor dicho, transduce) un fotón luminoso (una señal física) en un impulso nervioso (una señal eléctrica) y un receptor hormonal convierte una señal química (una hormona) en una serie de modificaciones en el estado funcional de la célula. Las proteínas presentan una serie de propiedades que determinan su actividad. Especificidad: Cada organismo posee algunas proteínas exclusivas que marcan su identidad biológica. Solubilidad: Las proteínas son solubles en agua, si disponen de suficientes aminoácidos con grupos polares. En solución, las proteínas pueden actuar como ácidos o como bases, según las cargas (- o +), dependiendo del ph del medio. Desnaturalización: Cambios de temperatura, o valores extremos de ph, así como la presencia de ciertos disolventes orgánicos, producen la rotura de enlaces no covalentes o alteran la carga de la proteína, y como consecuencia se altera la estructura tridimensional, espacial y por tanto su función Los Aminoácidos. Los veinte tipos distintos de aminoácidos que se encuentran en condiciones normales en las proteínas contienen un grupo amino (-NH 2 ) y un grupo carboxilo (- COOH) unidos al mismo átomo de carbono, llamado carbono alfa. Los aminoácidos difieren en su grupo R o cadena lateral unida al carbono alfa. La glicina, el aminoácido más simple presenta un hidrógeno como grupo R o cadena lateral; la alanina un grupo metilo (-CH 3 ).

3 Los aminoácidos puestos en una solución de ph neutro se comportan como iones dipolares. Esta es la forma en que se comportan en el ph celular. El grupo amino (-NH 2 ) acepta un protón hasta convertirse en -NH 3 + y el grupo carboxilo dona un protón convirtiéndose en -COO- disociado. Según se mencionó, la solución de un ácido y su base conjugada sirve de amortiguador y resiste cambios en el ph cuando se agrega un ácido o una base. Gracias a los grupos amino y carboxilo de una proteína, al encontrarse ésta en una solución, resiste cambios en la acidez o alcalinidad y, por lo tanto, desempeña las funciones de un importante amortiguador biológico. El carbono alfa de un aminoácido es un carbono asimétrico. Por tanto, cada aminoácido puede presentarse en dos enantiómeros distintos, o imágenes en espejo. Ambas imágenes se Ilaman L-isómero y D-isómero. Cuando se sintetiza un aminoácido en el laboratorio se produce una mezcla de isómeros L y D. Sin embargo los de los seres vivos son casi exclusivamente L-isómeros. Una excepción serían los pocos aminoácidos D presentes en los antibióticos producidos por los hongos. De esta forma, los D-aminoácidos, son aquellos en los que el grupo amino se sitúa a la derecha del carbono asimétrico, y los L-aminoácidos, los que muestran el grupo amino a la izquierda del carbono asimétrico. En los seres vivos existen unos 150 aminoácidos que no forman parte de las proteínas, pero que desempeñan funciones propias, así algunos neurotransmisores y precursores vitamínicos. Las propiedades de los aminoácidos, derivan de su estructura química: Son sólidos, cristalizables, solubles en agua y disolventes polares e insolubles en disolventes apolares. Carácter anfótero, es decir, pueden actuar como ácido o como base, dependiendo del ph del medio, donde se encuentre. En solución acuosa los aminoácidos suelen ionizarse. Estereoisomería (formas D y L). Punto isoeléctrico: cada aminoácido presenta un punto isoeléctrico distinto, ya que poseen cadenas R distintas, lo que nos va a permitir un modo o método de separación de aminoácidos llamado electroforesis. Este método consiste en separar una disolución de aminoácidos en un campo eléctrico. Los aminoácidos

4 cargados negativamente se desplazan hacia el ánodo, mientras que los cargados positivamente lo harán hacia el cátodo y aquellos que se encuentran en su punto isoeléctrico no se moveran. Según la cadena R, los 20 aminoácidos proteicos se clasifican en: Aminoácidos Apolares: su R es hidrófoba. Aminoácidos Polares: su R es hidrófila. Aminoácidos Ácidos: su R presenta un grupo carboxilo. Aminoácidos Básicos: su R presenta un grupo amino El Enlace Peptídico El grupo carboxilo de un aminoácido puede interaccionar con el grupo amino del siguiente aminoácido, quedando unidos ambos y liberándose una molécula de agua. El enlace creado es un enlace covalente llamado, enlace peptídico, el cual posee cierta rigidez debido al carácter parcial de doble enlace. El compuesto así formado se llama dipéptido, si un péptido consta de unos cuantos aminoácidos se llama oligopéptido; y si consta de unos centenares de aminoácidos, polipéptidos. Se emplea el término proteína para aquellos péptidos formados por miles de aminoácidos.

5 Estructura de las Proteínas. Las cadenas de polipéptidos que forman una proteína se encuentran enrolladas o plegadas de modo que forman una macromolécula con una conformación específica, tridimensional. Esta conformación determina la función de la proteína. Por ejemplo, la conformación única de una enzima le permite "identificar" y actuar sobre su sustrato, sustancia que dicha enzima regula. La forma de una proteína hormonal le permite combinarse con su receptor en el sitio de la célula blanco. (La célula sobre la cual la hormona está diseñada para actuar.) Las proteínas se clasifican en fibrosas o globulares. En las proteínas fibrosas, las cadenas de polipéptidos están dispuestas en láminas largas; en las proteínas globulares las cadenas de polipéptidos se encuentran plegadas en forma estrecha a fin de producir una molécula compacta, de forma esférica. La mayor parte de las enzimas son proteínas globulares. Hay varios niveles de organización en una molécula proteínica: primario, secundario, terciario y cuaternario. Estructura Primaria La secuencia de aminoácidos en una cadena de polipéptidos determina su estructura primaria. Esta secuencia, se especifica por la información genética. El número, tipo y orden de estos aminoácidos es diferente de una proteína a otra. Por convenio, el primer aminoácido de la cadena, es el que posee el extremo amino libre.

6 Utilizando métodos analíticos ideados al inicio del decenio de 1950, algunos investigadores determinaron la secuencia exacta de los aminoácidos que constituyen una molécula de proteína. La insulina, hormona secretada por el páncreas, que se utiliza en el tratamiento de la diabetes, fue la primera proteína cuya secuencia de aminoácidos en la cadena polipeptídica pudo determinarse. La insulina contiene 51 unidades de aminoácidos unidos en dos cadenas enlazadas. Estructura Secundaria La estructura secundaria de las proteínas implica que las cadenas se pliegan y forman un hélice u otra estructura regular. Esta uniformidad se debe a las interacciones entre los átomos del esqueleto regular de la cadena peptídica. Los grupos funcionales no intervienen en la formación de enlaces de la estructura secundaria. Las cadenas peptidicas no suelen encontrarse aplanadas ni se pliegan al azar sino que se pliegan y dan lugar a una estructura tridimensional específica. Una estructura secundaria que se observa con frecuencia en las moléculas de proteína es la llamada hélice alfa. Esto abarca la formación de espirales de una cadena peptídica. La hélice alfa es una estructura geométrica muy uniforme y en cada giro se encuentran 3,6 aminoácidos. La estructura helicoidal se determina y mantiene mediante puentes de hidrógeno entre los aminoácidos en los giros sucesivos de la espiral. En la estructura alfahelicoidal, los puentes de hidrógeno ocurren entre átomos de una misma cadena peptídica. La hélice alfa es la unidad estructural básica de las proteínas fibrosas como la lana, cabello, piel y uñas. Las fibras son elásticas porque los enlaces de hidrógeno pueden reformarse. Este es el motivo por el cual el cabello humano puede estirarse hasta cierto largo y luego recupera su longitud. Otro tipo de estructura secundaria es el denominado lámina plegada beta. En éstas los puentes de hidrógeno pueden ocurrir entre diferentes cadenas polipeptídicas (lámina intercatenaria); cada cadena en forma de zigzag está completamente extendida y los enlaces de hidrógeno ocasionan la formación de la estructura en

7 forma de lámina. Pero también se pueden formar láminas plegadas entre regiones diferentes de una misma cadena peptídica (lámina intracatenaria). Esta estructura es más flexible que elástica. La fibroína, la proteína de la seda, está caracterizada por una estructura de lámina plegada beta; el núcleo de muchas proteínas globulares tambien está formado por láminas beta. Las estructuras laminares intracatenarias ocurren sobre todo en proteínas globulares, en tanto que las intercatenarias entre las fibrosas. En ambos casos son posibles dos formas laminares, según el alineamiento de las diferentes cadenas o segmentos: si éstos se alinean en la misma dirección (de extremo N- a C-terminal, por ej.) la disposición es una lámina beta paralela, en tanto que si están alineados en sentido opuesto, la lámina es beta antiparalela. Si bien ambos casos ocurren en la naturaleza, la estructura antiparalela es más estable porque los dipolos C=O y N-H están mejor orientados para una interacción óptima. En las proteínas fibrosas la estructura es exclusivamente helicoidal (colágeno) o exclusivamente laminar, pero en las proteínas globulares la estructura secundaria siempre tiene una porción que no es ni helicoidal ni laminar, denominada aleatoria (zonas de conexión); estas proteínas pueden ser parcialmente helicoidales y aleatorias, parcialmente laminares y aleatorias, totalmente aleatorias o una mezcla variable de partes de ordenamiento helicoidal, laminar y aleatorio. Un concepto muy utilizado en la estructura tridimensional de una proteína es el dominio, que corresponde a una zona de la molécula que tiene características estructurales definidas. En una molécula de proteína puede haber más de un dominio y este hecho está relacionado con la función de la misma. Los dominios suelen ser muy conservados a lo largo de la evolución: las proteasas tipo papaína de virus, bacterias, plantas y animales tienen una estructura compuesta de dos dominios entre los cuales se ubica el sitio activo de la enzima. Estructura Terciaria Van der Waals y enlaces electrostáticos. En algunas proteínas la estructura secundaria se pliega de nuevo sobre sí misma, debido a las interacciones entre los grupos R de los aminoácidos. Estas interacciones son : Puentes disulfuro (entre aminoácidos de cisteina), puentes de hidrógeno, fuerzas de

8 De la estructura terciaria depende la función de la proteína, por lo que cualquier cambio en la disposición de esta estructura puede provocar la pérdida de su actividad biológica. De lo anterior se deduce, que la sustitución de un aminoácido por otro en la cadena polipeptídica puede alterar la estructura tridimensional de la proteína, al no formarse alguno de los enlaces citados y modificar, en consecuencia, los plegamientos, tanto en el nivel secundario como en el terciario. Resulta evidente, pues, la enorme importancia que tiene la estructura primaria en la adquisición de la correcta estructura espacial de la proteína. Estructura Cuaternaria Las proteínas compuestas de dos o más cadenas de polipéptidos adquieren una estructura cuaternaria: cada cadena muestra estructuras primaria, secundaria y terciaria y forma una molécula proteínica biológicamente activa. Las subunidades se unen, mediante diversos tipos de enlaces o interacciones, iguales a las que mantienen las estructuras terciarias. La hemoglobina, proteína de los glóbulos rojos encargada del transporte de oxígeno, es un ejemplo de proteína globular con estructura cuaternaria. La hemoglobina está compuesta por 574 aminoácidos dispuestos en cuatro cadenas polipeptídicas: dos cadenas alfa idénticas y dos cadenas beta idénticas entre sí. Su fórmula química es C 3032 H S 8 Fe Desnaturalización y Renaturalización. La estructura de las proteínas determina la actividad biológica de éstas. De entre las innumerables conformaciones teóricamente posibles de una proteína, generalmente hay una que predomina. Esta conformación es generalmente la más estable y en ese caso se dice que la proteína se encuentra en estado nativo (proteína nativa). La actividad biológica de una proteína puede ser afectada por cambios en la secuencia de aminoácidos o en la conformación de la proteína. Cuando ocurre una mutación (cambio químico en un gen) que ocasiona un cambio en la secuencia de aminoácidos de la hemoglobina, puede producirse un trastorno: anemia de céiulas falciformes. Las moléculas de hemoglobina en una persona con anemia de células falciformes tienen el aminoácido valina, en vez de ácido glutámico en la posición 6, es decir, el sexto aminoácido del extremo terminal de la cadena beta. La sustitución de la valina con una cadena lateral sin carga por glutamato con una cadena lateral con carga hace que la hemoglobina sea menos soluble y más propensa a formar estructuras en forma de cristal, lo que provoca un cambio en la forma de los glóbulos rojos. Los cambios en la estructura tridimensional de una proteína también alteran su actividad biológica. Cuando una proteína se calienta o se trata con algunas sustancias

9 químicas, su estructura terciaria se distorsiona y la cadena peptídica en espiral se desdobla para dar lugar a una conformación más al azar. Este desdoblamiento se acompaña de una pérdida de su actividad biológica; por ejemplo de su capacidad de actuar como enzima. Este cambio en la forma de la proteína y la pérdida de su actividad biológica se llama desnaturalización. En general, la desnaturalización no puede revertirse; sin embargo, en determinadas condiciones, algunas proteínas que han sido desnaturalizadas recuperan su forma original y su actividad biológica cuando se restauran las condiciones normales del medio, ello se denomina renaturalización. Factores desnaturalizantes son: Variaciones de presión, aumento de temperatura, variaciones de ph y cambios en la concentración salina. Las proteínas no son eternas y en las células es frecuente que las moléculas de proteína se sinteticen y se degraden de acuerdo a las necesidades celulares. La degradación de una proteína es llevada a cabo por proteasas o peptidasas que hidrolizan algunas o todas las uniones peptídicas, con lo que la proteína puede quedar reducida a sus unidades constitutivas, los aminoácidos, que pueden luego ser utilizados para construir moléculas de la misma o de otra proteína. El proceso de hidróliisis destruye la estructura primaria y en el laboratorio puede ser llevado a cabo por la acción de enzimas o por ácidos o álcalis concentrados y a elevadas temperaturas.