PROTEÍNAS. Constituyen alrededor del 50% del peso de un ser humano, una vez eliminada el agua de su cuerpo.

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1 TEMA 8 PROTEÍNAS GUIÓN. (4 sesiones) 1.- CONCEPTO DE PROTEÍNA. - Unidades básicas: aminoácidos. - Enlace peptídico. 2.- ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS. - Estructura primaria de las proteínas. - Estructura secundaria. - Estructura terciaria. - Estructura cuaternaria. - Concepto de estructura nativa y desnaturalización. 3.- IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LAS PROTEÍNAS. - Componentes estructurales: membranas, tejidos de sostén. - Transportadores: hemoglobina. - Defensa del organismo. - Enzimas. - Carácter tamponador. - Función contráctil. 1.- CONCEPTO DE PROTEÍNA. Constituyen alrededor del 50% del peso de un ser humano, una vez eliminada el agua de su cuerpo. Químicamente están constituidas por átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (éste último elemento las caracteriza). También son frecuentes, aunque en menor cantidad, azufre y fósforo. Las proteínas son macromoléculas, formadas por la unión de unidades sencillas llamadas aminoácidos. Una proteína tiene al menos 100 aminoácidos. Son las sustancias que realmente realizan el trabajo de construcción de las células y del organismo. Podemos considerar que las proteínas son los sirvientes biológicos que ejecutan las órdenes de sus señores, los ácidos nucleicos. Realizan 2 trabajos fundamentales: En primer lugar, actúan como los catalizadores (enzimas) que hacen que todas las reacciones químicas de la célula tengan lugar. Se encargan de producir, procesar y también destruir a los lípidos, glúcidos y los otros componentes celulares. En segundo lugar, las proteínas sirven de unidades estructurales que mantienen la unidad de los organismos y les dan la forma y la capacidad de moverse. 1

2 A) UNIDADES BÁSICAS: AMINOÁCIDOS. CARÁCTER UNIVERSAL DE LOS AMINOÁCIDOS.- Es sorprendente que las diferentes proteínas que constituyen todos los seres vivos estén formadas por la combinación de tan sólo 20 aminoácidos, conocidos como aminoácidos comunes. El hecho de que estos 20 aminoácidos se presenten una y otra vez en todas las proteínas, incluidas las producidas por las bacterias, las plantas y los animales, es probablemente una consecuencia del proceso evolutivo y puede constituir una prueba del origen común de todos los seres vivos. Además de estos aminoácidos, en las proteínas se pueden encontrar aminoácidos derivados, obtenidos por la modificación de uno de los aminoácidos comunes gracias a la participación de alguna enzima. ESTRUCTURA BÁSICA.- Los aminoácidos (aa s ) tienen en común un átomo de carbono central (alfa) al que están unidos covalentemente un grupo ácido carboxílico, un grupo amino y un átomo de hidrógeno. Además de ello, al átomo de carbono alfa se une una cadena lateral, designada R, que es diferente para cada uno de los 20 aminoácidos comunes. H R C COOH NH 2 Un aminoácido disuelto en una solución a ph 7 se encuentra en forma ionizada: el grupo amino unido al carbono alfa, está protonado en su forma de ión amonio; el grupo ácido carboxílico se encuentra en su forma desprotonada o carboxilato. TIPOS DE AMINOÁCIDOS. La clasificación de los aminoácidos se hace en función del tipo de cadena lateral "R" que posee cada uno de ellos: Aminoácidos alifáticos. El radical R es una cadena abierta y lineal derivada de la unión de grupos: -CH 2 -CH 3. Se subdividen en: A. Neutros (con igual número de grupos carboxílo que de grupos amino). A. Ácidos (con mayor número de grupos carboxilo que de grupos amino). A. Básicos (con mayor número de grupos amino que de grupos carboxilo). Aminoácidos aromáticos. El radical es una cadena cerrada, generalmente relacionada con el ciclo del benceno. Aminoácidos heterocíclicos. El radical es una cadena cerrada, generalmente compleja y con algunos átomos distintos del de carbono. Cuando se estudia la estructura de las proteínas, es importante tener una idea de la hidrofobicidad de las cadenas laterales de los aminoácidos que la forman. Para este fin, la siguiente clasificación tiene más utilidad: Aminoácidos con grupo R no polar. Aminoácidos con grupo R polar. Aminoácidos ácidos. Aminoácidos básicos. 2

3 PROPIEDADES DE LOS AMINOÁCIDOS.- Los aminoácidos son compuestos sólidos cristalinos, solubles en agua. Además, presentan: Propiedades ÓPTICAS.- Todos los aminoácidos excepto la glicina o glicocola poseen un carbono asimétrico, el carbono a, el cual presenta 4 radicales diferentes: un grupo amino, un grupo carboxilo, un radical R y un hidrógeno. Debido a esta característica, los aminoácidos presentan actividad óptica, es decir, son capaces de desviar el plano de la luz polarizada que atraviese una disolución de aminoácidos. Se dice que son dextrógiros, si giran dicho plano hacia la derecha y levógiros si lo giran hacia la izquierda. Independientemente de lo dicho, y por convenio, se acepta que un aminoácido tiene configuración D, si el grupo -NH 2 se halla situado a la derecha, mientras que si se encuentra a la izquierda, poseerá una configuración L. En la naturaleza, la forma L es la más abundante. Propiedades ÁCIDO-BASE.- Cuando los aminoácidos se encuentran en soluciones cuyo ph esté próximo a 7, los aminoácidos están ionizados. En este caso, el grupo amino se comporta como base y capta un protón, mientras que el grupo carboxilo actúa como ácido y pierde un protón. En este estado, los aminoácidos forman dipolos (forma dipolar o "zwitterion"). Cuando los aminoácidos se encuentran en una solución ácida (elevado número de protones en el medio), el aminoácido tiende a captarlos y se carga positivamente: actúa como una base. Si el medio es básico, el aminoácido libera protones y queda cargado negativamente, comportándose como un ácido. Este peculiar comportamiento de los aminoácidos se conoce como COMPORTAMIENTO ANFÓTERO (son tanto ácidos como bases). SOLUBILIDAD.- La bipolaridad de los aminoácidos, similar a la del agua, explica que la solubilidad de estos en el agua sea mayor de lo que cabría esperar de acuerdo con su masa molecular y su estructura. Elevado PUNTO de FUSIÓN.- El punto de fusión de los aminoácidos es bastante elevado, al existir atracciones iónicas entre ellos. Estas atracciones iónicas poseen más energía de enlace que los enlaces de Van der Waals. AMINOÁCIDOS ESENCIALES. Muchos de los aminoácidos con los que se forman las proteínas proceden de las proteínas de la dieta, las cuales, tras la digestión, se descomponen en aminoácidos libres que son absorbidos por el intestino delgado. Sin embargo, cuando las necesidades así lo requieren, hay aminoácidos que se sintetizan en el interior de las células a partir de otros componentes metabólicos. Aquellos aminoácidos que pueden ser producidos por el metabolismo humano, se conocen como aminoácidos no esenciales, mientras que los aminoácidos esenciales son aquellos que no pueden ser sintetizados por las células del cuerpo humano porque éstas carecen de los enzimas biosintéticos necesarios. Los aminoácidos esenciales son: Fenilalanina, Triptófano, Metionina, Isoleucina, Treonina, Valina, Leucina e Histidina. La Arginina se sintetiza en los tejidos de los mamíferos, pero a una velocidad insuficiente para satisfacer las necesidades durante el crecimiento. La Fenilalanina es esencial debido a que se necesitan grandes cantidades para formar la tirosina, del mismo modo que la metionina se necesita en grandes cantidades para producir cisteína. 3

4 B) ENLACE PEPTÍDICO. Los aminoácidos se polimerizan formando moléculas más complejas conocidas como PÉPTIDOS. FORMACIÓN DEL ENLACE PEPTÍDICO.- Los aminoácidos se unen unos a otros mediante enlaces de tipo amídico (-CO-HN-) llamados enlaces peptídicos. Estos enlaces, de naturaleza covalente, se establecen entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro. La unión peptídica es una reacción de condensación (combinación de dos moléculas, en este caso aminoácidos, para dar un producto, en este caso dipéptido, y agua). Debido a que esta reacción se produce en medio acuoso, la tendencia natural seria a que la reacción se desplazara en sentido contrario, pero no es así debido a que intervienen ciertos agentes denominados condensantes como el ATP. 2.- ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS. Entre las cadenas polipeptídicas naturales más grandes en el hombre se encuentra la del procolágeno que contiene aproximadamente unos 1200 restos aminoácidos por cadena polipeptídica. Al otro lado del espectro se encuentran muchos polipéptidos pequeños que contienen menos de 10 aminoácidos. Teóricamente, podrían existir un elevado número de proteínas diferentes, ya que con los 20 aminoácidos disponibles en los seres vivos, estos se podrían ordenar de innumerables maneras y cada combinación produciría una proteína distinta. Las proteínas se diferencian entre si, por el número y tipo de los aminoácidos que los forman, y por el orden (secuencia) de estos aminoácidos. Esto queda de manifiesto si consideramos que se pueden formar 20 2 = 400 dipéptidos distintos. 100 aminoácidos, pueden combinarse formando secuencias distintas, siendo cada una de ellas una proteína diferente. Sin embargo, la existencia de un elevado número de proteínas sería incompatible con el necesario orden que impone la vida celular. Debido a ello, tan sólo una pequeña cantidad del total de posibles proteínas ha sido seleccionada para llevar alguna función en los seres vivos. Cada ser vivo, posee varios miles de proteínas que le son específicas. La estructura de las mismas es tan importante, que en algunos casos, el cambio de un único aminoácido puede alterar su función y causar problemas graves al individuo. A medida que se sintetiza la proteína en los ribosomas, las cadenas laterales de los aminoácidos reaccionan entre ellas o con el medio en el que se encuentran. Así, aquellos cadenas hidrofóbicas tienden a agruparse en el interior de la molécula, evitando de este modo el medio acuoso. Por el contrario, la mayoría de restos polares se sitúan en la parte externa de la molécula, donde forman puentes de hidrógeno con el agua. Los enlaces peptídicos, también son polares y reaccionan entre sí y con otros restos polares, estableciendo enlaces por puente de hidrógeno. Todas estas interacciones hacen que la molécula se pliegue de una determinada forma, adoptando una estructura tridimensional especifica, una conformación característica. ESTUDIO DE UNA PROTEÍNA. Conocer los aminoácidos que forman una proteína y el orden que mantienen en ella (secuencia de aminoácidos), es un requisito básico para comprender la estructura de la proteína. Pero también debe conocerse si la proteína está formada por varias cadenas polipeptídicas unidas entre sí. Por ejemplo, la hemoglobina está formada por 4 cadenas polipeptídicas, 4

5 la cubierta del virus de la polio contiene 60 y la proteína del virus del mosaico del tabaco contiene Además, debe estudiarse la organización de las cadenas y la conformación de cada una de ellas. Para evitar probables confusiones, el estudio de la estructura de cualquier proteína se realiza a 4 niveles: A) ESTRUCTURA PRIMARIA. Toda cadena polipeptídica a nivel primario está formada por: Una secuencia de aminoácidos característica Un esqueleto constituido por la serie de enlaces peptídicos resultantes de la unión de los aminoácidos. y por cadenas laterales que son los radicales de cada aminoácido. El enlace peptídico tiene carácter parcial de doble enlace, debido a que presenta una resonancia estabilizada entre dos formas, que hace que sus átomos de N, O y C compartan sus electrones. O O(-) (+) - C - N - - C = N - H H Esta propiedad del enlace peptídico impone ciertas restricciones; así, aunque los péptidos son estructuras flexibles capaces de efectuar rotaciones alrededor de los enlaces N - C (alfa) y C - C (alfa), no pueden sin embargo efectuar torsiones alrededor de los enlaces peptídicos, y esta circunstancia determina que los átomos de cada enlace se encuentren en el mismo plano. Consecuencia de esto, es que el esqueleto de la cadena polipeptídica se asemeja más a una sucesión de placas articuladas que a un rosario de cuentas. Aunque estos aspectos son interesantes, lo importante cuando se estudia a nivel primario una proteína es conocer la secuencia de aminoácidos que la componen, ya que ésta determina la estructura tridimensional de la misma.una cadena polipeptídica que haya perdido su típica estructura tridimensional carece de actividad biológica, ya que es ésta, la que determina su función específica dentro del ser vivo. Dése cuenta, que la conformación característica de una proteína es el resultado de la peculiar organización de sus átomos y en última instancia, de su secuencia de aminoácidos. Por ejemplo: Se determinó la estructura primaria de la hemoglobina normal y la de un tipo de hemoglobina no normal que es la responsable de la anemia falciforme. El estudio reveló que en una de las cadenas polipeptídicas que forman esta proteína (la cadena ß) en la posición sexta, la hemoglobina normal (A) presenta un resto de ácido glutámico mientras que en la hemoglobina no normal (S) esta posición está ocupada por la valina. En consecuencia, los individuos con Hb S tienen reemplazado un grupo de cadena lateral polar por un grupo no polar hidrofóbico. Esto provoca que las moléculas de Hb S se polimerizen con otras, produciendo una precipitación de las mismas dentro del eritrocito. La precipitación de la hemoglobina S comunica a los hematies un aspecto falciforme, que los hace más vulnerables a la lisis y con mayor probabilidad de quedar en los capilares sanguíneos obstruyendo el paso de la sangre. 5

6 Las proteínas suelen ser distintas en cada especie. Esta ESPECIFICIDAD de especie es debida a la distinta situación de uno o varios aminoácidos de los que componen estas moléculas. Así, aunque desempeñan la misma función en especies diferentes, son específicas para cada una de ellas. Esta variabilidad en la estructura primaria hace que, en ocasiones, aparezcan diferencias entre proteínas pertenecientes a individuos de la misma especie (especificidad individual). Al ser recibidas tales moléculas por otro individuo de la misma especie (transfusiones de sangre, injertos de piel, trasplante de órganos, etc), su organismo las considera como extrañas y responde con reacciones de rechazo (reacciones antígeno-anticuerpo). Este efecto que, en general, resulta beneficioso pues rechaza todo agente que sea extraño al individuo, produce en este caso un efecto perjudicial (no olvidemos que la evolución no contempla la posibilidad de un trasplante ni siquiera entre individuos de la misma especie). Si la cadena polipeptídica tiene aminoácidos que puedan establecer entre ellos enlaces por puente disulfuro, estos se estudian dentro de la estructura primaria. Por lo tanto, como conclusión podemos decir que la estructura primaria se refiere a la secuencia de aminoácidos y la localización de los puentes disulfuro, si los hubiere. Así pues, la estructura primaria comprende la uniones covalentes de la proteína. B) ESTRUCTURA SECUNDARIA. Los enlaces peptídicos son polares y reaccionan entre sí y con otros restos polares, estableciendo enlaces por puente de hidrógeno. Debido a esto y a las posibilidades de giro de los enlaces vecinos al enlace peptídico, el esqueleto polipeptídico se enrosca formando la parte interior de la molécula, y las cadenas laterales de los aminoácidos se extiende hacia afuera en una disposición helicoidal. El resultado es una estructura semejante a un cilindro, conocida como hélice alfa, que queda estabilizada por los enlaces de hidrógeno establecidos entre los grupos NH y CO de la cadena principal. Las cadenas polipeptídicas pueden adoptar otra estructura, conocida como hoja plegada ß. En este caso, la cadena principal está casi completamente extendida y queda estabilizada por enlaces de hidrógeno que se establecen entre los grupos NH y CO de filamentos polipeptídicos diferentes. Las cadenas adyacentes en una hoja plegada ß pueden orientarse en la misma dirección (hoja ß paralela) o en direcciones opuestas (hoja ß antiparalela). Un tercer tipo de estructura secundaria lo constituye la hélice del colágeno, la cual es responsable de la gran fuerza tensil de éste. C) ESTRUCTURA TERCIARIA. Este nivel corresponde a la conformación espacial definitiva que adoptan las diferentes regiones de la cadena polipeptídica (cada una con su correspondiente estructura secundaria), como consecuencia de las interacciones establecidas entre las cadenas laterales de los aminoácidos de diferentes puntos de la cadena. A este nivel, son dos las conformaciones más frecuentes en las proteínas: Conformación globular, en la que la estructura se pliega adoptando formas que, en ocasiones, parecen esféricas. Generalmente, en los tramos rectos, la cadena polipeptídica posee una estructura secundaria de tipo alfa-hélice y en los codos presenta una estructura secundaria tipo ß o ninguna. Estas formas se mantienen estables debido a la existencia de enlaces entre los radicales R de los diferentes aminoácidos (puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, puentes salinos...). 6

7 Las proteínas con esta conformación son solubles en agua y en disoluciones salinas, difundiéndose además con facilidad en estos medios. La conformación filamentosa es una forma lineal en la que la estructura secundaria es de alfa-hélice en toda su longitud. Las proteínas que poseen esta conformación son insolubles en agua y en disoluciones salinas. D) ESTRUCTURA CUATERNARIA. Las proteínas que poseen más de una cadena polipeptídica pueden presentar un nuevo nivel de organización estructural. A cada cadena polipeptídica de una proteína así se le denomina subunidad. La estructura cuaternaria se refiere al ordenamiento espacial de tales subunidades y a la naturaleza de sus contactos mutuos. Resumen: Estructura primaria.- Esqueleto covalente (enlaces peptídicos y puentes S-S). Estructura secundaria.- Puentes de H. Estructura terciaria y cuaternaria.- Enlaces de Van der Waals E) ESTRUCTURA NATIVA Y DESNATURALIZACIÓN. La existencia de enlaces en la cadena polipeptídica que permiten la libre rotación de sus átomos, posibilita que, en teoría, cualquier proteína pueda adoptar un elevado número de formas o conformaciones. Sin embargo, de todas estas estructuras posibles, sólo una es la funcional y permite a la proteína realizar la acción para la que está destinada. Esta estructura funcional se conoce como conformación nativa. La conformación nativa puede alterarse si por algún proceso se rompen los enlaces por puente de hidrógeno u otras interacciones, y con ello desaparecen las estructuras secundarias y terciarias originales. A este proceso se le conoce como desnaturalización. La rotura de los enlaces de hidrógeno se puede producir por medio físicos (irradiación ultravioleta, calor, etc) o químicos (disolventes orgánicos, detergentes, urea o variaciones del ph). Por ejemplo: un aumento del ph por encima de 8.0 supone la rotura de la mayor parte de los enlaces por puente de hidrógeno. La desnaturalización es un proceso cooperativo de forma, que la rotura de un enlace de hidrógeno favorece la del siguiente. Por ejemplo, la leche se "corta" y la caseína de la leche (antes soluble) precipita formando yogur, cuando determinadas bacterias convierten la lactosa en ácido láctico, provocando un descenso en el ph. Un aumento moderado de la temperatura también rompe los enlaces por puente de hidrógeno. Si la temperatura es superior a 60ºC se destruye la estructura helicoidal; esto es lo que ocurre cuando se coagula la albúmina de la clara de huevo al freír este. 7

8 La desnaturalización provoca generalmente una disminución de la solubilidad de las proteínas, las cuales pueden precipitar. Ello se debe a la pérdida de la estructura globular que pasa a filamentosa, entonces, la capa de moléculas de agua no recubre totalmente a las moléculas proteicas y estas se unen dando lugar a grandes partículas que precipitan. Si la desnaturalización es suave, se puede obtener de nuevo la conformación original al reinstaurar las condiciones iniciales del medio, ya que como sabemos, toda la información relativa a la conformación nativa está contenida en la secuencia de aminoácidos. A ese proceso se le denomina renaturalización. Este proceso no siempre es reversible, habrá por lo tanto, desnaturalización reversible e irreversible). La desnaturalización provoca la perdida de la función proteica; aunque la perdida de la función proteica, que puede ser debida a sólo un pequeño cambio de conformación, no es necesariamente sinónimo de desnaturalización. La perdida de un solo puente de hidrógeno estructuralmente esencial, o de una interacción electrostática o hidrofóbica, puede llevar a la desnaturalización de una estructura plegada. 3.- IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LAS PROTEÍNAS Entre la diversidad de proteínas existentes, podemos distinguir dos tipos: las NO ACTIVAS, fibrosas, que realizan funciones estructurales, y las ACTIVAS, globulares, que participan en la dinámica celular, en la que desempeñan funciones de transporte, catalíticas, de defensa, etc. Estas segundas, son capaces de reconocer otras sustancias denominadas ligandos, a las que pueden unirse. En ocasiones, una sola molécula de proteína puede desempeñar al mismo tiempo un papel estructural y catalítico. PROTEÍNAS ESTRUCTURALES. Se dice de las proteínas que son los edificios que mantienen la materia viva.así, realizan este tipo de función las proteínas que constituyen las membranas celulares, (glucoproteínas y proteínas estructurales de membrana), los microtúbulos, los cilios, los flagelos. A nivel de tejidos, se pueden citar las fibras del tejido reticular (con la proteína reticulina) y las formaciones epidérmicas (como pelo, uñas, plumas, caparazón de las tortugas), secreciones mucosas (mucoproteínas) y el colágeno de los cartílagos y huesos. PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS.Las permeasas regulan el paso de moléculas a través de las membranas celulares. La hemoglobina transporta el O 2 a través del torrente circulatorio. La mioglobina transporta el 0 2 a nivel del músculo. La hemocianina se encarga del transporte de este gas en los invertebrados. La seroalbúmina transporta compuestos químicos por la sangre. PROTEÍNAS DE DEFENSA. Las γ-globulinas o inmunoglobulinas constituyen los anticuerpos que se sintetizan cuando en el organismo aparecen sustancias extrañas (antígenos). ENZIMAS. Los prótidos con estas funciones se denominan biocatalizadores ya que aceleran las reacciones biológicas. PROTEÍNAS CON CARÁCTER TAMPONADOR. Las proteínas juegan un papel 8

9 fundamental en el control de iones hidrógeno (regulación del ph). Este propiedad por la cual se evitan las variaciones bruscas de ph (amortiguación o carácter tamponador) se debe a los grupos aminos y ácidos terminales y a otros que, formando parte de las cadenas laterales de los aminoácidos, son ionizables. La hemoglobina es el tampón no carbónico más importante de la sangre. También contribuyen a evitar el cambio de ph de manera significativa las proteínas plasmáticas. PROTEÍNAS CONTRÁCTILES.Son de gran importancia la actina y la miosina que funcionan en la contracción muscular. * En las fibras musculares estriadas, los microfilamentos de actina se asocian con proteínas como la miosina, la troponina y la tropomiosina, formando paquetes de filamentos conocidos como miofilamentos. Estos miofilamentos son de 2 tipos: los miofilamentos gruesos, formados exclusivamente por haces de miosina. y los miofilamentos delgados, constituidos por moléculas de actina, troponina y tropomiosina. Los miofilamentos gruesos y delgados se organizan, formando unas estructuras denominadas miofibrillas. El ordenamiento regular de las moléculas hace que en las miofibrillas vistas al microscopio, se observen una serie de bandas características. banda I banda A banda I línea Z línea Z Los filamentos gruesos de miosina, poseen numerosos brazos laterales mediante los cuales entran en contacto con los filamentos adyacentes de actina. Durante la contracción muscular, estos brazos actúan como diminutos remos empujando a los filamentos de actina, los cuales se deslizan sobre los filamentos gruesos. Para que ocurra la contracción muscular se requiere energía suministrada por el ATP. * En las fibras musculares lisas, también hay filamentos gruesos y delgados, alineados al eje longitudinal de la célula. Sin embargo, estos filamentos no están dispuestos según el diseño que se observa en los músculos estriados. PROTEÍNAS REGULADORAS. Muchas hormonas son proteínas. Entre las hormonas proteicas se encuentran la insulina, tirotropina, somatotropina (hormona del crecimiento), hormona luteinizante y hormona estimulante de los folículos. Aquellas hormonas que tienen un peso molecular bajo (< 5.000) se denominan péptidos. Son hormonas peptídicas la adrenocorticotropina, la hormona antidiurética, glucagón y calcitonina. PROTEÍNAS DE RESERVA. La ovoalbúmina de la clara de huevo y la caseína de la leche actúan como proteínas de reserva. 9