5. PROTEINAS 5.1. CONCEPTO E IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LAS PROTEÍNAS Una proteína es un polipéptido formado por más de 50 aminoácidos. Los polipéptidos son polímeros de aminoácidos, unidos mediante enlaces peptídicos. La palabra proteína fue propuesta en 1838 para designar los compuestos orgánicos principales de la materia viva (del griego πρωτεῖος : "proteios", que significa "lo primero" o fundamental ). Las proteínas desempeñan un papel fundamental en los seres vivos y son las biomolécula más versátiles y más diversas, por ello, también se puede establecer su origen etimológico en relación con el dios griego Proteo, por su gran habilidad para cambiar de forma. Realizan una enorme cantidad de funciones diferentes, entre las que destacan la enzimática, hormonal, transportadora, defensiva, estructural, etc. Como nutrientes, son esenciales para el crecimiento, pues suministran Nitrógeno, bioelemento que ni los glúcidos ni los lípidos aportan a la dieta. 5.2. AMINOÁCIDOS. ENLACE PEPTÍDICO Son moléculas pequeñas, que se caracterizan por poseer un grupo amino (-NH 2 ) y un grupo carboxilo (- COOH), de ahí su nombre, ya que son aminas y ácidos orgánicos. Formadores de proteínas existen 20 aminoácidos diferentes. Todos ellos son -aminoácidos porque tienen el grupo carboxilo y el grupo amino unidos al mismo carbono, el denominado carbono. Lo que varía de uno a otro, es el radical R. 5.2.1. PROPIEDADES DE LOS AMINOÁCIDOS Los aminoácidos son compuestos cristalinos, solubles en agua (polares) y presentan actividad óptica, ya que poseen un carbono asimétrico unido a cuatro radicales distintos, lo que da lugar a un isómero D y un isómero L (excepto en el caso de la Glicocola). El isómero D es el que, situando el grupo COOH hacia arriba, tiene el grupo -NH 2 a la derecha, mientras que el isómero L tiene el grupo -NH 2 a la izquierda. Una propiedad de los aminoácidos muy importante es su comportamiento anfótero, ya que un determinado aminoácido puede actuar como ácido (cediendo H + ) o como base (captando H + ), dependiendo del ph del medio en que se encuentre. Gracias a esta propiedad, estos compuestos, así como las proteínas formadas por ellos contrarrestan las variaciones de ph del medio, lo que se denomina efecto tampón o efecto amortiguador del ph. 23
El ph en el cual un aminoácido tiende a adoptar la forma dipolar neutra, con tantas cargas positivas como negativas, recibe el nombre de punto isoeléctrico. Cuando el ph del medio es igual al punto isoeléctrico, el aminoácido es neutro, cuando el ph del medio es inferior al punto isoeléctrico (más ácido), el aminoácido capta H + (comportamiento básico) y adquiere carga positiva. Si, por el contrario, el ph del medio es mayor que el punto isoeléctrico (más básico), el aminoácido se comporta como un ácido y cede H +, por lo que adquiere carga negativa. 5.2.2. TIPOS DE AMINOÁCIDOS Según la polaridad del radical R, se distinguen varios tipos de aminoácidos: Apolares: Sus radicales carecen de carga eléctrica. El radical puede ser lineal (alifático), cíclico (aromático)o heterocíclico. Polares, sin carga o neutros: Sin grupos COOH ni NH 2 en el radical. Polares con carga negativa o ácidos: Tienen un grupo COOH en el radical R. Polares con carga positiva o básicos: Tienen uno o más grupos NH 2 en el radical R. TIPO DE AMINOÁCIDO APOLARES POLARES Y NEUTROS POLARES Y ÁCIDOS POLARES Y BÁSICOS AMINOÁCIDO ABREVIATURA PUNTO ISOELÉCTRICO ALANINA Ala 6.02 VALINA Val 5.97 LEUCINA Leu 6.00 ISOLEUCINA Ile 6.02 METIONINA Met 5.75 PROLINA Pro 6.30 FENILALANINA Phe 5.53 TRIPTÓFANO Trp 5.89 GLICINA Gly 6.06 SERINA Ser 5.68 CISTEÍNA Cys 5.07 TIROSINA Tyr 5.65 TREONINA Thr 6.16 ASPARRAGINA Asn 5.41 GLUTAMINA Gln 5.65 ÁCIDO ASPÁRTICO Asp 2.97 ÁCIDO GLUTÁMICO Glu 3.22 LISINA Lys 9.74 ARGININA Arg 10.76 HISTIDINA His 7.58 METIONINA FENILALANINA SERINA ÁCIDO GLUTÁMICO LISINA 24
5.2.3. EL ENLACE PEPTÍDICO Es un enlace covalente que se establece entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, desprendiéndose una molécula de agua. Cuando se unen 2 aminoácidos, se desprende 1 molécula de agua y se forma un dipéptido: Si se une un número de aminoácidos inferior a 10, el compuesto que se forma es un oligopéptido y, si el número de aminoácidos es superior a 10, el compuesto formado recibe el nombre de polipéptido. Entre los polipéptidos, se encuentran las proteínas, que tienen más de 50 aminoácidos y cuyo peso molecular es igual o superior a 5000 u. 25
5.3. ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS Las proteínas son polipéptidos formados por la unión de más de 50 aminoácidos mediante enlaces peptídicos. Las características y propiedades de las proteínas vienen determinadas por 4 niveles estructurales: 1. Estructura primaria: Corresponde a la secuencia de aminoácidos de la proteína, es decir, qué aminoácidos la forman y el orden en el que éstos están unidos mediante enlaces peptídicos. El inicio de la cadena lo constituye el aminoácido cuyo grupo NH 2 ha quedado libre y se designa como extremo N-terminal; mientras que al final de la cadena está el aminoácido cuyo grupo COOH ha quedado libre y se designa como extremo C-terminal. 2. Estructura secundaria: Es la disposición en el espacio de la cadena de aminoácidos. La cadena se pliega debido a que se establecen puentes de hidrógeno entre los grupos CO- y NHcorrespondientes a distintos aminoácidos. Se conocen tres tipos de estructura secundaria: -hélice. Se forma por enrollamiento helicoidal de la estructura primaria debido a la formación de sucesivos puentes de hidrógeno entre el CO- de un aminoácido y el NH del cuarto aminoácido siguiente de la cadena. La espiral así formada tiene 3,6 aminoácidos en cada vuelta. Hoja plegada o conformación. En este caso, la cadena de aminoácidos no está enrollada, sino distendida, conservando su estructura en zigzag. Cuando la cadena con esta estructura se dobla sobre sí misma, se pueden formar puentes de H entre grupos CO- y grupos-nh- que antes estaban alejados y ahora quedan enfrentados y próximos. Así se forma una especie de lámina plegada muy estable. Hélice de colágeno. Se forma por un enrollamiento helicoidal algo más laxo que la - hélice, debido, en este caso, a la abundancia del aminoácido prolina y de su derivado, la hidroxiprolina en la cadena. Por su peculiar estructura estos aminoácidos sólo tienen un H unido al N, el cual gastan en el enlace peptídico, por lo que no pueden formar puentes de hidrógeno. 26
3. Estructura terciaria: Es la disposición que adopta en el espacio la estructura secundaria. Sólo tienen esta estructura las proteínas cuya estructura secundaria se repliega sobre sí misma, originando una conformación globular. Los enlaces que mantienen estable la conformación globular se establecen entre los radicales R de los aminoácidos y son de varios tipos: Enlaces fuertes. Son los puentes disulfuro, enlaces covalentes que se forman entre dos grupos SH. Se establecen, por tanto, entre los radicales de la cisteína (R= CH 2 SH) y se representan S S. Enlaces débiles. Son de varios tipos: Puentes de H, principalmente, entre grupos OH de distintos radicales. Interacciones iónicas entre radicales polares con cargas de signo contrario. Fuerzas de Van der Waals, interacciones muy débiles entre grupos no cargados que se pueden polarizar temporalmente. Interacciones hidrófobas entre radicales apolares. Las proteínas que no llegan a formar una estructura terciaria, mantienen su estructura secundaria más o menos alargada, por lo que reciben el nombre de proteínas filamentosas. Las propiedades de las proteínas globulares y filamentosas son muy diferentes. Es muy importante su distinta solubilidad en agua: las globulares suelen ser solubles, mientras que las filamentosas son insolubles, por lo que suelen ejercer funciones de tipo estructural esquelético, como es el caso de la -queratina del pelo, plumas uñas y cuernos y de la -queratina de la seda. 4. Estructura cuaternaria: Es la que presentan las proteínas constituidas por la unión de dos o más cadenas polipeptídicas. Cada una de las cadenas que integran la proteína recibe el nombre de protómero. Los enlaces que mantienen unidos los protómeros entre sí pueden ser débiles o fuertes, similares a los estudiados para la estructura terciaria. Un conocido ejemplo de proteína con estructura cuaternaria es la hemoglobina, formada por cuatro protómeros (2 cadenas llamadas y 2 cadenas llamadas ) HEMOGLOBINA 27
5.4. FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS Función estructural. A nivel celular, las proteínas se localizan a ambos lados de la bicapa lipídica (proteínas extrínsecas o periféricas) y atravesando la bicapa (proteínas integrales o intrínsecas), por lo que forman parte de todas las membranas celulares. Ciertas glucoproteínas que forman parte de las membranas celulares, actúan como receptores o facilitan el transporte de sustancias. También la actina y la tubulina constituyen la estructura de cilios y flagelos y del citoesqueleto A nivel molecular, las histonas se unen al ADN y hacen posible su empaquetamiento hasta formar los cromosomas. A nivel histológico, confieren elasticidad y resistencia. Como el colágeno del tejido conjuntivo fibroso, la elastina del tejido conjuntivo elástico o la queratina de cabellos y uñas. Función enzimática. Las enzimas son las proteínas más numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadores de las reacciones químicas del metabolismo celular. Función hormonal. 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 STH (hormona del crecimiento) y la ACTH (adrenocorticotrópica) que regula la síntesis de corticosteroides. También una hormona producida por el tiroides, la calcitonina, que regula el metabolismo del calcio. Función homeostática. Las proteínas actúan, junto con otros sistemas amortiguadores, para mantener constante el ph del medio interno. También se puede considerar que tienen esta función la trombina y el fibrinógeno, que intervienen en la coagulación de la sangre, por lo que mantienen constante el volumen sanguíneo evitando hemorragias. Función defensiva. Las inmunoglobulinas actúan como anticuerpos frente a los antígenos. Algunas toxinas bacterianas, como la del botulismo, o venenos de serpientes, son proteínas fabricadas con funciones defensivas. También muchos antibióticos son péptidos segregados por bacterias y hongos para evitar la competencia de otros microorganismos. Función transportadora. Además de las permeasas que regulan el paso de ciertas moléculas a través de la membrana plasmática, existen muchas proteínas que se unen de forma específica a determinadas moléculas, facilitando su transporte: Transportadoras de oxígeno como la hemoglobina que transporta oxígeno en la sangre, la hemocianina que lo transporta en la hemolinfa de los invertebrados o la mioglobina que lo transporta en los músculos. Transportadoras de lípidos son las proteínas que se unen a lípidos como el colesterol, formando las lipoproteinas que circulan por la sangre. Transportadoras de electrones, como los citocromos que intervienen en la cadena respiratoria que se localiza en la membrana interna mitocondrial y los que se localizan en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos e intervienen en el transporte de electrones de la fotosíntesis. Función contráctil. La actina y la miosina constituyen las miofibrillas responsables de la contracción muscular. La dineína está relacionada con el movimiento de cilios y flagelos. Función de reserva. La ovoalbúmina de la clara de huevo y la gliadina del grano de trigo nutren al embrión durante su desarrollo. La caseína es uno de los nutrientes esenciales de la leche para las crías de los mamíferos. 28
5.5. PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS Solubilidad. Las proteínas globulares son solubles en agua. Por su elevada masa molecular, forman dispersiones coloidales. Las dispersiones coloidales están formadas por una fase dispersante, normalmente el agua y una fase dispersa de partículas de diámetro comprendido entre 10 y 1000 Å, invisibles a simple vista o con microscopio óptico. Son estables a la gravedad y sólo sedimentan mediante centrifugación a altas velocidades (ultracentrifugación). Según predomine la fase dispersante o la fase dispersa, las dispersiones coloidales se pueden encontrar, respectivamente, en estado de sol o en estado de gel. Los cambios de sol a gel son importantes en procesos como el movimiento ameboide de algunas células. Especificidad. Durante el proceso evolutivo se ha originado una gran variedad de moléculas proteicas. Algunas de estas moléculas desempeñan la misma función (proteínas homólogas) en especies diferentes y son similares, pero no idénticas; incluso existen diferencias entre las proteínas de distintos individuos de una misma especie, de ahí que sea esencial tener este hecho en cuenta a la hora de realizar trasplantes de órganos para evitar el rechazo de las proteínas del donante por el sistema inmunitario del receptor al ser identificadas como extrañas. Desnaturalización. Cuando una proteína es sometida a un agente desnaturalizante, puede perder su estructura cuaternaria (si la tenía), su estructura terciaria (si era globular) e, incluso su estructura secundaria. Los agentes desnaturalizantes son: Cambios de ph Variaciones de temperatura Cambios en la concentración salina Agitación molecular Si una proteína globular se desnaturaliza, se transforma en filamentosa, por lo que pierde su solubilidad en agua y, por, ya no será apta para realizar sus funciones biológicas. La desnaturalización puede ser irreversible o reversible. En este último caso, se produce su renaturalización cuando cesa o desaparece el agente desnaturalizante. SOL: PREDOMINIO DE LA FASE DISPERSANTE GEL: PREDOMINIO DE LA FASE DISPERSA TRASPLANTE DE HÍGADO DESNATURALIZACIÓN POR CALOR DE LA OVOALBÚMINA Comportamiento anfótero. Al estar constituidas por aminoácidos, las proteínas tienen también un comportamiento anfótero, es decir, pueden captar o ceder H +, dependiendo de que el medio sea ácido (tenga exceso de H + ) o sea básico (tenga defecto de H + ). De este modo, cualquier variación en el ph del medio, será contrarrestado rápidamente mediante lo que se denomina un efecto tampón o amortiguador del ph. 29
6. ENZIMAS 6.1. CONCEPTO Y ESTUCTURA DE LAS ENZIMAS Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas en los seres vivos. Son biocatalizadores. Prácticamente, todas las reacciones químicas que tienen lugar en los seres vivos están catalizadas por enzimas. Las enzimas son catalizadores, es decir, sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan notablemente su velocidad. No hacen factibles las reacciones imposibles, sino que aceleran las que podrían producirse. Ello hace posible que en condiciones fisiológicas tengan lugar reacciones que, sin catalizador, requerirían condiciones extremas de presión, temperatura o ph incompatibles con la vida. Los enzimas son catalizadores específicos: cada enzima cataliza un solo tipo de reacción, y casi siempre actúa sobre un único sustrato o sobre un grupo muy reducido de ellos. En una reacción catalizada por un enzima La sustancia sobre la que actúa el enzima se llama sustrato. La enzima no se consume durante la reacción. Una vez formado el producto, la enzima puede unirse a una nueva molécula de sustrato. El sustrato se une a una región concreta de la enzima, llamada centro activo. El centro activo comprende: un sitio de unión formado por los aminoácidos que están en contacto directo con el sustrato. un sitio catalítico, formado por los aminoácidos directamente implicados en el mecanismo de la reacción Según su estructura, hay dos tipos de enzimas: Enzimas estrictamente proteicas: Formadas sólo por cadenas polipeptídicas. Holoenzimas: Constituidas por una parte polipeptídica, llamada apoenzima, unida a una parte no polipeptídica, llamada cofactor. Cuando el cofactor es inorgánico, suele ser un ión metálico (Mg 2+, Zn 2+, etc.), mientras que, si es orgánico, recibe el nombre de coenzima (NAD, NADP, FAD, etc.). HOLOENZIMA APOENZIMA + COFACTOR Centro activo Aa estructurales IÓN METÁLICO Mg 2+, Zn,. Sitio de unión Sitio catalítico COENZIMA NAD +, NADP +, ATP, FAD 30
6.2. MECANISMO DE ACCIÓN Y CINÉTICA ENZIMÁTICA El mecanismo de acción de una enzima, es como el de cualquier catalizador: actúa reduciendo la energía de activación necesaria para que el sustrato o los sustratos adquieran un estado excitado o estado de transición y puedan transformarse en productos. (E S) (E P) Durante el transcurso de la reacción, la enzima se une al sustrato, formando el complejo enzima-sustrato, que constituye el estado de transición en el que puede producirse la transformación en producto. Posteriormente, se separa el producto y la enzima queda libre. E + S E + P E + S (E S) (E P) E + P Cuando hay más de un sustrato, la enzima atrae a ambas moléculas hacia su centro activo, con lo que aumenta la posibilidad de reacción entre ellas. UN SUSTRATO E + A + B (EAB) (ECD) E + C + D DOS SUSTRATOS La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. La velocidad de una reacción enzimática puede medirse con relativa facilidad, bien midiendo la aparición de los productos o la desaparición de los sustratos. Para una cantidad de enzima constante, la velocidad de la reacción va aumentando a medida que aumenta la concentración de sustrato, pero este incremento no es indefinido, ya que se alcanza una velocidad máxima (Vmax) cuando todas las moléculas de enzima tienen sus centros activos ocupados por moléculas de sustrato. A partir de este punto de saturación de la enzima, la velocidad de reacción se mantiene constante aunque se aumente la concentración de sustrato. Para cada enzima, la gráfica que representa la cinética de la reacción es diferente, dependiendo de la afinidad de cada enzima por un determinado sustrato. Existe un valor constante para cada reacción llamado K M o Constante de Michaelis Menten que equivale a la concentración de sustrato para la cual la velocidad de la reacción es la mitad de la máxima. Cuanto menor es el valor de K M, mayor es la afinidad de la enzima por el sustrato. 31
Una vez que se ha obtenido la gráfica de la cinética de la reacción, es sencillo calcular gráficamente dicha constante: Ejemplo: Dadas las cinéticas de dos reacciones A y B, se calcula la Km de cada una de ellas, calculando gráficamente, la concentración de sustrato que corresponde a Vmax/2. Para la reacción A, K M es una concentración de sustrato 5 molar. Para la reacción B, K M es una concentración de sustrato 7,5 molar. En este caso, la afinidad de la enzima por el sustrato en A es mayor que en B 6.3. REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA. Una enzima no tiene por qué actuar siempre a la misma velocidad. Su actividad puede estar modulada por: Cambios en la temperatura. En general, el aumento de temperatura acelera las reacciones químicas. Las reacciones catalizadas por enzimas siguen esta ley general, sin embargo, al ser proteínas, a partir de cierta temperatura, se empiezan a desnaturalizar. La temperatura a la cual la actividad catalítica es máxima se llama temperatura óptima. Por encima de esta temperatura, el aumento de velocidad de la reacción debido a la temperatura es contrarrestado por la pérdida de actividad catalítica debida a la desnaturalización térmica, y la actividad enzimática decrece rápidamente hasta anularse. Cambios en el ph. La mayoría de los enzimas son muy sensibles a los cambios de ph. Desviaciones de pocas décimas por encima o por debajo del ph óptimo pueden afectar drásticamente su actividad. La pepsina gástrica tiene un ph óptimo de 2, mientras que el de la tripsina es de 10. Presencia de inhibidores. Ciertas moléculas pueden inhibir la acción catalítica de un enzima, son los inhibidores. La inhibición es reversible cuando, al retirar el inhibidor, la enzima recupera su actividad. Estos inhibidores bien pueden ocupar temporalmente el centro activo por semejanza estructural con el sustrato original (inhibidor competitivo) o bien alteran la conformación espacial del enzima, impidiendo su unión al sustrato (inhibidor no competitivo). Cuando la presencia del inhibidor inutiliza definitivamente la enzima, la inhibición es irreversible. INHIBICIÓN COMPETITIVA: El inhibidor ocupa el centro activo INHIBICIÓN NO COMPETITIVA: El inhibidor no ocupa el centro activo 32