PROTEÍNAS 1. PROTEÍNAS Introducción Aminoácidos Estructura tridimensional de las proteínas Proteínas conjugadas Propiedades Funciones 2. ENZIMAS Introducción Estructura Clasificación Mecanismo de acción Cinética Inhibición Regulación Vitaminas como coenzimas 1. PROTEÍNAS 1.1. INTRODUCCIÓN 1.1.1. Características Moléculas que contienen C, O, H y N, y la mayoría también S. A veces otros elementos (P, FE, Cu, Zn, I ) Son polímeros de compuestos sencillos, los aminoácidos, con pesos moleculares muy altos. Estos polímeros se llaman polipéptidos. Son moléculas específicas de cada ser vivo, ya que se fabrican como resultado de la expresión de los genes. 1.1.2. Clasificación Holoproteínas o proteínas simples: compuestas solamente por aminoácidos Proteínas globulares Proteínas filamentosas Heteroproteínas o proteínas conjugadas: tienen una porción no aminoacídica
Porción no aminoacídica: Porción aminoacídica: Cromoproteínas Glucoproteínas Lipoproteínas Fosfoproteínas Nucleoproteínas Grupo prostético Grupo proteico 1.2. AMINOÁCIDOS Moléculas que contienen un grupo carboxilo y un grupo amino. Difieren en el radical R. Sólo 20 aminoácidos constituyen las proteínas. El carbono del carboxilo es el C1; el carbono que lleva el grupo amino es el C2 o Cα. 1.2.1. Clasificación Basada en la polaridad de los grupos R No polar o hidrofóbico: Ala, Leu, Ile, Val, Pro, Phe, Trp, Met Polar sin carga: Ser, Thr, Tyr, Asn, Gln, Cys, Gly Polar con carga +: Lys, ARg, His Polar con carga : Asp, Glu Basada en la estructura del grupo R Alifáticos: el grupo R es una cadena lineal o ramificada
Neutros: Ácidos: Básicos: Gly, Ala, Val, Leu, Ser, Thr, Cys, Met, Ile Asp, Glu Lys, Arg, Asn, Gln Aromáticos: el grupo R contiene el anillo benceno. Phe, Tyr Heterocíclicos: el grupo R contiene un ciclo en el que no todos los vértices están ocupados por átomos de carbono Pro, Trp, His
1.2.2. Propiedades ácido básicas Los aminoácidos cristalizan a partir de disoluciones acuosas neutras en forma de iones dipolares, llamados también iones híbridos, no como moléculas disociadas. A ello se deben sus puntos de fusión o descomposición altos y sus constantes dieléctricas. La forma dipolar, en un medio ácido, capta protones y se comporta como una base y en un medio básico libera protones y se comporta como un ácido.estas sustancias se llaman anfóteras. El ph en el cual el aminoácido tiende a adoptar una forma dipolar neutra, con tantas cargas positivas como negativas, se denomina punto isoeléctrico. El carácter anfótero de los aminoácidos permite la regulación del ph, ya que se comporta como un ácido o como una base según le convenga al organismo. 1.2.3. Estereoquímica Excepto la glicina, todos los aminoácidos muestran actividad óptica. El Cα es asimétrico, son por tanto compuestos quirales. Pueden ser dextro o levorrotatorios. La configuración D o L se establece tomando como referencia el gliceraldhído. Los aminoácidos de la naturaleza son formas L.
1.2.4. Enlace peptídico Enlace covalente que une dos aminoácidos, entre el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxilo de otro. El enlace peptídico es un enlace muy resistente y estable y además es rígido que no permite la rotación. Tiene características de doble enlace. Impone restricciones acerca del número de conformaciones que puede adoptar la cadena proteica.
Todos los átomos del dipéptido quedan en un plano, excepto los radicales, que se disponen por encima y por debajo del plano.
1.3. ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL 1.3.1. Estructura primaria Corresponde a la secuencia de aminoácidos que componen la proteína. La secuencia viene determinada por el código genético. El extremo NH2 marca el aminoácido nº 1. Cambios en la secuencia determinarán cambios en los siguientes niveles estructurales.
1.3.2. Estructura secundaria Ordenación en el espacio de las cadenas polipeptídicas a lo largo de una dirección. Hélice α Estructura helicoidal con 3.6 aminoácidos por vuelta. Los grupos r se proyectan hacia el exterior de la hélice. Se forman enlaces de hidrógeno intracatenarios entre vueltas consecutivas N H...O=C La hélice más estable se arrolla en sentido dextro. Ejemplo de proteína con estructura de hélice α: Queratina
Hélice de colágeno Hélice más alargada que la hélice α, con abundancia de prolina e hidroxiprolina. Los radicales de estos aminoácidos dificultan la formación de puentes de H y se forma una hélice distendida con sólo 3 aminoácidos por vuelta. El colágeno es una proteína formada por 3 hélices arrolladas en una superhélice.
Conformación β o lámina plegada Adopta una disposición en zig zag con los grupos R por encima y por debajo del plano. Varias láminas plegadas se unen por puentes de hidrógeno. Proteínas filamentosas Las proteínas que no llegan a formar estructuras terciarias dan lugar a proteínas filamentosas. Ejemplos: colágeno, α queratina, β queratina o fibroína, elastina. 1.3.3. Estructura terciaria Disposición de la estructura secundaria en el espacio plegándose sobre sí misma y adoptando una conformación globular. Los radicales apolares se sitúan en el interior y los polares en el exterior. Esta conformación se mantiene estable gracias a los radicales entre los enlaces de los aminoácidos. Enlaces: puentes de H entre grupos peptídicos interacciones hidrofóbicas entre grupos no polares enlaces iónicos entre grupos cargados eléctricamente puentes disulfuro
Dominios estructurales Determinados tramos de las proteínas presentan estructuras secundarias hélice α, lámina plegada y zonas de giro o codos sin estructura secundaria. Se llaman dominios estructurales combinaciones de hélices α y láminas plegadas que se
repiten en una misma proteína. Los dominios se unen entre sí por zonas estrechas que posibilitan cierto movimiento entre unos y otros. 1.3.4. Estructura cuaternaria Proteínas globulares con dos o más cadenas polipeptídicas. Son proteínas oligoméricas.
1.4. PROTEÍNAS CONJUGADAS Cromoproteínas: grupo prostético una sustancia coloreada (pigmento) Pigmento derivado de la profirina con un catión metálico en el centro Hemoglobina (Fe) Citocromos (Fe) Clorofila (Mg) Vitamina B12 (Co) Pigmento derivado no porfirínico Hemocianina (Cu) Glucoproteínas: grupo prostético glucídico Hormonas Inmunoglobulinas Mucoproteínas: sustancias que confieren características lubricantes Lipoproteínas: grupo prostético ácidos grasos Componentes de membranas plasmáticas Proteínas transportadoras de lípidos en líquidos orgánicos Fosfoproteínas: grupo prostético ácido ortofosfórico H3PO4 Caseína en la leche Vitelina en el huevo Nucleoproteínas: asociadas a ácidos nucleicos Protaminas e histonas 1.5. PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS 1.5.1. Desnaturalización Al someter una proteína a cambios de ph o temperaturas mayores de 60 70ºC, se estiran perdiendo la conformación globular y, por tanto, su actividad biológica. Este proceso se llama desnaturalización. Al volver a las condiciones iniciales se puede volver a recuperar la conformación inicial (renaturalización) o bien la desnaturalización puede ser irreversible.
1.5.2. Especificidad Especificidad de especie Proteínas con las mismas funciones son diferentes en cada especie, tanto más distintas cuanto más alejadas están las especies filogenéticamente Especificidad de individuo También dentro de una misma especie existen pequeñas diferencias, base del fenómeno de rechazo. Esto se debe a la íntima relación entre la secuencia de aminoácidos y el código genético. 1.6. FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS 1.6.1. Enzimas Actividad catalítica. Son las proteínas más variadas y más altamente especializadas. Todas las reacciones químicas de las células están catalizadas por enzimas 1.6.2. Transporte Regulación del paso de sustancias a través de membranas y transporte a través de líquidos orgánicos. Hemoglobina que transporta oxígeno. Lipoproteínas que transportan lípidos, proteínas de la membrana plasmática y de las membranas intracelulares. 1.6.3. Nutrientes y de reserva Proteínas de las semillas para su crecimiento durante la germinación. Ovoalbúmina de la clara de huevo. Caseína de la leche.
Ferritina que almacena hierro 1.6.4. Contráctiles y de movimiento Actina y miosina de músculos esqueléticos y de otras células no musculares. Tubulina de los microtúbulos para formar cilios y flagelos. 1.6.5. Estructurales Filamentos de soporte, cables u hojas para conferir fuerza o protección a estructuras biológicas. Colágeno en los tendones y cartílagos y en la piel. Elastina en los ligamentos. Queratina en el pelo, uñas y plumas. Fibroína en la seda de las telarañas. 1.6.6. Defensa Inmunoglobulinas o anticuerpos, fabricadas por los linfocitos para reconocer y neutralizar organismos invasores. Fibrinógeno y trombina para coagular la sangre en las hemorragias. Venenos de serpientes, escorpiones, etc. y toxinas de bacterias y plantas. 1.6.7. Reguladoras Hormonas como la insulina o la hormona del crecimiento. Proteínas G que regulan la respuesta celular a señales hormonales. Proteínas que se fijan al DNA y regulan la síntesis de RNA y la biosíntesis de otras proteínas.
2. ENZIMAS 2.1. INTRODUCCIÓN Las enzimas son proteínas globulares especializadas en la catálisis de las reacciones biológicas. Un catalizador acelera la reacción química sin participar en la reacción global, debido a que disminuye la energía de activación. Catalizan las reacciones químicas de los seres vivos permitiendo que se desarrollen lo suficientemente rápido a las temperaturas propias de los seres vivos. Favorecen el encuentro de las sustancias que van a reaccionar, debilitando los enlaces que han de romperse o poniendo en contacto las partes de las moléculas que han de unirse. 2.2. ESTRUCTURA Los enzimas pueden estar constituidos por: Holoproteínas: enzima completo constituido por una molécula proteica Heteroproteínas: Parte del enzima compuesto por moléculas no proteicas Grupo proteico (Apoenzima): especifica el tipo de sustrato Aminoácidos no esenciales AA. estructurales AA. de fijación AA. catalíticos (Sitio catalítico) AA. catalíticos + AA. de fijación = Centro activo Grupo prostético (Cofactor): especifica el tipo de reacción Activadores inorgánicos (ion metálico) Molécula orgánica no proteica (Coenzima)
2.3. CLASIFICACIÓN Óxido reductasas: reacciones redox Transferasas:transfieren grupos funcionales Hidrolasas: reacciones de hidrólisis Liasas: adición a los dobles enlaces Isomerasas: reacciones de isomerización Ligasas: formación de enlaces con escisión de ATP 2.4. MECANISMO DE ACCIÓN Formación de una estructura intermedia que es el complejo enzima sustrato (ES) a partir del cual se forman los productos de la reacción y se libera el enzima sin cambios. E + S ES E + P
Existen dos hipótesis que explican la formación del complejo ES: Hipótesis llave cerradura de Fischer: los sustratos encajan en el centro activo del enzima como la llave dentro de su cerradura. La estructura del centro activo es complementaria de la estructura geométrica del sustrato Hipótesis de la adaptación conformacional de Koshland: la unión de los sustratos al centro activo del enzima provoca unos cambios conformacionales en la estructura espacial del enzima de modo que se fuerzan determinados enlaces hasta que se rompen y se forman otros nuevos, consiguiéndose así los productos de la reacción. En la formación del complejo ES intervienen enlaces de varios tipos: interacciones hidrofóbicas, enlaces de hidrógeno, covalentes e iónicos.
2.4.1. Cómo se explica el poder catalítico y la especificidad de los enzimas Los aumentos de velocidad conseguidos por los enzimas son de 7 a 14 órdenes de magnitud. Los enzimas son también muy específicos, discriminando fácilmente entre sustratos con estructuras muy similares. Parte de la explicación reposa en reacciones químicas entre el sustrato y grupos funcionales de los enzimas (cadenas laterales de aminoácidos específicos, iones metálicos y coenzimas), que interaccionan de forma transitoria con el sustrato activándolo para la reacción. Estos grupos disminuyen la energía de activación al proporcionar una ruta de reacción de menor energía. La energía requerida para disminuir la energía de activación proviene generalmente de interacciones débiles no covalentes entre el sustrato y el enzima. La diferencia con catalizadores no enzimáticos es la formación de un complejo ES específico. La formación de cada interacción débil en el complejo ES viene acompañada de una pequeña liberación de energía que proporciona un cierto grado de estabilidad. Esta energía se denomina energía de fijación y es la principal fuente de energía libre utilizada para disminuir la energía de activación de las reacciones. Además las interacciones débiles son óptimas en el estado de transición de la reacción. Los sitios activos de los enzimas son complementarios no a los sustratos per se, sino a los estados de transición de las reacciones que catalizan.
Consideremos una reacción imaginaria, la rotura de una vara metálica. La reacción no catalizada se muestra en la imagen a. Los enzimas utilizarían fuerzas magnéticas como simulación de la energía de activación real. En la imagen b el enzima es perfectamente complementario al sustrato, el sitio activo es una bolsa forrada de imanes; para reaccionar (romperse) la vara debe alcanzar el estado de transición, pero se fija tan fuertemente al sitio activo que no puede doblarse ya que tendrían que eliminarse algunas de las interacciones magnéticas entre la vara y el enzima. Un enzima así impide la reacción ya que estabiliza el sustrato (ver gráfica b). El complejo ES correspondería a un pozo energético del que sería muy difícil salir. La noción moderna de catálisis enzimática propuesta por Haldane (1930) y Pauling (1946) asume que el enzima debe ser complementario al estado de transición de la reacción. Las interacciones óptimas entre sustrato y enzima sólo pueden tener lugar en el estado de transición (figura c). Sólo se utilizan unas cuantas interacciones para formar el complejo ES. El sustrato ligado aún ha de experimentar un aumento de energía libre necesario para alcanzar el estado de transición; sin embargo, este incremento de energía para llevar la vara a una conformación curva, es pagado por las interacciones magnéticas que se forman entre enzima y sustrato en el estado de transición, interacciones que se dan en partes no reactivas del sustrato y que proporcionan parte de la energía necesaria para catalizar su rotura, traduciéndose en una energía de activación
neta inferior y una mayor velocidad de reacción.
2.5. CINÉTICA ENZIMÁTICA Un rasgo característico de las reacciones catalizadas enzimáticamente es la saturación con sustrato. Cuando la velocidad de reacción se aproxima a una velocidad constante el enzima se halla saturado con sustrato, es decir, todos los centros activos están ocupados por sustrato y aunque se añada mayor cantidad de sustrato la velocidad de reacción (medida como cantidad de producto obtenido) no aumentará. La constante de Michaelis (K M ) es la concentración de sustrato con la cual se alcanza la mitad de la velocidad máxima y representa la afinidad del enzima por el sustrato. Si K M es grande la afinidad es menor (se necesita más sustrato para alcanzar la mitad de la V MAX. 2.5.1. Efecto del ph y la temperatura
2.6. INHIBICIÓN ENZIMÁTICA Los inhibidores enzimáticos son moléculas que se unen a enzimas y disminuyen su actividad. 2.6.1. Inhibición reversible Competitiva El inhibidor compite con el sustrato por el mismo lugar del enzima. Aumenta la K M. Se contrarresta con el aumento de la concentración de sustrato. No competitiva El inhibidor se une al enzima en otro sitio distinto que el sustrato. Disminuye la V MAX. Acompetitiva El inhibidor se une al complejo ES. Aumenta la K M y disminuye la V MAX
2.6.2. Inhibición irreversible Agentes capaces de unirse covalentemente que modifican permanentemente un grupo funcional necesario para la catálisis.
2.7. REGULACIÓN ENZIMÁTICA 2.6.1. Enzimas modulados covalentemente Formas activas e inactivas interconvertibles por otros enzimas
2.6.2. Activación de zimógenos Activación catalizada enzimáticamente de precursores inactivos de los enzimas (zimógenos). Por ejemplo pepsinógeno y pepsina o tripsinógeno y tripsina en el intestino.
2.6.3. Enzimas alostéricos Enzimas oligoméricos que poseen un centro activo (al que se une el sustrato) y un centro regulador (al que se une el modulador). Los moduladores pueden ser: Positivos o activadores: aumentan la velocidad de reacción Negativos o inhibidores: disminuyen la velocidad de reacción El control de los enzimas puede ser: Heterotrópico: sustrato y modulador son químicamente distintos Homotrópico: el modulador es el sustrato Mixto: hay centro activo, sitio alostérico para el sustrato y sitios alostéricos para otros moduladores La unión de un activador al centro regulador de una subunidad cambia la conformación de todos los monómeros, aumentando la afinidad por el sustrato. La unión de un inhibidor realiza el proceso inverso.
2.6.4. Retroinhibición El último producto de una vía metabólica actúa como inhibidor del primer enzima de la vía 2.7. VITAMINAS COMO COENZIMAS Las vitaminas son compuestos orgánicos relativamente sencillos de composición química variada. No sirven como combustibles para obtener energía. Actúan como catalizadores y suelen ser coenzimas o componentes de coenzimas. Son producidas por vegetales o bacterias, los animales no pueden sintetizarlas. Su deficiencia o exceso ocasiona graves trastornos. Son sustancias lábiles que se alteran con facilidad ante cambios de temperatura o almacenamiento prolongado.