TEMA 6 : LAS PROTEÍNAS

Constituyen el grupo de moléculas orgánicas mas abundantes en los seres vivos , ya que , por término medio , suponen el 50% del peso celular seco. Su importancia no radica solo en su abundancia sino también en las variadas funciones biológicas que desempeñan en moléculas estructurales o como partículas en múltiples procesos : transporte de otras moléculas , movimiento , regulación hormonal etc.

Destaca su acción como catalizador en las reacciones metabólicas pera el mantenimiento de los procesos vitales. Una característica fundamental es la espicifidad ( cada organismo posee alguna proteína exclusiva que mantiene su identidad biológica ) .

1 . 1 LOS AMINOÁCIDOS

La hidrólisis de las proteínas libera unas moléculas , denominadas aminoácidos , cuya unión origina las cadenas polipeptídicas. Los aminoácidos son moléculas que posee al menos un grupo amino ( - NH2 ) y un grupo carboxilo ( - COOH ) . Existen 20 aminoácidos distintos de este tipo que se diferencian por el otro grupo unido al carbono α , el llamado grupo R o cadena lateral

1 . 2 PROPIEDADES

Las propiedades que caracterizan los aminoácidos derivan de su estructura química . Entre ellas se pueden destacar las siguientes :

• Carácter anfótero . Una molécula se denomina anfótera cuando puede comportarse como un ácido o como una base dependiendo del pH del medio donde se encuentre. Tienen carácter ácido porque al tener un grupo carboxilo puede desprenderse de H+ , y por otra otra parte tienen carácter básico al tener un grupo amino , por lo que son capaces de aceptar un H+.

Electroforesis

El valor de pH para el cual un aminoácido tiene carga neta 0 , es decir , posee tantas cargas positivas como negativas se llama punto isoeléctrico . Como cada aminoácido presenta un punto isoeléctrico diferente , ya que posee cadenas laterales distintas , se puede utilizar un método de separación de aminoácidos , denominado electroforesis.

• Estereoisomería . Como el carbono α es asimétrico se consideran dos estereoisómeros con distinta actividad óptica. Si el grupo amino - NH3+ se sitúa a la derecha tendrá configuración D, si se sitúa a la izquierda tendrá configuración L. Los aminoácidos que forman las proteínas son todos de configuración L . aunque tambien es posible encontrar D-aminoácidos en determinados compuestos biológicos , como en la pared bacteriana. Esta especificad dura mientras viven los organismos , al morir si los aminoácidos no son degradados los isómeros L se van transformando en isómeros D.

• Otras Propiedades. La existencia de grupos polares ( amino y carboxilo ) permite a los aminoácidos formar puentes de hidrógeno , lo que hace que su punto de fusión y de ebullición , así como su solubilidad en agua , sean mayores de los esperado.

1 . 3 CLASIFICACIÓN

Los aminoácidos se dividen en varios grupos atendiendo a las características de las cadenas laterales:

1- Aminoácidos neutros: Se caracterizan porque su cadena lateral no posee grupo carboxilo ni amino , y por tanto , su carga neutra es 0 . A este grupo pertenecen: ac. glutámico y ac. aspártico . Se subdividen en dos grupos:

• Neutros no polares: Las cadenas laterales tienen grupos hidrófobos apolares y su solubilidad en agua es menor . A este grupo pertenecen: alanina , valina , leucina , isoleucina , prolina , metionina , fenilalanina y triptófano .

• Neutros polares: Las cadenas laterales poseen grupos polares hidrófilos , esto les permite formar puentes de hidrógeno con moléculas polares , debido a lo cual son muy solubles en agua. Son : Serina , treonina , tirosina , asparagina y glutamina.

2- Aminoácidos básicos: . Las cadenas laterales poseen grupos aminos , que debido a su carácter básico puede tomar H+ , lo que hará que el aminoácido tenga carga positiva.. A este grupo pertenecen: lisina , histidina y arginina .

En ocasiones se establecen dos grupos de aminoácidos según puedan ser sintetizados o no por reacciones metabólicas :

• En el primer caso , se trata aminoácidos que se pueden obtener a partir de otras moléculas.

• Cuando esto no es posible , es necesario adquirirlos a través de los alimentos . Estos se denominan aminoácidos esenciales y son diferentes para cada especie.

1 . 4 ENLACE PEPTÍDICO

El enlace peptídico es el enlace que une entre sí a los aminoácidos para formar los péptidos y las proteínas. Se forma entre el grupo carboxílico de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, liberándose en su formación una molécula de agua.

El enlace creado entre dos aminoácidos es de tipo amida y se denomina Enlace peptídico , A su vez , este enlace puede ser hidrolizado separándose los dos aminoácidos.

Este enlace tiene un carácter parcial de doble enlace , este hecho hace que no se efectúen torsiones alredor del enlace , lo que determina que los átomos de carbono , oxígeno y nitrógeno se sitúen en el mismo plano. La unión de muchos aminoácidos constituye un polipéptido.

1 . 5 ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS

La actividad biológica de cualquier proteína depende en gran medida de la disposición espacial de su cadena polipeptídica , la cadena polipeptídica sufre una serie de plegamientos que la capacitan para llevar a cabo su función biológica. Estos sucesivos plegamientos proporcionan una complejidad extraordinaria a la estructura de las proteínas. La configuración espacial de las proteínas viene determinada por 4 niveles estructurales o estructuras: primaria, secundaria, terciaria, cuaternaria.

1 . 6 Estructura primaria

Es la secuencia de aminoácidos de la proteína . El número , el tipo y el orden o la secuencia de los aminoácidos que constituyen la estructura primaria son distintos en cada proteína. Siempre existe un extremo con un aminoácido cuyo grupo amino está libre y otro extremo con un aminoácido con su grupo carboxilo libre. Se numeran los aminoácidos de la cadena ( por convenio ) comenzando por el que posee el extremo amino libre , que si sitúa a la izquierda.

1 . 7 Estructura secundaria

Aunque la disposición de la cadena polipeptídica en el espacio puede adoptar múltiples formas , existe una conformación mas estable que ninguna otra que , lógicamente , es la que se mantiene.

Existen principalmente dos tipos de estructura secundaria:

- α- hélice .

- Lamina plegado o lámina ß

En las proteínas coexisten ambos , aunque uno de ellos puede predominar sobre el otro.

• Estructura en α-hélice . Se forma al enrollarse la cadena peptídica sobre sí misma siguiendo el sentido de las agujas del reloj . Cada vuelta de hélice comprende 3.6 aminoácidos. El plegamiento se mantienes estable por medio de los puentes de hidrógeno que se establecen entre el grupo - NH ( que forma parte de un enlace peptídico ) de un aminoácido y el grupo - CO - ( que forma parte de otro enlace peptídico ) del cuarto aminoácido que le sigue en la cadena lineal. Entre los grupos - NH y - CO se generan enlaces de hidrógeno porque en ellos existen cargas parcialmente opuestas. Las cadenas laterales de los aminoácidos no intervienen en los enlaces y aparecen proyectadas hacia la parte externa de la α-hélice .

• Lámina plegada . Esta estructura se produce cuando varios fragmentos polipeptídicos de la misma o de distintas cadenas se disponen paralelos o antiparalelos unos a otros en zig-zag debido al plegamiento .Están unidos entre sí por puentes de hidrógeno transversales análogos a los que establecen la α-hélice.

Las cadenas laterales ( grupos R ) de los aminoácidos se disponen de forma alternativa por encima y por debajo de esta estructura.

Ademas de la α-hélice y Lámina plegada existen otros tipos de estructura secundaria como la triple hélice de colágeno , esta proteína (muy rica en el aminoácido prolina y en uno de sus derivados la hidroxiprolina ) , no puede formar puentes de hidrógeno que se establecen entre los enlaces peptídicos y que son necesarios para estabilizar los otras estructuras secundarias descritas. En su lugar se asocian tres cadenas trenzadas que originan una triple hélice.

1 . 8 Estructura terciaria

Es la disposición que adopta por el plegamiento la estructura secundaria en el espacio, por consiguiente nos indica como es la configuración tridimensional de toda la molécula. De esta estructura depende la proteína , por lo que cualquier cambio en la disposición de esta estructura puede provocar la pérdida de su actividad biológica.

La estructura terciaria se mantiene gracias a diferentes enlaces que se establecen principalmente entre los restos de los aminoácidos que forman la cadena peptídico Los más importantes son :

• Puentes disulfuro. Es un enlace covalente que se da entre grupos -SH pertenecientes a cadenas laterales del aminoácido cisteína

• Fuerzas electrostáticas. Es un enlace de tipo iónico se da entre grupos con cargas eléctricas opuestas , se producen entre grupos R de aminoácidos ácidos ( con carga negativa , - COO - ) y aminoácidos básicos ( con carga positiva - NH3+).

• Puentes de hidrógeno. Se establecen entre grupos polares no iónicos en los que existen cargas parciales en su cadena lateral.

• Fuerzas de Van der Waals e interacciones hidrófobos. Son las uniones mas débiles y se producen entre aminoácidos polares.

Existen dos tipos de estructuras tridimensionales proteicas:

• Globulares . Poseen un alto grado de plegamiento y dan lugar a estructuras con formas esferoidales.

• Fibrilares . El plegamiento de la cadena polipeptídica es menor , por lo que estas estructuras presentan formas alargadas.

1 . 9 Estructura cuaternaria

Subunidades proteicas son varias cadenas de polipéptidos que forman la proteína. La estructura cuaternaria es , sencillamente la disposición relativa que adoptan las subunidades proteicas entre sí.

La unión entre ellas se realiza mediante los mismos tipos de enlace que mantienen la estructura terciaria , establecidos a su vez entre las cadenas laterales de los aminoácidos de las distintas subunidades.

Ejemplos de estructuras cuaternarias : La hemoglobina , las proteínas musculares , los complejos multienzimáticos y las inmunoglobulinas.

2 . PROPIEDADES DE LAS PROTEINAS

• Solubilidad . Normalmente las proteínas con estructura terciaria fibrilar son insolubles en agua mientras que las que poseen estructura globular son solubles. Debido a su elevada masa molecular , cuando las proteínas son solubles forman disoluciones coloidales . En ellas muchos de los aminoácidos apolares se sitúan en el interior de la estructura y los polares que pueden unirse por puentes de hidrógeno a las moléculas de agua se localizan en la periferia en contacto con estas. Existe una capa de solvatación de agua alrededor de cada molécula proteica que impide la unión entre ellas. Si esta capa pierde las moléculas proteícas se unen entre sí y forman un agregado insoluble , lo que provoca su precipitación.

• Alteración de la estructura espacial . La función biológicas de las proteínas depende de su estructura tridimensional , también denominada conformación nativa cuando está intacta. Cualquier cambio que suponga una alteración de esta conformación , como sucede , por ejemplo , cuando se rompen los enlaces de la estructura cuaternaria , terciaria o secundaria , afecta a la funcionalidad biológica de la proteína , este proceso se llama desnaturalización y puede ser reversible ( si los factores responsables han actuado con escasa intensidad y durante poco tiempo) o irreversible.

• Especificidad . La especificidad se debe a la ordenación de los aminoácidos. Las diferencias entre proteínas que realizan una misma función en individuos diferentes serán tanto mayores cuanto más alejados se encuentren esos individuos. Por lo tanto podemos decir que las proteínas son los compuestos que nos caracterizan a cada uno y nos diferencian de los demás . La especificidad es importante, pues cuando una proteína de un organismo se introduce en otro, sin que haya existido digestión previa, actúa como un cuerpo extraño y el organismo que la recibe se defiende reaccionando contra ella. Esto es lo que ocurre en los rechazos de órganos.

2 . 1 FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS

Las proteínas desempeñan una gran variedad de funciones entre las cuales destacan las siguientes :

1. Las funciones estáticas:

• Estructural . Muchas proteínas formas estructuras celulares , como las membranas , los orgánulos vibrátiles , las fibras contráctiles , la sustancia intracelular y las estructuras cutáneas , entre otras.

• Almacen de aminoácidos . Algunas proteínas constituyen una fuente de reserva de aminoácidos , lo que permite la síntesis de proteínas , fundamentalmente durante los procesos embrionarios . Son abundantes en semillas vegetales y en los huevos de animales.

2 . Las proteínas activas realizan múltiples funciones :

• Fisiológica . Este grupo comprende las proteínas que intervienen en los movimientos , los procesos homeóstaticos( incluido en el mantenimiento del pH) , el transporte de otras moléculas , hormonas , etc.

• Regulación genética . Algunas proteínas participan en procesos de activación e inactivación de la información genética.

• Catalizadora . Las proteínas que se incluyen en este grupo reciben el nombre de enzimas. Actúan como biocatalizadores favoreciendo las reacciones químicas que se dan en los seres vivos.

• Inmunitaria . Ciertas proteínas proporcionan la identidad molecular de los organismos vivos ( antígenos) , mientras que otras ( anticuerpos ) rechazan cualquier molécula que se introduzca en ellos.

2 . 2 CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Se recurre a criterios , como su composición y complejidad que permite dividirlas en dos grupos :

• Holoproteínas o proteínas simples . Formadas únicamente por cadenas polipeptídicas , ya que en su hidrólisis solo se obtienen aminoácidos.

• Heteroproteínas , proteínas complejas o conjugadas . Además de las cadenas polipeptídicas , están compuestas tambien por una parte no proteica que se denomina grupo prostético.

2 . 3 HOLOPROTEÍNAS

Algunas proteínas con estructura globular pueden adquirir estructura fibrilar y hacerse insolubles .Entre las proteínas globulares destacan las siguientes :

• Albúminas . Constituye un grupo de proteínas grandes que desempeñan funciones de transporte de otras moléculas o de reserva de aminoácidos. Se diferencia en lactoalbúminas , ovoalbúminas y seroalbúminas.

Localizados en la leche , la clara de huevo y el plasma sanguíneo , respectivamente.

• Globulinas. Son las proteínas mas grandes , con forma globular muy perfecta , se incluye en este grupo la parte proteica de algunas heteroproteínas como la hemoglobina.

• Histonas. Poseen una masa molecular baja y contienen gran cantidad de aminoácidos básicos. Están asociadas al ADN : forman parte de la cromatina y desempeñan un papel fundamental en los procesos de regulación génica .

Las proteínas fibrilares realizan generalmente funciones estructurales , se incluyen en este grupo algunas proteínas muy conocidas :

• Queratina . Presente en las células de la epidermis de la piel y en los pelos , plumas , uñas y escamas , es rica en cisterna.

• Colágeno . Su resistencia al estiramiento justifica su presencia en los tejidos conjuntivo , cartilaginoso y ósea. Formada por tres cadenas trenzadas.

• Miosina . Participa activamente en la contracción muscular.

• Elastina . Presenta gran elasticidad que le permite recuperar su formas inicial tras la aplicación de una fuerza , se encuentra en órganos sometidos a deformaciones reversibles : Pulmones , arterias o dermis de la piel.

2 . 4 HETEROPROTEÍNAS

Según la naturaleza del grupo prostético pueden ser :

• Fosfoproteínas . Su grupo prostético es el ácido ortofosfórico . Ejemplos : Vitelina presente en la yema del huevo , la caseína de queso y el caseinógeno de la leche.

• Glucoproteínas . En este caso , el grupo prostético está formado por un glúcido. Se encuentra en las membranas celulares porque desempeña función anfígena. Ejemplos el mucus protector de aparatos respiratorios y digestivo.

• Lipoproteínas . Grupo prostético un lípido , aparece en paredes bacterianas y en el plasma sanguíneo , donde transportan grasas y colesterol.

• Cromoporteínas . Tienen un grupo prostético una molécula compleja con dobles enlaces conjugados que les confiere color. Se distinguen dos subgrupos :

• Compuestos porfiníricos : Grupo prostético compuesto por una metalporfirina , molécula formada por 4 anillos de pirrol unidos por puentes metilénicos lo que origina una estructura cerrada. Y dentro de este :

• Hemoglobina y mioglobina : Su metalporfirina suele denominarse grupo hemo , lleva Fe2+ y tiene color rojo.

• Citocromos : Tambien contienen hierro que puede tomar o ceder electrones pasando de estao Fe3+ a Fe 2+ y viceversa. Se utilizan en las reacciones de oxidación - reducción de procesos metabólicos importantes en los que existe transporte electrónico ( respiración aerobia ) y fase lumínica de la fotosíntesis.

• Proxidasas y catalasas : Estas enzimas , cuya funcion se estudiara mas adelante tambien llevan hierro.

• Clorofilas : Llevan el terpeno fitol , de color verde se encuentran con los cloroplastos de los vegetales fotosintéticos y se encargan de captar energía lumínica durante la fotosíntesis.

• Cianocobalamina : Intervien en el metabolismo de proteínas y ácidos nucleicos.

• Compuestos no porfiníricos : Su grupo prostético tambien es coloreado pero no constituye una metalporfirina . Destacan dos :

• Rodopsina : Presente en las células de la retina , imprescindible para realizar el proceso visual , ya que la molécula capta la luz.

• Hemocianina : Conciente Cu2+ y es de color azul . En ciertos invertebrados desempeña una función semejante a la hemoglobina de los vertebrado.

• Nucleoproteínas : Su grupo prostético esta formado por ácidos nucleicos , constituyen la cromatina y los cromosomas.

2 . 5 MÉTODOS DE IDENTIFICACIÓN DE PROTEÍNAS

Estos son los mas destacados :

• Prueba de biuret : Detecta la presencia de todo compuesto con dos o mas enlaces peptídicos y sirve para cualquier proteína y péptido corto , con excepcion de los dipéptidos.

Se alcaliniza el medio con NaOH y se añaden gotas de sulfato de cobre (II) , se obtiene un complejos de coordinación de los iones Cu2+ de color violeta o rosado. No valida para detectar proteínas en la orina.

• Prueba xantoproteica: Se detectan grupos fenilos en una molécula produciendo su nitración Se añade HNO3 concentrado que produce un precipitado blanco que se vuelve amarillo al calentar y naranja al alcalinizar con amoniaco.

• Prueba deMillon: Similar a la anterior , porque tambien detecta fenoles , se emplea Hg disuelto en HNO3 ( reactivo de millon ) y se obtiene un precipitado de color blanco que se vuelve rojo al calentar , debido a la formación de complejos de Hg ( II ).