BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA
BASE MOLECULAR DE LA VIDA
4. PROTEÍNAS
Son biomoléculas de elevado peso molecular formadas por
combinación de unos 20 monómeros diferentes llamados
aminoácidos.
Son la biomoléculas más abundantes en los seres vivos, las
más variadas y las de mayor número de funciones.
4.1. AMINOÁCIDOS PROTEICOS
Aunque existen muchos más, en las proteínas sólo se
encuentran 20 aa diferentes: los aa proteicos.
Están formados por un carbono central (C
α
) que se une a
un grupo amino (-NH
2
), un grupo ácido (-COOH), un
hidrógeno (-H) y una cadena lateral (R) variable.
De los 20 aa, los humanos sólo sintetizan 12 en adultos y 10
en la infancia. El resto ha de tomarse con la dieta: aa
esenciales (treonina, metionina, lisina, valina, triptófano,
leucina, isoleucina y fenilalanina + histidina y arginina).
Carnes, huevos y lácteos tienen todos los aa esenciales.
También pueden obtenerse combinando legumbres y cereales.
Como el C
α
es asimétrico (salvo en la glicina), los aa tienen
estereoisomería (enantiómeros D y L) y son ópticamente
activos (dextrógiros y levógiros). En las proteínas sólo hay
aa L (D en bacterias y antibióticos).
Son anfóteros, actúan como ácidos y como bases. En
disolución, el grupo amino y el ácido (así como algunas
cadenas laterales) están ionizados, formas zwitteriónicas.
Algunos aa o derivados intervienen en la comunicación celular,
como neurotransmisores o como hormonas.
4.1.1. CLASIFICACIÓN
Se clasifican según la polaridad de las cadenas R laterales:
apolares (alifáticos y aromáticos), polares sin carga y
polares con carga (ácidos y básicos).
Apolares: cadena R con grupos hidrófobos que se unen a
otros por fuerzas de Van der Waals. Pueden ser:
Alifáticos: R es alifática. Glicina (Gly) G, alanina
(Ala) A, valina (Val) V, isoleucina (Ile) I, metionina
(Met) M (con azufre), prolina (Pro) P y leucina (Leu)
L.
Aromáticos: R con anillos aromáticos. Fenilalanina
(Phe) F y triptófano (Trp) W.
Polares sin carga: R con grupos polares que pueden
formar puentes de H. Serina (Ser) S, treonina (Thr) T,
tirosina (Tyr) Y, cisteína (Cys) C (con S), glutamina (Gln)
Q y asparagina (Asn) N
Polares con carga ácidos: R tiene grupos carboxilo
(aniones). Ácido aspártico (aspartato) (Asp) D y ácido
glutámico (glutamato) (Glu) E.
Polares con carga básicos: R tiene grupos amino
(cationes). Lisina (Lys) K, arginina (Arg) R e histidina (His)
H.
4.2. NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS
La funcionalidad de las proteínas depende de su estructura
tridimensional o espacial, la cual presenta cuatro niveles de
organización: estructuras primaria, secundaria,
terciaria y cuaternaria.
4.2.1. ESTRUCTURA PRIMARIA
Es la formada por la secuencia de aa. Los aa se unen por
enlace peptídico, unión entre el amino de un aa y el
carboxilo de otro, con pérdida de H
2
O. Se forma así un
péptido: dipéptido, tripéptido,…, polipéptido.
Péptido (<10 aa); polipéptido (<100 aa); proteína (>100
aa). (La mayor proteína conocida es la titina o conectina,
implicada en la contracción muscular y que, en humanos,
tiene 34.350 aa, pesa 3.816.188,13 Da, su fórmula empírica
es C
169 723
H
270 464
N
45 688
O
52 243
S
912
. El nombre oficial completo
dado por la IUPAC a esta proteína en humanos, que comienza
por methionyl... y termina por ...isoleucine, contiene 189,819
letras y podría considerarse la palabra más larga del mundo
en cualquier idioma).
Toda cadena peptídica tiene un extremo amino (N-
terminal) y otro carboxilo (C-terminal). Se considera que
la cadena empieza en el N-terminal y acaba en el C-terminal.
Su esqueleto común es la secuencia repetida de 6 átomos: -
NH-CH-CO- y difieren en la cadena lateral R.
La estructura primaria viene así definida por el número, tipo y
secuencia de los aa.
Las cadenas peptídicas pueden rotar alrededor de los enlaces
C-C
α
y N-C
α
, pero no alrededor del enlace peptídico, que tiene
carácter de doble enlace. Por ello, los átomos del enlace
peptídico están en un mismo plano y le da a la cadena un
aspecto de placas planas articuladas.
4.2.2. ESTRUCTURA SECUNDARIA
A medida que la cadena polipeptídica se sintetiza en los
ribosomas, se va plegando para adquirir la estructura
tridimensional más estable. Es este plegamiento intervienen
proteínas llamadas chaperonas.
La estructura secundaria es la conformación espacial de
la cadena polipeptídica, unida por puentes de H entre los
grupos –C=O de unos enlaces peptídicos y los –NH de otros
enlaces.
La estructura secundaria puede tomar una forma irregular
(enroscamientos aleatorios), pero habitualmente adopta una
de dos estructuras: α-hélice o β-laminar.
4.2.2.1. Conformación α-hélice
La sucesión de aa de la estructura primaria se enrolla sobre sí
misma en forma de hélice. Como las cadenas R no intervienen
en los enlaces, esta conformación puede adoptarse por
proteínas muy diferentes.
Algunos aa desestabilizan la hélice debido a su tamaño, sus
cargas o su estructura (prolina).
4.2.2.2. Hélice de colágeno
Es una variedad de estructura secundaria. Consiste en tres
hélices levógiras enrolladas entre sí. Se produce por el gran
número de aa prolina.
4.2.2.3. Conformación β-laminar
La cadena polipeptídica queda extendida y se pliega sobre sí
misma, con fragmentos paralelos y antiparalelos enfrentados
y unidos por puentes de H. Queda una lámina plegada en
zigzag.
En ciertas proteínas, como la fibroína de la seda, puede
haber, además, puentes de H entre cadenas diferentes.
4.2.3. ESTRUCTURA TERCIARIA
Estructura espacial definitiva de la proteína con regiones
en α-hélice y β-laminar mezcladas. El resultado puede ser:
Proteínas fibrosas o filamentosas: estructura simple,
alargada, resistente e insoluble. Las cadenas R tienen
pocos grupos polares y apenas intervienen. Colágeno,
queratina, fibroína.
Proteínas globulares: esferoidales, compactas y
solubles. Como suelen estar en disolución, las cadenas
laterales hidrófobas se sitúan al interior de la proteína
(láminas β) y las polares al exterior, en contacto con el
agua (hélices α). En las proteínas de las membranas, el
ambiente es lipídico y la disposición, inversa.
4.2.4. ESTRUCTURA CUATERNARIA
Consiste en la asociación de varias cadenas
polipeptídicas para formar una proteína compleja. La unión
entre cadenas se da por enlaces débiles: puentes de H,
fuerzas electrostáticas, fuerzas de Van der Waals y, en
algunos casos, puentes disulfuro.
En proteínas fibrilares la unión forma complejos
supramoleculares con forma alargada y función estructural:
queratina, colágeno.
En proteínas globulares la estructura cuaternaria la forman
proteínas con estructura terciaria compleja. Las cadenas
polipeptídicas se autoensamblan en la célula, formando
dímeros (citocromo c), tetrámeros (hemoglobina) y, en
general, oligómeros y polímeros (actina y miosina,
microtúbulos, ribosomas, cápsida de virus, etc).
Estructura 4
ria
y funcionalidad: la estructura 4
ria
(o 3
ria
en las que no tienen 4
ria
) es responsable de su actividad
biológica. Dado que, en última instancia, toda estructura
depende de la secuencia de aa, cualquier cambio en esta
puede afectar a la funcionalidad.
De las casi infinitas posibles proteínas existentes, las
actuales son las que probaron ser útiles para las
funciones celulares y la evolución las mantuvo,
eliminando a las menos eficaces.
Alosterismo: algunas proteínas presentan dos tipos de
estructura espacial, un estado activo y otro inactivo,
debido a cambios conformacionales en respuesta a
cambios de pH o de temperatura.
Las proteínas alostéricas presentan esos estados,
pero gracias a la unión con moléculas llamadas
ligandos, que modifican su estructura espacial.
El alosterismo es uno de los mecanismos más eficaces
para regular la función de una proteína, activándola o
inactivándola según las necesidades.
4.3. PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS
Las propiedades físicas y químicas de las proteínas dependen
en última instancia de la secuencia de aa, ya que serán las
cadenas R las que determinen la estructura tridimensional y la
funcionalidad.
4.3.1. ESPECIFICIDAD
Las proteínas presentan una superficie o centro activo,
formado por grupos funcionales de algunas cadenas laterales
R de su superficie que les permite interaccionar con otras
moléculas. El resto de la proteína tiene como función
mantener la forma apropiada para que la superficie activa
esté en posición correcta.
La actividad biológica de las proteínas se basa en la unión
selectiva del centro activo con moléculas que encajan
perfectamente en él. Pueden ser moléculas iguales (otras
proteínas) o diferentes (anticuerpo-antígeno, hemoglobina-
oxígeno, enzima-sustrato, receptores de membrana-
mensajero).
Esta característica de unión selectiva se llama especificidad
y depende de la secuencia de aa. Cualquier cambio en esta
secuencia alterará la estructura tridimensional de la proteína y
su funcionalidad (como en la anemia falciforme).
4.3.2. SOLUBILIDAD
Las proteínas globulares son solubles debido a sus cargas,
que atraen al agua, formando una capa de solvatación. La
presencia de sales como el sulfato de amonio ((NH
4
)
2
SO
4
)
en gran cantidad provoca la precipitación de las proteínas al
competir los iones NH
4
+
y SO
4
-
por el agua.
4.3.3. DESNATURALIZACIÓN
Es la pérdida de la conformación espacial, que conlleva la
pérdida de funcionalidad. Se produce en condiciones
desfavorables (temperatura, pH, iones, agentes químicos,
presión, electricidad…). Las proteínas se convierten en
filamentos fibrosos insolubles (huevo cocido, melanina en
el gato siamés).
Si las condiciones desfavorables duran poco tiempo o son
poco intensas, la desnaturalización puede ser reversible y la
proteína recuperar su estructura y función
(renaturalización). En otros casos es irreversible.
4.4. CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS
4.4.1. HOLOPROTEÍNAS
Formadas sólo por aa. Pueden ser:
Globulares: esféricas y solubles.
Albúminas: función de reserva y transporte
(ovoalbúmina, lactoalbúmina y seroalbúmina).
Globulinas: incluyen las α y β globulinas
(hemoglobina), y las γ-globulinas de los
anticuerpos.
Histonas y protaminas: unidas a los ácidos nucleicos.
Fibrosas o escleroproteínas: insolubles, estructurales:
colágeno, queratina, elastina, fibroína.
4.4.2. HETEROPROTEÍNAS O PROTEÍNAS
CONJUGADAS
Llevan un grupo proteico y una parte no proteica (grupo
prostético).
Glucoproteínas: glucoconjugados. Proteínas de
membrana, hormonas, …
Lipoproteínas: proteínas sanguíneas que transportan
triglicéridos, colesterol y otros lípidos.
Cromoproteínas: el grupo prostético es una sustancia
coloreada.
De naturaleza porfirínica: grupo hemo de
hemoglobinas, con Fe.
De naturaleza no porfirínica: sangre de
invertebrados (hemocianina: Cu; hemeritrina:
Fe).
Otras heteroproteínas: fosfoproteínas (con ácido
fosfórico: caseína) y nucleoproteínas (cromatina: ADN +
histonas y protaminas).
4.5. FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS
Reserva: no suelen ser combustibles. Ovoalbúmina,
caseína.
Estructural: una función típica. Glucoproteínas
(membranas). Huso acromático y citoesqueleto.
Histonas (estructura y regulación del ADN). Colágeno
(tejido conjuntivo: relleno, cartílago, tendones…)
Homeostática: actúan como tampones o sistemas buffer,
regulando el pH.
Portadoras de mensajes: hormonas (insulina,
glucagón, hormona del crecimiento, oxitocina,
vasopresina…). Neurotransmisores: endorfinas y
encefalinas.
Recepción y transmisión de señales: actúan como
receptores de membrana. Se unen a una molécula
portadora de un mensaje (neurotransmisor, hormona,…) y
sufren un cambio conformacional que es una señal para
provocar una respuesta (apertura de canales iónicos,
estimulación de mitosis, incremento de síntesis de
proteínas…). Las señales pasan de las membranas al
citoplasma mediante un sistema de transducción de
señales mediante proteínas alostéricas que sufren
activación en cascada.
Transporte: transporte a través de membranas
(proteínas de canal); oxígeno (hemoglobina,
hemocianina, mioglobina); electrones (citocromos en
respiración y fotosíntesis); lípidos, fármacos y tóxicos
(seroalbúmina).
Destacan las lipoproteínas plasmáticas, que
transportan lípidos en sangre:
Quilomicrones: transportan triacilglicéridos y
colesterol de la dieta, desde intestino a hígado.
VLDL y LDL: transportan triacilglicéridos y colesterol
sintetizados desde el hígado a los tejidos (“colesterol
malo”).
HDL: transportan colesterol desde tejidos al hígado
(“colesterol bueno”).
Defensa: coagulación (trombina y fibrinógeno);
germicidas (proteoglucanos o mucinas); anticuerpos
(inmunoglobulinas).
Contráctil: son los motores moleculares, proteínas que se
desplazan unidireccionalmente por el citoesqueleto.
Transportan orgánulos, vesículas; mueven a las células
(dineína de cilios y flagelos; actina y miosina en
músculos).
Enzimática: quizá la más importante. Las más
numerosas y especializadas. Son biocatalizadores del
metabolismo. Son específicas de las reacciones y
sustratos que catalizan. La vida depende de la actividad
catalítica, que acelera las reacciones químicas.
“Para ir a donde no se sabe hay que ir por donde no se sabe.” San Juan de la Cruz
“It must be a strange world not being a scientist, going through life not knowing--or
maybe not caring about where the air came from, where the stars at night came
from or how far they are from us. I WANT TO KNOW” Michio Kaku
El color de los huevos
La cáscara de los huevos está cubierta por
una cutícula proteica con pigmentos
porfirínicos: los blancos no tienen pigmento;
los marrones llevan ovoporfirinas (de los
glóbulos rojos); los azules o verdosos,
ovocianinas (de la bilis).
Las porfirias son un grupo de
enfermedades, muchas veces hereditarias,
por deficiencias en las enzimas que
sintetizan el grupo hemo.
Colágeno y animales
La aparición del colágeno, que
forma buena parte del andamiaje
celular, pudo ser la base para el
desarrollo de organismos
pluricelulares, los primeros tejidos
y el origen de los primeros
animales en el planeta.
22 aminoácidos
En realidad hay 22 aa proteicos.
En 1986 se descubrió la
selenocisteína (UGA, Sec, U),
con Se, presente en eucariotas y
procariotas; en 2002 se
descubrió la pirrolisina (UAG,
Pyl, O), sólo en procariotas,
principalmente arqueas.