Las proteínas son las moléculas orgánicas más abundantes en las células, constituyendo el 50 por ciento o más de su peso seco. Se encuentran en todas las partes de cada célula, ya que son fundamentales en todos los aspectos de la estructura y función celulares. Existen muchas clases de proteínas diferentes, cada una de ellas especializada en una función biológica diferente. Además la información genética es expresada en su mayor parte por las proteínas. Por esta razón hay que considerar también la naturaleza general de la relación genética entre el ácido desoxirribonucleico (ADN) y la estructura de las proteínas, así como el efecto de las mutaciones genéticas sobre la estructura proteica.
COMPOSICIÓN DE LAS PROTEÍNAS
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| En el gráfico se observa la estructura básica de un alfa-aminoácido. Esta estructura es la única parte que poseen en común todos los aminoácidos. En celeste, el carbono a A este carbono se unen un hidrógeno, un grupo funcional carboxilo (COOH, el carácter ácido) y un grupo amino (NH3). Con R, radical, se designa al resto de la molécula. Esta porción es variable, es la que diferencia un aminoácido de otro. |
Todas contienen carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, casi todas contienen azufre. Algunas contienen algunos elementos adicionales, particularmente fósforo, hierro, cinc y cobre. Los pesos moleculares de las proteínas son muy elevados, pero por hidrólisis, las moléculas proteicas dan una serie de compuestos orgánicos sencillos de bajo peso molecular; son los a-aminoácidos, que difieren entre sí en la estructura de sus grupos R o cadenas laterales.
PROPIEDADES DE LOS AMINOACIDOS
El código genético específica 20 L-alfa-aminoácidos
Aunque existen más de 300 aminoácidos diferentes en la naturaleza, sólo un subconjunto de 20 constituye las unidades monoméricas a partir de las cuales se construye el esqueleto básico de las proteínas polipeptídicas.
Las proteínas son el resultado directo de la traducción del código genético.
El código genético está escrito con caracteres de 3 letras llamados codones. Cada letra consiste en una base nitrogenada. Habiendo cuatro bases nitrogenadas distintas en las cadenas de ADN, un código genético de tres letras no repetidas ofrece 64 posibilidades (43). Podría incluir más de 20 aminoácidos, pero la redundancia en el código genético universal limita los codones de aminoácidos disponibles a 20 aminoácidos L-alfa.
En las moléculas proteicas los aminoácidos sucesivos se hallan unidos covalentemente entre sí formando largos polímeros no ramificados. Están unidos en una ordenación de cabeza a cola mediante unas uniones amida sustituidas llamadas enlaces peptídicos producidas por eliminación de los elementos del agua entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo a-amino del siguiente. Estas macromoléculas, que reciben el nombre de polipéptidos, pueden contener centenares de unidades de aminoácidos. Las cadenas polipeptídicas de las proteínas no son, sin embargo, polímeros al azar, de longitud indefinida, cada cadena polipeptídica posee una específica composición química, un peso molecular y una secuencia ordenada de sus aminoácidos estructurales y una forma tridimensional.
Las proteínas se dividen en dos clases principales basándose en su composición: proteínas simples y proteínas conjugadas.
- Las proteínas simples son aquéllas que por hidrólisis producen solamente aminoácidos, sin ningún otro producto principal, orgánico o inorgánico. Contienen habitualmente 50 % de carbono, 7 % de hidrógeno, 23 % de oxígeno, 16 % de nitrógeno y de 0 a 3 % de azufre.
- Las proteínas conjugadas, en cambio, tienen una porción no aminoacídica. Son aquellas que por hidrólisis producen no solamente aminoácidos, sino también otros componentes orgánicos o inorgánicos. La porción no aminoácidica de una proteína conjugada se denomina grupo prostético. Las proteínas conjugadas pueden clasificarse de acuerdo con la naturaleza química de sus grupos prostéticos. De este modo tenemos nucleoproteínas y lipoproteínas, las cuales contienen ácidos nucleicos y lípidos, respectivamente, así como fosfoproteínas, métaloproteínas y glucoproteínas.
Las cadenas polipeptídicas individuales de la mayor parte de las proteínas de estructura
conocida contienen de 100 a 300 restos aminoácidos. Sin embargo, algunas proteínas poseen cadenas mucho más largas, tales como la seroalbúmina (proteína transportadora que circula por sangre, aproximadamente 550 restos) y la miosina (aproximadamente 1800 restos).
CONFORMACIÓN DE LAS PROTEÍNAS
Cada tipo de molécula proteica posee en su estado nativo, una forma tridimensional característica que es conocida como su conformación.
Las proteínas pueden clasificarse en dos clases principales,
- Fibrosas: según su conformación se hallan constituidas por cadenas polipeptídicas ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje, formando fibras o láminas largas. Son materiales físicamente resistentes, insolubles en el agua o en las disoluciones salinas diluidas. Las proteínas fibrosas son los elementos básicos estructurales en el tejido conjuntivo de los animales superiores, tales como el colágeno de los tendones y la matriz de los huesos, la queratina del cabello, cuerno, cuero, uñas y plumas, y la elastina del tejido conjuntivo elástico.
- Globulares. Las proteínas globulares, por otra parte, están constituidas por cadenas polipeptídicas plegadas estrechamente de modo que adoptan formas esféricas o globulares compactas.
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| colágeno |
La mayor parte de las proteínas globulares son solubles en los sistemas acuosos. Generalmente desempeñan una función móvil o dinámica en la célula. De los casi dos millares de enzimas diferentes conocidos hasta ahora casi todos son proteínas globulares, como también lo son los anticuerpos, algunas hormonas y muchas proteínas que desempeñan una función de transporte, tales como la seroalbúmina y la hemoglobina.
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| proteína globular |
Algunas proteínas se hallan situadas entre los tipos fibroso y globular, pareciéndose a las proteínas fibrosas por sus largas estructuras cilíndricas, y a las proteínas globulares, por ser solubles en las disoluciones acuosas salinas. Se encuentran entre ellas la miosina, elemento estructural importante del músculo, y el fibrinógeno, precursor de la fibrina, elemento estructural de los coágulos sanguíneos.
LAS PROTEÍNAS TIENEN CUATRO NIVELES DE ESTRUCTURA
Estos cuatro niveles se denominan estructura primaria, secundaria, etc
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| estructura primaria |
Estructura primaria: este término se refiere al esqueleto covalente de la cadena polipeptídica, y establece de modo específico la secuencia de aminoácidos. Cada aminoácido recibe un nombre. Nosotros construimos todas nuestras proteínas combinando de distinta manera 20 alfa –L aminoácidos. Como veíamos antes, un polipéptido puede estar formado por cientos de aminoácidos, enlazados uno a continuación del otro. La secuencia de este trencito es la estructura primaria.
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| estructura secundaria |
Estructura secundaria se refiere a la ordenación regular y periódica en el espacio de las cadenas polipeptídicas a lo largo de una dirección. La estructura secundaria es sobre todo evidente en las proteínas fibrosas, en las que las cadenas polipeptídicas poseen una conformación extendida o arrollada longitudinalmente; lo mismo ocurre en segmentos de cadenas polipeptídicas de las proteínas globulares.
Según su forma se denominan alfa-hélice, hoja plegada-beta y hay también configuraciones menos ordenadas, que se denominan al azar
Estructura terciaria se refiere al modo como la cadena polipeptídica se curva o se pliega para formar la estructura estrechamente plegada y compacta de las proteínas globulares o fibrosas.
Estructura cuaternaria Las proteínas formadas con dos o más cadenas polipeptídicas se conocen por el nombre de proteínas oligoméricas y sus cadenas componentes se llaman subunidades o protómeros. Cuando una proteína es oligomérica tiene estructura cuaternaria. La estructura cuaternaria debe considerar el número y la naturaleza de las distintas subunidades o monómeros que integran el oligómero y la forma en que se asocian en el espacio para dar lugar al oligómero.
En las proteínas con estructura terciaria de tipo fibroso, la estructura cuaternaria resulta de la asociación de varias hebras para formar una fibra o soga.
Un ejemplo bien conocido de proteína globular oligomérica es la hemoglobina, pigmento respiratorio de los eritrocitos de la sangre, que esta constituido por cuatro cadenas polipeptídicas acopladas íntimamente, formando un conjunto globular compacto de considerable estabilidad a pesar de la carencia de enlaces covalentes entre ellas.
Las proteínas oligoméricas contienen habitualmente un número par de cadenas polipeptídicas, que pueden ser idénticas o diferir en longitud o secuencia aminoacídica.
SÓLO LA ESTRUCTURA PRIMARIA ESTÁ FORMADA POR ENLACES COVALENTES (unión peptídica).
LOS OTROS TRES NIVELES DE ESTRUCTURA ESTÁN DADOS POR OTRO TIPO DE ENLACES (puentes de hidrógeno, puentes disulfuro, fuerzas de Van der Waals). NUNCA COVALENTES
ASOCIACIONES SUPRAMOLECULARES DE LAS PROTEÍNAS
Algunas veces aparece en las células un conjunto de moléculas de proteína actuando conjuntamente, a modo de agrupación o de complejo.
También son asociaciones supramoleculares las asociaciones de moléculas protéicas con otro tipo de moléculas. Tal es el caso de las glicoproteínas, lipoproteínas, etc.
Fuera de la célula, los mayores complejos proteicos supramoleculares son los virus, complejos de proteínas y de ácidos nucleicos: algunos virus contienen también lípidos e iones metálicos
FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LAS PROTEÍNAS
Desnaturalización
Muchas moléculas proteicas solo retienen su actividad biológica dentro de una fluctuación muy limitada de temperatura y de pH. La exposición de proteínas solubles o globulares a pH extremos o a temperaturas elevadas, les hace experimentar un cambio conocido como desnaturalización, cuyo efecto más visible, consiste en un descenso de su solubilidad. Los enlaces químicos covalentes del esqueleto peptídico no se rompen durante este tratamiento relativamente suave, la estructura primaria permanece intacta. La mayor parte de las proteínas globulares experimentan el proceso de desnaturalización cuando se calientan por encima de 60º -70º C. La formación de un coagulo insoluble blanco cuando se hierve la clara de huevo es un ejemplo bien conocido de desnaturalización térmica.
La consecuencia más significativa de la desnaturalización es que las proteínas pierden su actividad biológica característica.
Por ejemplo, al calentar las enzimas se suele perder su capacidad catalítica.
Cada tipo de proteína posee una composición fija de aminoácidos, así como una determinada secuencia, establecida durante su biosíntesis. Si bien la secuencia aminoacídica (estructura primaria) no confiere directamente a la proteína su función biológica o actividad, determina en último término la actividad biológica de la proteína ya que de ella dependen los otros niveles de estructura.
Esta conclusión es consecuencia del descubrimiento de que la desnaturalización de las proteínas nativas, que origina formas enrolladas al azar desprovistas de actividad biológica, no es un proceso irreversible como se creía. Se han observado muchos casos en que una molécula desplegada recupera su forma nativa en el tubo de ensayo, en un proceso que recibe el nombre de renaturalización. Estos hechos indican que la secuencia de aminoácidos que forma la estructura primaria es la que determina las demás estructuras de una forma bien específica, y por lo tanto es la que en última instancia, determina la función de la proteína.
Cuestionario
1- qué grupos funcionales se encuentran en los aminoácidos
2- qué es un polipéptido
3- cuántos tipos de aminoácidos especifica el código genético
4- cuál es la diferencia entre las proteínas simples y las conjugadas.
5- Según su conformación tridimensional, hay dos tipos de conformaciones. Cuál es la función principal de cada tipo de conformación?
6- Cuáles son los cuatro niveles de estructura de las proteínas?
7- Que tipos de enlace encontramos en los distintos niveles de estructura?
8- A que se denomina asociación supramolecular
9- Mencione cuatro funciones de las proteínas
