PROTEÍNAS

PROTEÍNAS
1. Concepto e importancia biológica.
Son los constituyentes químicos fundamentales de la materia viva no sólo por su abundancia,
(constituyen casi la mitad del peso seco de la célula), sino también por la enorme variedad de
funciones que desempeñan en la célula y fuera de ella.
Presentan en su molécula, además de C, H y O, el N como elemento químico diferenciador.
También son frecuentes en ellas P, S, e incluso Fe y Cu.
Son moléculas de enorme tamaño (macromoléculas), de elevado peso molecular. Son
polímeros, denominados polipéptidos, constituidos por la unión de unas moléculas denominadas
aminoácidos, de los que existen en la naturaleza 20 unidades moleculares o monómeros
diferentes.
Algunos aminoácidos pueden ser sintetizados por las células humanas a partir de otros u otras
moléculas diferentes, pero hay nueve (diez en el niño en crecimiento –también la arginina-) que
deben ser ingeridos en la dieta, son los aminoácidos esenciales. Las dietas vegetarianas suelen
tener déficit en estos aminoácidos por lo que es habitual incluir derivados lácteos para prevenir la
malnutrición en estos casos.
2. Aminoácidos. Enlace peptídico.
2.1. Composición química de los aminoácidos.
Los aminoácidos se caracterizan por presentar una función amina y una función ácido. Resultan
de sustituir en un ácido orgánico un hidrógeno del carbono , , , etc., por una función amina.
Los 20 aminoácidos que constituyen las proteínas son -aminoácidos y poseen una estructura muy
parecida: constan de una parte común y un radical variable:
NH2
-NH2
CH3 - CH2 - COOH
propiónico
H - C - COOH
CH3
alanina
NH2
-NH2
CH3 - COOH
acético
H - C - COOH
H
glicocola
En general:
NH2
H - C - COOH
R
2.2. Propiedades de los aminoácidos.
Derivan de su estructura química. Destacan dos propiedades:
1) Carácter anfótero. Se puede comportar como ácido o como una base dependiendo del pH del
medio donde se encuentren. Al tener un grupo carboxilo pueden desprender H+, por lo que tienen
carácter ácido. Por otra parte, al poseer un grupo amino, son capaces de aceptar H+ y, por tanto,
tienen carácter básico. Al pH existente en los sistemas biológicos, ambos grupos (amino y
carboxilo) suelen estar ionizados y los aminoácidos aparecen como iones dobles.
A pH ácido, los aminoácidos tendrán carga positiva (captan H+ del medio); y a pH básico,
tendrán carga negativa porque el grupo amino cederá un H+ al medio. La cadena lateral R puede
tener grupos ionizables y, por tanto, participará de la carga neta del aminoácido.
2) Estereoisomería. Como
el carbono  es asimétrico,
existen dos estereoisómeros
con distinta actividad óptica.
Se escribe con el grupo
amino hacia la derecha
cuando es de la serie D, y
hacia la izquierda cuando es de la serie L. Todos los aminoácidos proteicos son isómeros L,
aunque es posible encontrar D-aminoácidos en determinados compuestos biológicos, como en la
pared bacteriana o en ciertos antibióticos.
2.3. Clasificación de los aminoácidos.
Además de los grupos amino y carboxilo unidos al carbono-, algunos aminoácidos poseen en
sus cadenas laterales (R) otros grupos amino o carboxilo que también se ionizan y generan cargas
positivas o negativas, respectivamente, que contribuyen a la carga neta del aminoácido y de la
proteína que lo contiene. Según esto, se clasifican según las características del radical (R):
1) Aminoácidos ácidos (cargados negativamente). R aporta grupos carboxilo.
2) Aminoácidos básicos (cargados positivamente). R aporta grupos amino.
3) Aminoácidos neutros polares (sin carga). R contiene grupos polares capaces de formar
puentes de hidrógeno con otros grupos polares.
4) Aminoácidos neutros apolares. R posee grupos hidrófobos que interaccionan con otros grupos
hidrófobos mediante fuerzas de Van der Vaals.
2.4. El enlace peptídico. Péptidos.
Los aminoácidos pueden reaccionar entre sí (con pérdida de una molécula de agua), uniéndose
mediante el denominado enlace peptídico, para formar péptidos. Se trata de un enlace amida, entre
un grupo ácido y un grupo amino y puede ser hidrolizado a su vez, separándose los dos
aminoácidos.
El nuevo compuesto tiene un NH2 libre correspondiente al primer aminoácido (grupo
N-terminal), y un COOH libre que pertenece al último aminoácido de la cadena, a los que se
pueden unir nuevos aminoácidos por medio de enlaces peptídicos y formar un dipéptido (dos Aa),
tripéptido (tres Aa), oligopéptido (de dos a diez Aa), un polipéptido (diez a cien Aa o 5.000 de
peso molecular) o una proteína (más de cien Aa).
El enlace peptídico se estabiliza porque los átomos de carbono,
oxígeno y nitrógeno comparten electrones, lo que hace que aparezcan
dos formas resonantes, lo que le confiere dos características importantes:
1) El enlace peptídico tiene un carácter parcial de doble enlace. Este
hecho impide que se efectúen torsiones alrededor del enlace peptídico, lo
que determina que los átomos de carbono, oxígeno y nitrógeno se sitúen
en el mismo plano, son coplanares, lo que supone que los tres átomos
participen del enlace.
2) El oxígeno queda en posición contraria al H.
Se puede observar que en los enlaces peptídicos no participan los
radicales de los aminoácidos sino que quedan alternándose a un lado y a
otro y hacia el exterior de la cadena.
3. Estructura de las proteínas.
Mediante técnicas como la difracción por rayos X se ha llegado a conocer perfectamente cómo
se agrupan y se disponen en el espacio las cadenas de polipéptidos para formar las proteínas y se
ha corroborado que la actividad biológica de una proteína depende en gran medida de la
disposición espacial de su cadena polipeptídica. Existen cuatro tipos diferentes de estructura,
atendiendo a una complejidad creciente: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria.
3.1. Estructura primaria.
Viene determinada por el número de aminoácidos, tipo y orden en que se encuentran formando
una cadena lineal en la que los radicales de cada aminoácido se disponen de forma alternativa
debido al volumen de los mismos. Por convenio, siempre se sitúa el grupo amino libre a la
izquierda. Se comprende, por tanto, que exista un número enorme de proteínas diferentes.
La secuencia de los aminoácidos condiciona los restantes niveles de organización de la proteína,
ya que la cadena tiende a plegarse y a adoptar espontáneamente la estructura más estable.
3.2. Estructura secundaria.
Pauling y Corey demostraron que las cadenas polipeptídicas pueden sufrir una rotación a nivel
del carbono- de cada uno de los aminoácidos que las constituyen, lo que da lugar a que tales
cadenas se dispongan en el espacio de múltiples formas. De ellas, existe una conformación más
estable que las demás y, por tanto, es esta la que se mantiene en condiciones fisiológicas. Esta
disposición espacial es la que se conoce como estructura secundaria la cual queda estabilizada
mediante puentes de hidrógeno que se establecen entre grupos C=O y N-H. En ella distinguimos
tres modelos: hélices, láminas y giros.
a) Hélices. Se han identificado dos tipos de hélices, la -hélice y
la triple-hélice.
En la configuración -helicoidal, la cadena peptídica se dispone
como una espiral o tirabuzón que sigue el sentido de las agujas
del reloj, de manera que cada 3,6 aminoácidos forman una vuelta
de espira, de tal manera que los grupos C=O y N-H de distintos
aminoácidos quedan enfrentados, estableciéndose entre ellos una
unión mediante un puente de H que es el tipo de enlace que
confiere estabilidad a este tipo de estructura (se establece el
puente de hidrógeno entre el grupo –NH de un aminoácidos y el
grupo –C=O del cuarto aminoácido que le sigue en la cadena
lineal). Como ejemplos tenemos la -queratina, muy abundante
en las células de la epidermis, en el pelo, la lana, etc.
La triple hélice es la conformación más frecuente en el colágeno
(proteína del tejido conjuntivo). La estructura se estabiliza mediante puentes de hidrógeno
entre cadenas diferentes.
b) Láminas. La estructura laminar más común es la llamada
configuración- o en hoja plegada. En ella, una cadena polipeptídica se
pliega de manera que los segmentos se disponen de forma paralela unos a otros,
o bien en sentido contrario (cadenas antiparalelas), enfrentando los grupos C=O
y N-H de dos segmentos contiguos entre las cuales se establecen los puentes de
hidrógeno. Una misma cadena polipeptídica puede doblarse y formar
fragmentos antiparalelos. P. e., las ß-queratinas de la seda, del pelo, de
las uñas, de las plumas, etc.
c) Giros. Las cadenas laterales no intervienen en la estabilización de la
estructura secundaria pero algunas secuencias de aminoácidos
desestabilizan las estructuras anteriores debido a su gran volumen o a
que presentan carga eléctrica, originando en dichas estructuras
curvaturas más o menos pronunciadas que articulan los otros tramos y
que rompen, por tanto, la estructura secundaria. Estas secuencias de
conexión se denominan giros.
3.3. Estructura terciaria.
Aparece cuando la estructura secundaria de una proteína sufre dobleces y plegamientos
tridimensionales, constituyendo formas de tipo globular. Precisamente de la estructura terciaria
depende la función de la proteína, por lo que cualquier cambio en la disposición de esta estructura
puede provocar la pérdida de de su actividad biológica.
Los enlaces que mantienen la estructura terciaria se establecen entre las cadenas laterales de los
aminoácidos, y son de varios tipos: covalente, como puentes disulfuro (-S-S-) entre dos cisteínas;
y enlaces no covalentes como puentes de hidrógeno, fuerzas de Van del Waals, fuerzas de
interacción hidrofóbica por atracción de grupos apolares, y enlaces de
tipo iónico (o de atracción electrostática).
Como ejemplo tenemos la mioglobina cuya función es la de almacenar
oxígeno; emparentada con la hemoglobina, se halla en el músculo
esquelético, especialmente abundante en mamíferos buceadores como
focas, ballenas, cachalotes, etc. Otros ejemplos son las proteínas
enzimáticas.
3.4. Estructura cuaternaria
Sólo la presentan algunas proteínas y se caracteriza por la formación
de oligómeros, es decir, agrupación de varias cadenas polipeptídicas
iguales o muy parecidas, que interaccionan entre sí por enlaces débiles,
no covalentes, por ejemplo la hemoglobina, que posee cuatro cadenas polipeptídicas globulares
iguales dos a dos (dos  y dos ), las proteínas musculares, los complejos multienzimáticos,
inmunoglobulinas, etc.
4. Propiedades de las proteínas.
4.1. Solubilidad.
Las proteínas fibrilares son insolubles en agua. Las globulares, en cambio, si lo hacen pero,
debido a su elevado peso molecular, al disolverse dan lugar a dispersiones coloidales.
La solubilidad se debe a los radicales polares que establecen enlaces de hidrógeno con las
moléculas de agua, formando una capa de solvatación; si ésta se pierde, se producirá una
interacción entre las moléculas de proteína y precipitarán.
La mayoría de radicales hidrófobos permanecen alejados de las moléculas de agua al quedar
situados en el interior de la proteína.
4.2. Alteración de la estructura espacial: desnaturalización.
Cuando a las disoluciones de proteínas se les somete a cambios de pH, a alteraciones en la
concentración de sales, presencia de ciertas sustancias orgánicas, o la intervención de agentes
físicos como variaciones de temperatura o descargas eléctricas, la estructura tridimensional de las
proteínas se pierde, con la consiguiente pérdida parcial o total de su funcionalidad. Ello se debe a
que los enlaces que mantienen la conformación globular se rompen y la proteína adopta una
estructura filamentosa; entonces, las moléculas proteicas se unen entre sí dando lugar a grandes
partículas que precipitan.
A esta variación en la estructura tridimensional se le denomina desnaturalización y no afecta a
los enlaces peptídicos. A veces, la recuperación de la conformación primitiva puede ser reversible
y se denomina renaturalización. No obstante, en la mayoría de los casos la desnaturalización es
irreversible.
Al modificar el pH se altera la carga de los radicales, por lo que allí donde había atracción entre
diferentes cargas, se pierde la interacción entre ambos radicales.
Al estar las moléculas de proteínas hidratadas, si introducimos alguna sustancia menos polar
que el agua pero que se mezcle con ella muchas de las moléculas que hidrataban la proteína son
separadas por estas moléculas.
Al aumentar la temperatura se incrementa la energía cinética de estas moléculas provocando la
desorganización de la envuelta acuosa de las proteínas y su precipitación.
Si añadimos sustancias salinas provoca la rotura de los puentes de hidrógeno y las interacciones
eléctricas y genera la agregación de las moléculas y su insolubilización.
4.3. Especificidad.
Los glúcidos y los lípidos que aparecen en los seres vivos son prácticamente siempre los
mismos. Sin embargo, las proteínas suelen ser específicas para cada especie. Esta especificidad se
debe a pequeñas diferencias entre moléculas proteicas, que desempeñan idéntica función en
especies diferentes.
Tales diferencias se basan en la distinta situación o cambio de uno o varios aminoácidos que
componen estas moléculas.
Esta variabilidad en la estructura primaria hace que en ocasiones aparezcan diferencias entre
proteínas pertenecientes a individuos de la misma especie. Al ser recibidas tales moléculas por
otro individuo (transfusiones de sangre, injertos de piel, trasplantes, etc.), su organismo las
considera extrañas y responde con reacciones de rechazo (reacciones del tipo antígenoanticuerpo).
5. Clasificación de las proteínas.
Se clasifican en dos grandes grupos:
1) Holoproteínas. Formadas exclusivamente por cadenas de polipéptidos. Se subdividen en
proteínas globulares (con alto grado de plegamiento y generalmente solubles) y fibrilares (con
estructura terciaria menos compleja e insolubles.
- Proteínas globulares:
· Albúminas. Son proteínas grandes con función de transporte de otras sustancias o de
reserva de aminoácidos: ovoalbúmina (presente en la clara de huevo), lactoalbúmina (en
la leche), seroalbúmina (presente en el suero sanguíneo), etc.
· Globulinas. Son las proteínas de mayor tamaño: seroglobulinas (presentes en el suero
sanguíneo).
· Histonas y protaminas. Son proteínas que interaccionan con el ADN para formar la
cromatina y los cromosomas, respectivamente.
- Proteínas fibrilares. Generalmente tienen función estructural:
· Miosina y actina. Mayoritarias en el músculo, intervienen en la contracción muscular.
· Fibrinógeno. Interviene en la coagulación sanguínea.
· Colágeno. Se encuentra en los tejidos conjuntivo, cartilaginoso y óseo (da lugar a
gelatina por cocción)
· Queratina. En la epidermis de la piel, en uñas, pelo, pezuñas, astas.
· Elastina. Posee una gran elasticidad y es abundante en órganos sometidos a
deformaciones como los pulmones, arterias, dermis de la piel, etc.
2) Heteroproteínas. Son aquellas que presentan en su constitución una parte proteica y una parte
no proteica, a la que se le denomina grupo prostético.
· Fosfoproteínas. El grupo prostético es ácido fosfórico (caseína de la leche).
· Glucoproteínas. Tienen una parte proteica y un glúcido. Algunas de ellas se encuentran
en las membranas celulares, con función antigénica; otras, las gammaglobulinas, forman
los anticuerpos.
· Lipoproteínas. Formados por parte proteica y parte lipídica. Aparecen en las paredes
bacterianas y en el plasma sanguíneo, donde sirven como transportadores de grasas y
colesterol.
· Cromoproteínas. El grupo prostético es una molécula compleja que posee dobles enlaces
conjugados, lo que les confiere color: mioglobina, hemoglobina, clorofila y la vitamina B
o cianocobalamina, hemocianina, y la rodopsina que interviene en la visión.
· Nucleoproteínas. Proteína + ácido nucleico. Las nucleoproteínas forman los
cromosomas.
6. Funciones de las proteínas.
Su importancia deriva de la gran variabilidad que pueden presentar debido a las múltiples
combinaciones posibles que pueden realizarse con los 20 aminoácidos, que permiten la formación
de una enorme variedad de estructuras tridimensionales: se considera que en el ser humano existen
cerca de 100.000 tipos diferentes de proteínas.
Las proteínas dirigen la práctica totalidad de los procesos vitales, incluso aquellos encaminados
a la propia producción de estas moléculas. De las muchas funciones que poseen dos son las más
importantes:
a) Función catalítica o enzimática. Los enzimas son la clase más amplia de proteínas y su
función es catalizar las reacciones químicas que se producen en la célula. Son específicos de cada
reacción
b) Función estructural. Muchas proteínas fibrosas y algunas proteínas globulares que se
organizan a modo de fibras tienen como función la de formar armazones estructurales que den
consistencia a diversos componentes orgánicos. Por ejemplo el colágeno del tejido conjuntivo,
óseo y cartilaginoso da consistencia y elasticidad a los órganos donde se encuentra. La tubulina es
la proteína que forma el citoesqueleto celular.
c) Función reguladora. En la célula se generan gran cantidad de procesos (producción de
energía, movimiento, división, etc.). Dichos fenómenos necesitan una coordinación, de modo que
se produzcan en el momento preciso. Esta coordinación la llevan a cabo proteínas mediante
distintos mecanismos de control.
d) Función mensajera (hormonas y neurotransmisores). Algunos polipétidos pequeños, ciertos
aminoácidos y determinados derivados de aminoácidos ejercen funciones de mensajeros químicos
del sistema nervioso (neurotransmisores) o del sistema endocrino (hormonas).
e) Función motora. Determinadas proteínas son el componente fundamental de los órganos
motores. Por ejemplo, la actina y la miosina del músculo se contraen ante estímulos apropiados,
produciendo un acortamiento del músculo; los cilios y flagelos están formados por microtúbulos
de proteínas.
f) Función inmunitaria y de reconocimiento celular. Ciertas proteínas proporcionan la
identidad molecular de los organismos vivos (antígenos); hay receptores de señales químicas en la
membrana citoplasmática donde se acoplan, por ejemplo, las hormonas para desarrollar su acción
en el interior celular.
g) Función defensiva contra microorganismos patógenos: son los anticuerpos o
inmunoglobulinas.
h) Función de transporte. Muchas proteínas transportan sustancias. Por ejemplo, la hemoglobina
transporta oxígeno y algunas proteínas transportan moléculas orgánicas y sales minerales a través
de la membrana celular.
i) Función de reserva. La ovoalbúmina, componente fundamental de la clara del huevo,
constituye la reserva de aminoácidos más importante para el desarrollo del embrión. Igual ocurre
con la lactoalbúmina.
j) Función de tampón. Gracias a su carácter anfótero (actúan como ácido y como base)
intervienen en el mantenimiento del pH donde se encuentran.
k) Funciones múltiples. Una misma proteína de membrana tiene función estructural y, a la vez, es
un enzima que interviene en el transporte de sustancias a través de la membrana.