CONCEPTO DE PROTEÍNA

Proteínas
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INDICE
CONCEPTO DE PROTEÍNA ......................................................................................................................... 3
LOS AMINOÁCIDOS ..................................................................................................................................... 3
AMINOÁCIDOS POLARES SIN CARGA ................................................................................................................ 5
AMINOÁCIDOS POLARES CON CARGA .............................................................................................................. 5
AMINOÁCIDOS APOLARES ............................................................................................................................... 6
EL ENLACE PEPTÍDICO .............................................................................................................................. 6
ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS ......................................................................................................... 9
ESTRUCTURA PRIMARIA .................................................................................................................................. 9
ESTRUCTURA SECUNDARIA ............................................................................................................................. 9
ESTRUCTURA TERCIARIA ............................................................................................................................... 12
ESTRUCTURA CUATERNARIA ......................................................................................................................... 13
LOS CUATRO NIVELES ESTRUCTURALES DE LA HEMOGLOBINA ...................................................................... 14
CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS .................................................................................................. 14
FUNCIONES Y EJEMPLOS DE PROTEÍNAS ......................................................................................... 15
ENZIMAS EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS ................................................................................... 16
PROTEÍNAS RECOMBINANTES .............................................................................................................. 17
PRODUCCIÓN DE INSULINA HUMANA ............................................................................................................. 17
PRODUCCIÓN DE INTERFERÓN ....................................................................................................................... 18
PRODUCCIÓN DE HORMONA DE CRECIMIENTO ............................................................................................... 19
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................................ 20
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Concepto de proteína
Las proteínas son biomoléculas formadas básicamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y
nitrógeno. Pueden además contener azufre y en algunos tipos de proteínas, fósforo, hierro,
magnesio y cobre entre otros elementos.
Pueden considerarse polímeros de unas pequeñas moléculas que reciben el nombre de
aminoácidos y serían por tanto los monómeros unidad. Los aminoácidos están unidos mediante
enlaces peptídicos.
La unión de un bajo número de aminoácidos da lugar a un péptido; si el n: de aminoácidos que
forma la molécula no es mayor de 10, se denomina oligopéptido, si es superior a 10 se llama
polipéptido y si el n: es superior a 50 aminoácidos se habla ya de proteína.
Los aminoácidos
Son las unidades básicas que forman las proteinas. Su denominación responde a la composición
química general que presentan, en la que un grupo amino (-NH2) y otro carboxilo o ácido (-COOH)
se unen a un carbono (-C-). Las otras dos valencias de ese carbono quedan saturadas con un
átomo de hidrógeno (-H) y con un grupo químico variable al que se denomina radical (-R).
Tridimensionalmente el carbono presenta una configuración tetraédrica en la que el carbono se
dispone en el centro y los cuatro elementos que se unen a él ocupan los vértices. Cuando en el
vértice superior se dispone el -COOH y se mira por la cara opuesta al grupo R, según la
disposición del grupo amino (-NH2) a la izquierda o a la derecha del carbono se habla de " -Laminoácidos o de " -D-aminoácidos respectivamente. En las proteínas sólo se encuentran
aminoácidos de configuración L.
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Según el radical R se distinguen 20 tipos de aminoácidos:
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Aminoácidos polares sin carga
Aminoácidos polares con carga
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Aminoácidos apolares
El enlace peptídico
Los aminoácidos se encuentran unidos linealmente por medio de uniones peptídicas. Estas
uniones se forman por la reacción de síntesis (vía deshidratación) entre el grupo carboxilo del
primer aminoácido con el grupo amino del segundo aminoácido.
La formación del enlace peptídico entre dos aminoácidos es un ejemplo de una reacción de
condensación . Dos moléculas se unen con la pérdida de una molécula de agua.
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Por otra parte, el carácter parcial de doble enlace del enlace peptídico (-C-N-) determina la
disposición espacial de éste en un mismo plano, con distancias y ángulos fijos. Como
consecuencia, el enlace peptídico presenta cierta rigidez e inmoviliza en el plano a los átomos que
lo forman.
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Estructura de las proteínas
La organización de una proteína viene definida por cuatro niveles estructurales denominados:
estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. Cada una
de estas estructuras informa de la disposición de la anterior en el espacio.
Estructura primaria
La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos de la proteína. Nos indica qué aminoácidos
componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos aminoácidos se encuentran. La función
de una proteína depende de su secuencia y de la forma que ésta adopte.
Estructura secundaria
La estructura secundaria de una proteína es la que adopta espacialmente. Existen ciertas
estructuras repetitivas encontradas en las proteínas que permiten clasificarlas en dos tipos: hélice
alfa y lámina beta.
Una hélice alfa es una apretada hélice formada por una cadena polipeptídica. La cadena
polipetídica principal forma la estructura central, y las cadenas laterales se extienden por fuera de
la hélice. El grupo carboxílo (CO) de un aminoácido n se une por puente hidrógeno al grupo amino
(NH) de otro aminoácido que está tres residuos mas allá ( n + 4 ). De esta manera cada grupo CO
y NH de la estructura central (columna vertebral o "backbone") se encuentra unido por puente
hidrógeno.
Existen tres modelos de alfa hélice. El primero muestra solo al carbono alfa de cada aminoácido. El
segundo muestra todos los átomos que forman la columna vertebral del polipéptido .
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El tercero y mas completo modelo, muestra todos los puentes hidrógeno que mantienen la alfahélice . Las hélices generalmente están formadas por aminoácidos hidrófobos , en razón que son,
generalmente, la máxima atracción posible entre dichos aminoácidos. Las hélices se observan, en
variada extensión, prácticamente en todas las proteínas.
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 Conformación beta: en esta disposición los amoniácidos no forman una hélice sino una
cadena en forma de zigzag, denominada disposición en lámina plegada.
Pueden ser paralelas o antiparalelas. Las anti-paralelas generalmente se ven así:
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Estructura terciaria
La estructura terciaria informa sobre la disposición de la estructura secundaria de un polipéptido al
plegarse sobre sí misma originando una conformación globular o fibrilar.
En definitiva, es la estructura primaria la que determina cuál será la secundaria y por tanto la
terciaria..
Esta conformación globular facilita la solubilidad en agua y así realizar funciones de transporte ,
enzimáticas , hormonales, etc.
Esta conformación globular se mantiene estable gracias a la existencia de enlaces entre los
radicales R de los aminoácidos. Aparecen varios tipos de enlaces:
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- el puente disulfuro entre los radicales de aminoácidos que tiene azufre.
- los puentes de hidrógeno
- los puentes disulfuro
- interacciones iónicas
- fuerzas de Van der Waals
- las interacciones hidrófobas.
Estructura cuaternaria
La estructura cuaternaria está representada por el acoplamiento de varias cadenas polipeptídicas,
iguales o diferentes, con estructuras terciarias (protómeros) que quedan autoensambladas por
enlaces débiles, no covalentes. Esta estructura no la poseen, tampoco, todas las proteínas.
Algunas que sí la presentan son: la hemoglobina y los enzimas alostéricos.
El número de protómeros varía desde dos como en la hexoquinasa, cuatro como en la
hemoglobina, o muchos como la cápsida del virus de la poliomielitis, que consta de 60 unidades
proteícas
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Los cuatro niveles estructurales de la hemoglobina
Clasificación de las proteínas
Se clasifican en :
 HOLOPROTEÍNAS: formadas solamente por aminoácidos
 Globulares





Prolaminas:Zeína (maíza),gliadina (trigo), hordeína (cebada)
Gluteninas:Glutenina (trigo), orizanina (arroz).
Albúminas:Seroalbúmina (sangre), ovoalbúmina (huevo), lactoalbúmina (leche)
Hormonas: Insulina, hormona del crecimiento, prolactina, tirotropina
Enzimas: Hidrolasas, Oxidasas, Ligasas, Liasas, Transferasas...etc.
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



Fibrosas
Colágenos: en tejidos conjuntivos, cartilaginosos
Queratinas: En formaciones epidérmicas: pelos, uñas, plumas, cuernos.
Elastinas: En tendones y vasos sanguineos
Fibroínas: En hilos de seda, (arañas, insectos)
 HETEROPROTEÍNAS: formadas por una fracción proteínica y por un grupo no proteínico,
que se denomina "grupo prostético”.
Glucoproteínas




Lipoproteínas
 De alta, baja y muy baja densidad, que transportan lípidos en la sangre.
Nucleoproteínas
 Nucleosomas de la cromatina
 Ribosomas
Cromoproteínas
 Hemoglobina, hemocianina, mioglobina, que transportan oxígeno
 Citocromos, que transportan electrones
Ribonucleasa
Mucoproteínas
Anticuerpos
Hormona luteinizante
Funciones y ejemplos de proteínas
Estructural





Enzimatica
Son las más numerosas y especializadas. Actúan como biocatalizadores de las
reacciones químicas.
Hormonal




Defensiva
 Inmunoglobulina
 Trombina y fibrinógeno
Transporte
 Hemoglobina
 Hemocianina
Como las glucoproteínas que forman parte de las membranas.
Las histonas que forman parte de los cromosomas
El colágeno, del tejido conjuntivo fibroso.
La elastina, del tejido conjuntivo elástico.
La queratina de la epidermis.
Insulina y glucagón
Hormona del crecimiento
Calcitonina
Hormonas tropas
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 Citocromos
Reserva
 Ovoalbúmina, de la clara de huevo
 Gliadina, del grano de trigo
 Lactoalbúmina, de la leche
Enzimas en la industria de alimentos
Las enzimas eran y son, importantes herramientas en la producción de alimentos (coagulación de
leche, clarificación de jugos, producción de bebidas alcohólicas, etc.), mucho tiempo antes de la
llegada de la Ingeniería genética. Actualmente son cada vez más las enzimas que se están
produciendo por las técnicas de ADN recombinante para distintas industrias, incluyendo las
alimenticias.
Las ventajas que presenta la biotecnología moderna para la producción de enzimas en alimentos
son: las proteínas elaboradas por ADN recombinante son iguales a su contraparte natural; una vez
obtenida la célula “transgénica” (bacteriana, levadura, etc.) es fácil la producción industrial por
crecimiento celular; se fabrican las cantidades que requiera el mercado; las enzimas están libres de
contaminaciones secundarias durante el proceso (endotoxinas, etc.); cuando suplantan procesos
extractitos presentan mayor bioseguridad y en algunos casos suplantan mezclas enzimáticas por
moléculas caracterizadas químicamente (p. Ej. Quimosina).
La primera molécula para uso de alimentos obtenida por Ingeniería Genética fue la quimosina. La
quimosina es la enzima más importante en la industria láctea para coagular la leche, hidroliza
específicamente la Kappa caseína y produce una coagulación rápida y con máximo rendimiento
proteico de la cuajada del queso. Tradicionalmente la quimosina se obtenía de la renina que era
extraída de los estómagos de los terneros, pero esto presentaba dificultades por posibles
contaminaciones del producto y porque la renina contenía sólo 2% de quimosina, a lo que se le
debió sumar en su momento la disminución de la matanza de terneros. Todo esto llevó a varias
empresas a contactar biólogos moleculares y empresas especializadas de biotecnología para
realizar la clonación y expresar la quimosina animal en bacterias, obteniendo así bacterias
transgénicas. Pero de ésta forma se obtuvo y obtiene una quimosina que tiene un grado de pureza
superior al 95% y cuya producción se hace en biorreactores en plantas industriales.
La quimosina sentó las bases para la producción de una variedad de enzimas de grado
alimentario, seguras y funcionales para la tecnología del ADN recombinante. Esta tecnología
permite mayor disponibilidad, más alta pureza y mejores costos, que benefician y mejoran la
calidad de los alimentos para los consumidores.. algunos ejemplos se muestran en la siguiente
Tabla.
Enzima
Aplicación
Fuente
Quimosina
Lactasa
Alfa-amilasa
Estado
Elaboración quesos
E. Coli; K. Lactis
Comercial
Hidrólisis de lactosa
K. Lactis
Comercial
Jarabe maíz alto en
B. Subtilis
Comercial
fructosa (HFCS)
Amiloglucosidasa
HFCS
B. Subtilis
Comercial
Alfa amilasa
Anti envejecimiento del B. Subtilis
Comercial
maltogénica
pan
Acetolactato
Maduración cerveza y B. Subtilis
Comercial
decarboxilasa
reducción de diacetilo
Lipasa
Esterificar aceite de
A. Oryzae
En desarrollo
palma
Tabla. Enzimas para industrias alimenticias obtenidas por tecnología del ADN recombinante
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La producción de proteínas recombinantes es la primera fase del intensivo uso del Conocimiento
(ciencia y desarrollo) biológico para mejorar procesos, mejorar productos y obtener nuevos
productos o productos conocidos pero con nuevas características.
Desde la década del 90 el sector de producción de enzimas ha incorporado los estudios de
modelización de las estructuras enzimáticas realizando estudios de cristalización de proteínas
(determinación de estructuras terciarias y cuaternarias) junto con mutagénesis dirigida.
Proteínas recombinantes
Producción de insulina humana
La producción de la hormona insulina fue la primera y más exitosa de las proteínas humanas
recombinantes con usos terapéuticos utilizadas comercialmente. La insulina es una proteína
producida en el páncreas que es vital en la regulación del metabolismo de carbohidratos en el
cuerpo. Existen dos tipos de transportadores de glucosa que son idénticos en un 60% de sus 500
aminoácidos. Unos se encuentran en la membrana y los otros (más numerosos) en vesículas
intracelulares. La unión de la insulina a su receptor activa la exocitosis de las vesículas que
contienen abundantes transportadores de glucosa, originando un incremento de 10 veces en el
número de transportadores en la membrana plasmática. Simultáneamente se activan todos los
transportadores de glucosa que se encuentran en la membrana plasmática. El resultado es que la
cantidad de glucosa introducida en la célula incrementa de 10 a 20 veces. Una vez que se pierde o
elimina la insulina, las regiones de la membrana plasmática ricas en el tipo más abundante de
transportadores de glucosa se someten a endocitosis, con lo que desaparecen estos
transportadores de la membrana. Simultáneamente, los transportadores que permanecen en la
membrana se desactivan.
La diabetes, una enfermedad que se caracteriza por una deficiencia en insulina, afecta a millones
de personas. El tratamiento estándar para la diabetes son inyecciones periódicas o administración
oral de insulina. Debido a que la mayor parte de las insulinas de mamífero son similares en
estructura, es posible tratar la diabetes humana usando insulina aislada del páncreas de cerdo ya
que sólo difiere de la humana en un aminoácido. Sin embargo, esta insulina no humana no es tan
efectiva como la humana, y el proceso de aislamiento es caro y complejo.
La producción de hormonas como la insulina en un microorganismo modificado genéticamente no
es tan simple como clonar un gen (cDNA) en un vector de expresión. Esto es debido a que muchas
de estas hormonas son sólo pequeños fragmentos de los polipéptidos codificados por el gen.
La insulina en su forma activa consiste en dos polipéptidos (A y B) conectados por puentes
disulfuros. Estos dos polipéptidos son codificados por partes separadas de un único gen de la
insulina. Este gen codifica para la preproinsulina, un polipéptido largo que contiene un péptido
señal involucrado en la excreción de la proteína, los polipéptidos A y B de la molécula activa de la
insulina y un polipéptido que los conecta y que está ausente en la insulina madura. La proinsulina
se forma a partir de la preproinsulina, y la conversión de la proinsulina en insulina es llevada a
cabo por enzimas que rompen la unión del polipéptido que une a las cadenas A y B.
La obtención de insulina humana en bacterias se consigue produciendo las cadenas A y B en dos
cultivos bacterianos separados que posteriormente se unen químicamente para producir insulina.
Debido a que la insulina es una proteína pequeña, resultó más práctico sintetizar químicamente las
secuencias de DNA que intentar aislar el gen de la insulina de tejido humano. La cadena A
contiene 63 bases y la B 90 bases.
Cuando se sintetizaron los polinucleótidos, se añadieron a cada extremo sitios de acción de
enzimas de restricción para así poder ligar este polinucleótido a un vector plasmídico. Para obtener
una expresión efectiva los genes sintetizados se insertaron a continuación de un promotor de
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Escherichia coli pero de tal manera que el fragmento de insulina se sintetizara como parte de una
proteína de fusión. Una ventaja de la proteína de fusión es que el producto de fusión es más
estable en Escherichia coli que la insulina sola. Además se inserta un triplete que codifica para
metionina. La razón de ésto es que el Bromuro de Cianógeno rompe específicamente las cadenas
polipeptídicas en los residuos de metionina, permitiendo recuperar la insulina una vez que se ha
aislado la proteína de fusión de la bacteria. La insulina no contiene metionina por lo que no se ve
afectada por el tratamiento con Bromuro de Cianógeno. Finalmente se incorporan dos codones de
terminación al final de la secuencia.
Cuando la insulina se produce a través de los péptidos A y B separadamente, cada una de las
proteínas de fusión se aislan separadamente a partir del correspondiente cultivo bacteriano y las
cadenas se liberan por tratamiento con Bromuro de Cianógeno. Estas cadenas liberadas se
conectan entre sí mediante tratamiento químico formándose los puentes disulfuro entre las
cisteínas.
El producto final, la insulina humana biosintética, es idéntica en todos los aspectos a la insulina
purificada del páncreas humano.
Producción de interferón
Los interferones son sustancias antivíricas producidas por muchas células animales en respuesta a
la infección por ciertos virus. Son proteínas de bajo peso molecular (c.a. 17.000 Da) que previenen
la multiplicación viral en células normales.
Los interferones se descubrieron cuando los investigadores encontraron que los animales
infectados por virus producían una serie de pequeñas proteínas que ayudaban a que no
prosperara la infección. Estas proteínas se denominaron interferones debido a su capacidad de
"interferir" la replicación vírica.
Se han identificado tres tipos principales de interferones:
· Interferón alfa, producido por las células T
· Interferón beta, producido por los fibroblastos
· Interferón gamma, que también lo producen las células T
Existen 13 tipos distintos de interferones alfa, 5 de interferones beta y un número desconocido de
interferones gamma. Los interferones se clasifican atendiendo a su estructura química y a su
origen, más que a la función que desempeñan, que se solapa en los tres grupos de interferones.
En general, los agentes antivíricos más poderosos pertenecen al grupo de los interferones gamma.
Las células que han sido infectadas por un determinado virus son estimuladas para que produzcan
y liberen al exterior moléculas de interferón, que a su vez son captadas por las células sin infectar
de las cercanías. Como consecuencia de ello, estas células sin infectar sintetizan unas proteínas
antivíricas (AVPs) que son enzimas que interfieren con la síntesis de proteínas víricas y frenan la
propagación de la infección. La mayoría de los principales tipos de virus estimulan la producción
celular de interferón así como el RNA de doble cadena tanto natural como sintético. Puesto que el
RNA de doble cadena sólo existe en células infectadas con virus RNA, este RNA de doble cadena
podría actuar como una señal de infección vírica en la célula animal lo que activaría el sistema
productor de interferón.
Los interferones son producidos por muchos tipos distintos de vertebrados, desde los reptiles a los
seres humanos. Cada interferón es hospedador-específico, es decir, que sólo protege frente a la
infección a otros animales de la misma especie. Sin embargo, los interferones son virusinespecíficos, lo que significa que cada interferón es activo frente a muchos tipos diferentes de
virus.
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Cuando se descubrieron se esperó que podrían utilizarse para el tratamiento de algunas de las
enfermedades más graves. Su efecto antivírico los convertía en posibles agentes para combatir las
infecciones víricas y, por otro lado, la capacidad que poseen de ralentizar la división celular los
convertía en posibles agentes para el tratamiento del cáncer. Sin embargo y debido a las enormes
dificultades para obtener grandes cantidades se retrasó su uso como agente terapéutico hasta que
se desarrollaron las técnicas de ingeniería genética y fue posible la producción de grandes
cantidades de interferones humanos purificados. Desgraciadamente los resultados de la terapia
con interferón no fueron tan espectaculares como se esperaba. Los interferones demostraron ser
ineficaces frente a muchos tipos de cánceres y enfermedades de naturaleza vírica; y, a pesar de
que son agentes de origen natural, se pudo demostrar que la terapia con interferón producía
muchos efectos tóxicos.
En la actualidad, los interferones se utilizan en el tratamiento de determinados tipos de leucemias y
en el de algunas infecciones víricas de tipo crónico, entre las que se incluyen la hepatitis crónica y
el herpes.
A nivel de laboratorio, varios grupos están trabajando en la obtención de interferones modificados
mediante la combinación de una porción de un gen del interferón alfa con una secuencia de DNA
de un gen diferente del interferón alfa para crear proteínas híbridas que exhiban nuevas
propiedades, como por ejemplo propiedades diferentes a las que exhiben cada uno de los genes
ensamblados. En uno de estos estudios, se construyeron genes híbridos del IFNa2 y IFNa3. Al
comparar las secuencias de estos dos genes se comprobó que compartían los mismos sitios de
restricción en las posiciones 60, 92 y 150 (RE1, RE2, RE3). La digestión de ambos DNA en los
sitios comunes de restricción y posterior unión de los fragmentos condujeron a la formación de un
número de híbridos derivados de los genes originales. Estos híbridos se expresaron en Escherichia
coli y las proteínas que se obtuvieron se purificaron y se ensayaron para varias actividades
biológicas. Algunos de estos híbridos poseían mayor actividad antivírica que las moléculas
originales y otros tenían una mayor actividad antiproliferativa frente a varios cánceres humanos.
La creación de estos interferones híbridos demuestran que se pueden construir nuevas moléculas
terapéuticas mediante la combinación de los dominios funcionales de genes relacionados.
Producción de hormona de crecimiento
La Hormona de Crecimiento (STH) es una hormona necesaria para el crecimiento normal de la
especie humana. Su falta determina la aparición de enanismos. En las personas en las que falta,
se puede llegar a tener una talla normal si el individuo es tratado con STH desde los primeros años
de su vida. La STH es una proteína.
Hasta hace pocos años, la STH se obtenía a partir de reses de matadero o bien, en algunos casos,
de cadáveres humanos (con grandes inconvenientes; por ejemplo, la transmisión inintencionada de
enfermedad de Kreutfeld-Jacob). La hormona se encuentra en una pequeña glándula situada en la
base del cerebro (la hipófisis) y se necesitan muchas hipófisis para obtener una cantidad apreciable
de STH.
La biotecnología nos ha permitido que en la actualidad, la STH se produzca por el siguiente
procedimiento:
1. Se aísla el gen de la STH humana a partir de cualquier célula, no necesariamente la hipófisis.
2. Este gen se amplifica (es decir, se producen millones y millones de copias del mismo por
diversos procedimientos)
3. Estas copias del gen se introducen en una bacteria de crecimiento muy rápido (la masa
bacteriana de un cultivo puede llegar a duplicarse cada 15-20 minutos)
4. Las bacterias así modificadas genéticamente producen STH en grandes cantidades y a muy
bajo costo (la producción de STH ni beneficia ni perjudica a la bacteria)
5. La STH se purifica a partir del cultivo bacteriano y está lista para su uso.
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Bibliografía
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

fai.unne.edu.ar/biología/index.html
www.um.es/molecula/indice.htm
www.elprisma.com/apuntes/apuntes.asp
www.arrakis.es/lluengo/pproteinas.htm
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