Estudio de las Proteínas: Aminoácidos, Estructura, Clasificación y Funciones

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Tema 4. Proteínas Las proteínas son biopolímeros, macromoléculas de elevado peso molecular formadas por el encadenamiento de 20 monómeros llamados aminoácidos proteicos. 1. Aminoácidos proteícos: Composición: todos los aminoácidos proteicos tienen en común un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH) unidos por enlaces covalentes a un átomo de carbono central al que se unen también un átomo de hidrógenoy una cadena lateral (R) diferente para cada aminoácido. Aminoácidos proteicos esenciales (debemos ingerirlos por la dieta): treonina, metionina, lisina, valina, triptófano, leucina, isoleucina, fenilalanina.

Características: Los aminoácidos presentan esteroisomería (Enantiómeros D y L) e isomería óptica. En las proteínas solo hay de configuración L, los D están en la pared bacteriana y antibióticos. Menos la glicina porque su carbono no es asimétrico. Suelen comportarse como sustancias anfóteras ya que presentan por igual carácter ácido (grupo carboxilo) y básico (grupo amino). En condiciones fisiológicas (pH: 7) , los grupos amino se encuentran normalmente protonados y los carboxilo desprotonados, por lo que están doblemente ionizados y forman iones híbridos. Clasificación: Apolares:la cadena R tiene grupos hidrófobos.

Alifáticos: glicina o glicocola (gly/ G) y alanina (ala/A) Aromáticos: cadena R contiene anillos aromáticos. Polares: la cadena R tiene grupos polares: Sin carga: los grupos polares forman puentes de hidrógeno. Con carga: grupos polares cargados que pueden ser: Ácidos: grupos carboxilo de carga negativa. Básicos: grupos amino de carga positiva. 2. Niveles de organización estructural de las proteínas 2.1 Estructura primaria: La estructura primaria es la disposición lineal de los aminoácidos que se unen mediante enlaces peptídicos (-CO-HN-) que se establecen entre el grupo carboxilo de un aa y el grupo amino del siguiente, desprendiendo una molécula de agua.

Péptidos, polipéptidos y proteínas: Péptido: menos de 10 aminoácidos. Polipéptido: más de 10. Proteína: polipéptido natural de más de 100 aminoácidos y con una estructura tridimensional definida. La estructura primaria de las proteínas se caracteriza por la composición de los aminoácidos que la constituyen y por la secuencia o el orden que guardan unos con respecto a los otros. El carácter parcial de doble enlace del enlace peptídico impone ciertas restricciones en el plegamiento de la proteína ( no pueden rotar alrededor de los enlaces peptídicos). Por ello los átomos de cada enlace peptídico se encuentran en un mismo plano.

2.2 Estructura secundaria: La estructura secundaria de las proteínas consiste en el plegamiento de la estructura primaria debido a los puentes de hidrógeno que se establecen entre los grupos -C=O de unos enlaces peptídicos y los grupos -NH de otros enlaces próximos. En el proceso de pelgamiento intervien otras proteínas llamadas chaperonas. Existen tres estructuras secundarias estables: α-hélice, β-laminar (o β-hoja plegada) y giros de tipo β. α-hélice: la sucesión de placas planas definidas or la estructura primaria se enrolla sobre sí misma dando lugar a una hélice dextrógira apretada que se estabiliza por los puentes de hidrógeno.

Es una estructura anfipática porque posee una parte hidrofílica y una parte hidrófoba,lo que produce el enrollamiento de esta estructura, de manera que la parte hidrófoba no interactúe con el agua (las cadenas laterales R polares quedan hacia fuera) La presencia de cadenas laterales R muy voluminosas próximas entre sí, o la existencia de cargas eléctricas del mismo signo en dos cadenas próximas desestabilizan esta estructura por lo que no todas las secuencias pueden tener esta conformación. Aminoácidos como la prolina rompen esta estructura.

Hélice de colágeno: cada una de las tres cadenas que forman la triple hélice de colágeno (tropocolágeno) presenta un plegamiento secundario en forma de hélice enroscada hacia la izquierda (más extendida que α-hélice) debido las elevadas cantidades de prolina e hidroxiprolina presentes en la cadena. Conformación β-laminar: la cadena polipetídica queda extendida y se pliega hacia delante y hacia atrás (zig-zag). Las diferentes cadenas de aminoácidos dentro de la cadena polipeptídica quedan enfrentadas unas con otras y se unen mediante puentes de hidrógeno intracatenarios entre grupos -NH- y -CO-.

Estas cadenas se pueden posicionar de forma paralela ( en el mismo sentido, extremo N-terminal en el mismo lado) o antiparelela (diferente sentido). Foto También puede ocurrir que los puentes de hidrógeno se den entre diferentes cadenas peptídicas adyacentes. Observado por primera vez en la fibroína. Giros de tipo B: ocurren cuando las regiones de la cadena peptídica deben cambiar bruscamente de dirección. Formado por cuatro aminoácidos estabilizados por puentes de hidrógeno.

2.3 Estructura terciaria: La estructura terciaria es la conformación espacial definitiva que adoptan las diferentes regiones de la cadena polipeptídica como consecuencia de las interacciones establecidas entre las cadenas laterales situadas a lo largo de la cadena. fibrosas (como el colágeno, la queratina y la fibroína): estructuras terciaria simple, cadenas laterales r con poco grupos polares. Proteínas alargadas, resistente e insolubles en agua. globulares (como la mioglobina): la estructura terciaria resulta del plegameinto de la secundaria. Forma esférica, compacta y soluble en agua. Suelen contener hélices alga y láminas beta en proporciones distintas.

Estructura suprasecundarias: en las proteínas globulares se encuentran con frecuencia determinadas asociaciones secundarias de hélices α, láminas β y giros β que constituyen motivos estructurales y se repiten en diferentes regiones de la cadena peptídica, dando lugar a la estructura suprasecundaria. Dominios estructurales formados por combinaciones de hélices α y láminas β plegadas de manera estable e independiente para formar estructuras compactas que desarrollan funciones concretas. Existen proteínas con un único dominio estructural y otras con varios, que corresponden a diferentes funciones dentro de la misma proteína.

Un ejemplo son las enzimas que usan como coenzimas determinados nucleótidos como el FAD, NAD + o AMP. Todas presentan en su superficie el plegamiento de mononucleótido (área de unión de los nucleótidos) Enlaces que estabilizan la estructura terciaria: se estabiliza mediante enlaces que se establecen entre determinados grupos de las cadenas laterales.

Pueden ser pdH (cadenas de aa polares sin carga), fuerzas de Van der Waals (radicales alifáticos y aromáticos correspondientes a aa apolares), enlace covalente disulfuro (entre dos grupos triol -SH correspondientes a dos aa de cisteína) enlaces electrostáticos (entre grupos -COO(-) y grupos -NH3+) 2.4 Estructura cuaternaria: Sólo se presenta en las proteínas formadas por cadenas peptídicas mediante interacciones débiles como pdH, electrostáticas, hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals (en algunos casos enlace disulfuro). No está presente en todas las proteínas. Es la responsable de la actividad biológica de la proteína.

La estructura cuaternaria de las proteínas fibrosas se basa en la asociación de péptidos dando lugar a complejos supramoleculares. Tienen forma alargada y desempeñan funciones estructurales como el colágeno (formado por una triple hélice). La estructura cuaternaria de las proteínas globulares (hemoglobina, actina y miosina) está compuesta por la asociación de dos o más cadenas peptídicas con estructura terciaria, por lo tanto las proteínas globulares formadas por un único polipéptido no pueden tener estructura cuaternaria.

Las subunidades proteícas de la escruta cuaternaria se pueden autoensamblar mediante interacciones débiles y formar Dímeros( citocromos), tetrámeros (hemoglobina) y oligomeros o polímeros que formar complejos supra moleculares (actina y miosina, micrtotúbulos, complejos multienzimáticos) Estructura cuaternaria y funcionalidad biológica: La estructura cuaternaria es la responsable de la actividad biológica. Cuando varia la secundaria de aminoaácidos puede cambiar la funcionalidad de la proteína ya que afecta la estructura secundaria que afecta a su vez a la terciaria de la que dependen la cuaternaria.

En el plegamiento cuaternario, la célula recibe ayuda de unas proteínas llamadas chaperonas que aseguran el plegamiento correcto de las proteínas. Proteínas alostéricas: Las proteínas pueden cambiar su conformación entre dos estados por cambios ambientales o modificaciones covalentes. Pero en las proteínas alostéricas los cambios conformacionales son inducidos por la unión de determinadas moléculas llamadas ligandos. El alosterismo es un mecanismo fundamental para regular la actividad de una proteína y su función biológica, al unirse un ligando (activador o inhibidor) cambia la conformación de la proteína activando o inhibiendo su función.

Ejemplos de proteínas alostéricas son histonas, enzimas o proteínas de membrana. 3. Propiedades de las proteínas Las propiedades fisicoquímicas de una molécula de proteína dependen casi por completo de los grupos funcionales contenidos en las cadenas laterales R de los aminoácidos que quedan expuestos en su superficie, es decir, del plegamiento de la cadena o cadenas peptídicas y de la conformación geométrica que adopten. Especificidad: La actividad biológica de una proteína proviene de su unión selectiva con otra molécula con una geometría capaz de adaptarse a su superficie activa (que viene definida por los grupos funcionales de las cédanse laterales R)y unirse.

La unión es altamente específica y puede establecerse entre moléculas idénticas (para formar estructuras fibrosas, laminares, tubulares...) o entre moléculas diferentes, como la unión de la hemoglobina con el oxígeno, los anticuerpos con los antígenos, enzimas con sustratos, receptores de membrana con mensajeros, etc… La especificidad de la unión de la superficie activa de las proteínas con otras moléculas se basa en el plegamiento particular de cada proteína, que depende de la secuencia de aa.

Solubilidad: Las proteínas son macromoléculas solubles en medios acuosos cuando adoptan conformación globular, basada en la interacción de cargas positivas y negativas de la superficie de la proteína con las moléculas de agua de su entorno, lo cual da lugar a la capa de solvatación. Al añadir sales a una disolución de proteínas y agua, las proteínas pierden sus capas de solvatación lo que reduce su solubilidad y precipitan.

Desnaturalización: La desnaturalización de una proteína es la pérdida de su conformación espacial debido a condiciones desfavorables (variaciones de pH, cambios de temperatura, agentes químicos o físicos, presencia de determinados iones...) que llevan a la ruptura de los puentes de hidrógeno o de otras interacciones débiles, haciendo que la proteína pierda su función biológica. La desnaturalización puede ser reversible (si las variaciones duran poco o son poco intensas) o irreversible (permanecen en estado fibroso e insoluble). 4. Clasificación de las proteínas Holoproteínas constituidas únicamente por aminoácidos. Proteínas globulares: solubles en disoluciones acuosas.

Albúminas (ovoalbúminas lactoalbúmcas y seroalbúminas): función de reserva ( ovoalbúminas) y transporte (lactoalbúminas) Globulinas: α y B globulinas (hemoglobina) y Y-globulinas o inmunoglobulinas (anticuerpos). Histonas y protaminas: interaccionan con el ADN eucariota. Proteínas fibrosas o escleroproteínas: insolubles en agua, función estructural (colágeno, queratina, elastina, fibroína) Heteroproteínas cadenas peptídicas (grupo proteico) y sustancias no proteicas (grupo prostético). Glucoproteínas: glucoconjugados como proteoglucanos o proteínas de membrana.

Lipoproteínas: transporte de triacilglicéridos, colesterol y otros lípidos a través del torrente sanguíneo (VLDL) Cromoproteínas: su grupo prostético es una sustancia coloreada que puede ser de naturaleza porfirínica (hemoglobina, mioglobina (Fe) ) o no porfirínica (hemocianina con Cu, hemeritrina ) Otras heteroproteínas: fosfoproteínas, nucleoproteínas (cromatina formada por la interacción entre histonas y protaminascon ADN) 5. Funciones biológicas proteínas: Reserva: Aminoácidos dispuestos para ser utilizados como elementos nutritivos.

Ovoalbúmina (huevo), caseína (leche), gliadina Estructural: Elementos plásticos que sirven para construir estructuras celulares Glucoproteínas (membranas celulares), proteínas que forma citoesqueleto, microtúbulos, cilios, flagelos…, histonas (cromosomas eucariotas, regulan actividad genética), colágeno (tejido conjuntivo fibroso, une tejidos animales, forma tendones, huesos y cartílagos) Homestática: Proteínas intracelulares y del medio interno (mantienen equilibrio osmótico), sistemas amortiguadores o tampones (pH constante). Transportadora de mensajes: Hormonas de naturaleza proteica: insulina y glucagón (metabolismo glúcidos).

Hormonas segregadas por la hipófisis: hormona del crecimiento, oxitocina, vasopresina. Algunos neurotransmisores: endorfina y encefalinas. Recepción y transmisión de señales (receptores de membrana) : se encuentran en la superficie externa de la bicapa lipídica de las células y se unen de manera específica con una molécula portadora de un mensaje (neurotransmisores, hormonas..) que provoca un cambio conformacional que sirve de señal para provocar una respuesta. La transmisión desde la membrana al interior de la célula se lleva acabo por un sistema de trasducción de señales (proteínas alostéricas con activación en cascada).

Transporte: Proteínas canal: transporte a través de membranas celulares. Proteínas extracelular es: Hemoglobina: óxido en sangre vertebrados. Mioglobina: músculo estriado. Citocromos: transportan electrones en la cadena respiratoria de mitocondrias y en la fase luminosa fotosíntesis en cloroplastos. Seroalbúmina: acumula y transporta ácidos grasos, faramacos, tóxicos… Lipoproteínas: sustancias lipidicas en sangre. Quilomicrones: triacilgliceroles y colesterol exógeno (por la dieta) del intestino al hígado. VLDL Y LDL: triacilgliceroles y colesterol endógeno desde el hígado a tejidos. HDL: colesterol de tejidos al hígado.

Función defensiva: Trombina y fibrinógeno: formación coágulo durante hemorrágias. Porteo glucagón: protegen de gérmenes y son segregados en los tractos digestivo, respiratorio y urogenital. Inmunoglobulinas: se comportan como anticuerpos. Función contráctil: motores moleculares. Se mueven a lo largo de microtúbulos y microfilamentos del citoesqueleto gracias al ATP: Transporte de orgánulos y vesículas en la célula Movimiento y locomoción en unicelulares y pluricelulares Dineína: movimiento cilios y flagelos. Actina y miosina (filamentos formadas por subunidades globulares): forman miofibrillas responsables de la contracción muscular.

Función enzimática: biocatalizadores de reacciones químicas del metabolismo. 6. Enzimas: biocatalizadores. Las enzimas son biocatalizadores (aceleran las reacciones) de las reacciones químicas que constituyen el metabolismo. La actividad de las enzimas permite que los seres vivos lleven a cabo transformaciones metabólicas en el interior de las células. Su actividad se puede ver modulada por variaciones en la temperatura o el pH, modificaciones covalentes o alosterismo. Todas las enzimas son proteínas (excepto los ribozimas, ARNr), tienen estructura terciaria o cuaternaria y ejercen su acción al unirse de manera selectiva a moléculas llamadas sustratos a los que modifican.

Está modificación puede ser: Ruptura, formación o distribución de sus enlaces covalentes. Introducción o perdida de grupos funcionales. Los sustratos se transforman en producto mediante vías o rutas metabólicas que constan de reacciones enzimáticas en las que se generan metabolitos (intermediarios metabólicos). Unas rutasdegrada los sustratos (catabolismo) y otras los sintetizan (metabolismo). 6.1 Catálisis enzimática Para pasar de sustratos a productos en una reacción , primero es necesario que los sustratos adquieran una determinada energía (Ea) para llegar al estado de activación (estado inestable) ; después deben ceder esa energía para alcanzar el estado estable del producto.

Las enzimas disminuyen la energía de activación. En una reacción catalizada hay dos reacciones elementales: Unión del sutrato a la enzima para formar el complejo enzima-sustrato[ES]. Descomposición del complejo que da lugar al producto y la enzima. 6.2 Cofactores: coenzimas y vitaminas: Las holoenzimas carecen de componentes químicos apropiados para la catálisis, por lo que se ayudan de sustancias no proteicas conocidas como cofactores, a los que se unen mediante enlaces débiles. Los cofactores aportan los grupos y funciones de los que carece la enzima. La fracción proteica se denomina apoenzima y la no proteica, cofactor.

El cofactor puede ser: De naturaleza orgánica o metaloorgánica, se encuentran unidas a la apoenzima mediante enlaces débiles (NAD+,NADH; NADP; NADPH2, FAD, vitaminas C y B): coenzimas. covalentes (se denominan grupos prostéticos), grupos hemo (hemoglobina, mioglobina, citocromos) De naturaleza iónica como cofactores de catálisis (iones minerales como el Mn2+, Zn2+,Cu+ etc.) Pueden modificar la forma de la apoencima al establecer enlaces, permitiendo la adaptación perfecta del sustrato. Las vitaminas son sustancias de naturaleza y composición variable indispensables para el metabolismo pero que deben ser ingeridas por la dieta.

La hipovitaminosis puede llevar a enfermedades carenciales y se debe a la malnutrición. La hipervitaminosis puede llevar a efectos secundarios más graves en las liposolubles (se acumulan) que en las hidrosolubles que se excretan. Liposolubles: A,D,E,K 6.3 Especifidad de las enzimas: Las enzimas son altamente específicas para las reacciones que catalizan. Cada una posee en su superficie una zona activa llamada centro catalítico al que se adapta la molécula de sustrato con geometría complementaria a la conformación del centro activo.

Modelo de acoplamiento inducido: las enzimas no son rígidas, cuando el sustrato se une a la enzima, le provoca un acochino en su confromación espacial , de manera que la enzima cambia su geometría y se acopla a la superficie del sustrato. 6.4 Cinética enzimática: Es el estudio de la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Actividad enzimática: cantidad de moléculas de sutrato que cada enzima puede transformar por unidad de tiempo. Ecuación Michaelis- Mentin representa la variación de velocidad de un reacción conforme aumenta la conformación de sustrato.

Constante de Michaelis-Mentin: mide la afinidad de la enzima por el sutrato, más Km , mayor eficacia aun con baja concentración de sustrato. 6.5 Inhibición de la actividad enzimática Los inhibidores enzimáticos disminuyen o anulan la velocidad de la reacción catalizada Inhibidores reversibles: unión temporal con la enzima, la actividad se recupera. Competitiva: el inhibidor tiene conformación espacial similar al sutrato y compite por alojarse en el centro activo impidiendo la unión del sustrato. No competitiva: el inhibidor se une a un sitio alostérico y cambia la conformación de la enzima lo que disminuye su actividad.

Acompetitiva: el inhibidor se negó al complejo enzima-sustrato e impide que se forme el producto. Inhibidores irreversibles o venenos: se unen a grupos del centro activo y anuncian la capacidad catalítica de la enzima. 6.6 Factores que modulan la actividad enzimática: Variaciones de temperatura: las variaciones de temperatura pueden desnaturalizar las enzimas al perder su estructura terciaria o cuaternaria. Temperaturas donde las enzimas pierden sus actividad : 50 y 60 grados. (- bacterias termófilas que resisten hasta 100). Temperatura óptima: temperatura en la que la actividad enzimática es máxima. El descenso de temperatura pude disminuir la actividad enzimática.

Cambios de pH: modifican las cargas superficiales y alteran a conformación espacial de la estructura terciaria o cuaternaria. Existe un pH óptimo y al alejarse de él disminuye la actividad enzimática. Es distinto para cada enzima. Modificaciones covalentes y alosterismo: La actividad enzimática es un parámetro característico de cada enzima y solo se puede modificar en ciertas enzimas capaces de adoptar dos conformaciones diferentes y estables, una activa y otra inactiva, mediante modificaciones covalentes (fosforilación, etc.) y en las enzimas alostéricas.

En estas, el paso de una a otra suele estar inducido por la unión de ciertas moléculas, llamadas ligandos o efectores, a determinados lugares de la superficie enzimática (distintos del centro catalítico) que son conocidos como centros reguladores. 6.7 Estrategias para aumentar la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas: Aumento de la concentración de moléculas del sustrato. La velocidad de la reacción aumenta linealmente conforme se incrementa la concentración de sustrato, pero solo hasta que se alcanza la velocidad máxima (Vmáx.). Aumento de la concentración de moléculas de enzima.

La velocidad de un proceso metabólico se puede regular estimulando o reprimiendo la síntesis de las enzimas responsables de dicho proceso metabólico. Compartimentación celular. La mayoría de los sustratos y de las enzimas se encuentran en la célula eucariota en concentraciones muy bajas, lo que supone un grave inconveniente para la velocidad de las reacciones metabólicas. Para contrarrestar esta dificultad, numerosas reacciones transcurren en el interior de orgánulos celulares, donde se produce una mayor concentración de moléculas de sustratos y enzimas. «Efecto cascada».

Consiste en una secuencia de reacciones en la que una proenzima inactiva se transforma en su correspondiente forma activada que, a su vez, cataliza la transformación de otra proenzima inactiva en su enzima activa, y así sucesivamente hasta que la última enzima da lugar a un producto final. Esto aumenta la velocidad de un proceso, como la coagulación de la sangre, y permite amplificar la respuesta final. Complejos multienzimáticos o metabolones: son enzimas responsables de una secuencia de reacciones de un proceso metabólico se agrupan sobre un soporte biológico (proteínas integrales de las membranas celulares, citoesqueleto…).

Estas evitan la pérdida de velocidad por dilución, ya que se induce la canalización del sustrato: los productos obtenidos por la acción de una enzima son el sutrato de otra enzima próxima. Ejemplos: ATP-sintasa, el ciclo de Krebs, la oxidación de los ácidos grasos. 6.8 Nomenclatura y clasificación de las enzimas Las enzimas se nombran con el nombre del sustrato (y a veces la función) seguido del sufijo -asa. Oxidorreductasas: catalizan oxidorreducciones (perdida o ganancia de electrones) para obtener energía. Ej: deshidrogenasas. Transferasas: catalizan las transferencias de los grupos funcionales. Ej: transaminasas, transmetilasas, transglucosidasas.

Hidrolasas: catalizan reacciones de hidróslis. Ej: lipasas, fosfatasa (e.éster), sacarasa (e. O- glucosídico) tripsina (e.peptídico). Liasas: catalizan la ruptura de enlaces C-C, C-S,C-N y la adición de grupos funcionales a moléculas con doble enlace. Ej: sintasas Isomerasas: catalizan las reacciones de isomerización que reordenan o transfieren radicales de una parte a otra de la molécula. Ligasas: catalizan la síntesis de nuevas moléculas formando enlaces entre moléculas o grupos funcionales. Ej: sintetasa