jueves, 5 de noviembre de 2015

Apuntes sobre proteínas

Proteínas



Definición de proteína



Las proteínas son macromoléculas de elevado peso molecular formadas por el encadenamiento de aminoácidos mediante enlaces peptídicos.

Existen 20 aminoácidos diferentes, por tanto, las combinaciones de los mismos permiten una enorme variabilidad estructural tridimensional, que va a brindar un gran abanico de funciones distintas.
Recordemos que la estructura define la función.

1.Aminoácidos proteicos



—Se denomina aminoácidos proteicos a los 20 aminóacidos distintos que componen todas las proteínas de los seres vivos (en algunos seres vivos existen algunos otros, pero suelen ser modificaciones de estos 20). Tienen todos nombre, aunque se les suele resumir con tres letras (ej: Valina es Val)
—Todos los aminoácidos proteicos tienen un grupo amino (-NH2) y un grupo ácido carboxílico (-COOH), unidos covalentemente a un C centra, al cual también se unen un H y una cadena lateral (R) distinta para cada uno de los aminoácidos.

1.1.Clasificación de los aminoácidos proteicos



I) En base a su necesidad de inclusión en una dieta:

  • — Esenciales: aquellos que los humanos no podemos sintetizar, y que por tanto debemos incluir en la dieta. Son 9: treonina, metionina, histidina, lisina, valina, triptófano, leucina, isoleucina y fenialanina.

  • —No esenciales: el resto, que sí los podemos crear.


II) En función de su polaridad (ver tabla):

  • —Apolares: donde R es una cadena lineal (alifático) o posee anillos aromáticos.

  • Polares sin carga: R contiene grupos polares que puede formar puentes de hidrógeno con otros grupos polares.

  • —Polares con carga: con carga positiva o negativa:
  • —Ácidos: R tiene grupos ácido carboxílico (aniónicos o con carga negativa) (COO-)
  • —Bases: R aporta grupos amino (catiónicos o con carga positiva) (NH3+)


1.2.Propiedades de los aminoácidos



  • —El C central es un carbono asimétrico, con cuatro sustituyentes distintos en sus cuatro enlaces. Por lo tanto presentarán estereoisomería (enantiómeros D y L) y son ópticamente activos (dextrógiros o levógiros). En las proteínas solo hay aminoácidos L.

  • —Los aminoácidos se comportan en los líquidos biológicos como sustancias anfóteras, ya que presentan por igual carácter ácido (grupo carboxilo) y básico (grupo amino). En condiciones fisiológicas (pH 7), el amino está protonado (NH3+) y el carboxilo desprotonado (COO-), estando doblemente protonados, lo que se conoce como forma zwitteriónica.  Esto hará que a pH más ácidos (con mayor abundancia de H+) se protone y forme un catión, y a pH básico (por la abundancia de OH- que desprende protones) se desprotona y forma un anión.

  • Algunos aminoácidos tienen más funciones que crear proteínas: algunos derivados de ellas pueden participar como neurotransmisores y mediadores locales.


1.3.Enlace peptídico



Se establece entre el grupo amino (NH2) de un aminoácido y el grupo carboxílico (COOH) de otro. Esta unión conlleva la pérdida de una molécula de agua, y se forma un enlace de tipo amida (-CO-NH-). Los átomos que participan en un enlace peptídico forman un plano, que aporta rigidez a la estructura.
—Esta es la forma mediante la cual los aminoácidos se unen para formar cadenas lineales, llamadas péptidos. Se llamarán dipéptidos, tripéptidos… polipéptidos (proteína), en función del número de aminoácidos que las formen.
—Un péptido siempre se empieza a numerar por el extremo amino que queda libre. De esta forma, el péptido Gly-Val no es el mismo que Val-Gly.



2.Niveles de organización de proteínas



2.1.Estructura primaria



Se trata de una secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Se caracteriza por la composición de los aminoácidos que la componen y por la secuencia de los mismos.

Tridimensionalmente, cada enlace peptídico forma un plano, por lo que se asemeja a una serie de planos entrelazados en secuencia. Los R de cada aminoácido miran hacia el exterior de esta cadena.

2.2.Estructura secundaria



Consiste en el plegamiento de la estructura 1ª debido a la infinidad de puentes de hidrógeno que se establecen entre los aminoácidos (entre los grupos C=O y NH de aminóacidos próximos), de manera que la estructura global adopta determinadas posiciones en el espacio.
  
Este tipo de posiciones suele coincidir en unas pocas estructuras:
  • —Alfa-hélice
  • —Lámina-Beta
  • —Triple hélice del colágeno
  • —Giros tipo b

2.2.1.Alfa-hélice



La sucesión de placas planas se enrolla sobre sí misma y origina una hélice apretada, soportada por puentes de hidrógeno entre los grupos C=O y NH de los enlaces peptídicos. No participan los grupos R.

Hay unos 3,6 aminoácidos por vuelta y el sentido de giro es dextrógiro.

Puede haber interrupciones en la hélice, porque algunos aminoácidos, por el volumen y la carga de su R desestabilizan la estructura.

2.2.2.Lámina-Beta



La cadena queda extendida y se va doblando (cada 3-10 aminoácidos) y se va replegando sobre sí misma en sentido antiparalelo. Se establecen puentes de hidrógeno (entre los grupos C=O y NH de aminoácidos distintos) entre una lámina plegada y las adyacentes.


2.2.3.Otras estructuras secundarias menos frecuentes



  • La triple hélice del colágeno
Cada una de las tres cadenas que constituyen el colágeno presenta un plegamiento de hélice enroscada hacia la izquierda, algo más extendida que la a-hélice, porque tiene más cantidad de aminoácidos rígidos. Se asemeja a una trenza.

  • Giros o codos tipo b
 Son modificaciones de láminas beta donde las cadenas pueden unirse en sentido paralelas.


2.3.Estructura terciaria



Conformación espacial definitiva que adoptan las distintas regiones con estructura secundaria de la cadena polipeptídica  como consecuencia de las interacciones entre las cadenas laterales R.

Las interacciones entre cadenas R que estabilizan la estructura 3ª  son de 4 tipos:

  • Puentes de hidrógeno entre grupos R.

  • —Interacciones electrostáticas entre grupos -COO- de aminoácidos ácidos y grupos -NH3+ de aminoácidos básicos.

  • —Interacciones de Van der Waals entre las cadenas carbonadas y aromáticas de aminoácidos apolares.

  • —Puentes disulfuro (-S-S-), un enlace mucho más fuerte que los anteriores, que se establece entre los grupos SH de dos aminoácidos cisteína.


El resultado final de la estructura 3ª de la proteína puede ser, según el tipo de proteína:

  • —Proteína fibrosa: las cadenas laterales R apenas influyen y suelen ser proteínas alargadas, resistentes y poco solubles (ej: queratina del pelo, fibroína de la seda).

  • —Proteína  globular: resulta del plegamiento sucesivo de la estructura 2ª, hasta formar una proteína esferoidal, compacta y  por lo general soluble (ej: mioglobina). Pueden tener motivos estructurales, que son patrones cortos comunes. Normalmente los grupos R lipófilos se concentrarán en el centro del ovillo mientras que los hidrófilos miran hacia el exterior.


Dentro de la estructura 3ª se forman dominios estructurales:  combinaciones de a-hélices y láminas b, plegadas estable e independientemente, que forman estructuras que desempeñan funciones concretas.

  • —Cada proteína puede tener 1 o más dominios.

  • —Los mismos dominios pueden aparecer en distintas proteínas. Indica que esas proteínas hacen funciones similares. (Por ejemplo, enzimas que usen coenzimas similares tendrá dominios de unión parecidos).


2.4.Estructura cuaternaria



Sólo existe en aquellas proteínas formadas por la unión de varias cadenas peptídicas iguales o diferentes. Esta unión entre las estructuras 3ªs de las distintas proteínas se establece por puentes de hidrógeno, interacciones electrostáticas, fuerzas de Van der Waals o puentes disulfuro.


  • La estructura 4ª de las proteínas fibrosas, como la del queratina del pelo, da lugar a complejos supramoleculares de forma alargada que suelen desempeñar una función estructural.  


  • La estructura 4ª de las proteínas globulares, como la hemoglobina, se compone de la asociación de 2 o más protómeros (cadenas peptídicas de estructura) que pueden ser iguales o distintas y se suelen representar con letras griegas (a, b, g…).


Por ejemplo, la hemoglobina posee una estructura 4ª porque está compuesta de varios protómeros. En concreto forma un tetrámero son 4: dos cadenas a y dos cadenas b, iguales dos a dos.


  • —La verdadera importancia de la estructura 4º (o de la 3ª en aquellas que solo presentan esa estructura) es que determina la función o actividad biológica de la proteína.
  • —La estructura 4ª depende de la 3ª, esta a su vez de la 2ª y esta de la 1ª, es decir, de la secuencia de aminoácidos. Por ello, cualquier cambio en la secuencia de aminoácidos puede alterar el plegamiento final de la proteína y, por tanto, su función.


La estructura final de una proteína es algo maleable. Eso hace que su conformación pueda variar y que por ejemplo, puedan tener un estado activo y otro inactivo que dependa del pH o de la T, como les pasa a las enzimas.

  Algunas de ellas presentan alosterismo: un mecanismo que les permite presentar dos conformaciones distintas en función de la unión o no de un ligando a ellas. Muchas proteínas como las del sistema del complemento, las histonas, muchas enzimas… funcionan de este modo y así el organismo puede regular su actividad.



  • —La secuencia de aminoácidos marca una conformación de plegamiento, conformando una estructura final. La estructura de una proteína define su función.


3.Propiedades de las proteínas



Dependen casi por completo de los grupos R que quedan expuestos y del plegamiento que adopten.


I) Especificidad


Los grupos R definen una superficie activa que puede interaccionar con otras moléculas mediante interacciones no covalentes, el resto del esqueleto actúa como simple estructura de soporte de esta parte activa. La función de una proteína se basa en su unión selectiva , bien a moléculas idénticas (como ocurre con la asociación de proteínas laminares para formar estructuras mayores) o bien a moléculas distintas (como la unión Anticuerpo-Antígeno, los receptores de membrana a su correspondiente mensajero…).

Como depende de su estructura final (y esta siempre depende de la 1ª), cualquier cambio en la secuencia (una mutación) puede alterar la estructura tridimensional final y por tanto, la pérdida de especificidad y de su función biológica.


II) Solubilidad


Las proteínas que adoptan la conformación globular son solubles en medios acuosos. Esto ocurre por la interacción de las cargas positivas y negativas de la superficie de la proteína con los dipolos de las moléculas de H2O.


III) Desnaturalización


Pérdida de la conformación espacial característica, cuando se somete a la proteína a condiciones ambientales desfavorables, lo cual lleva a la pérdida de su actividad biológica.
Esas condiciones son: T excesiva, cambio del pH o intervención de agentes físicos y químicos.  Pueden provocar la rotura de puentes de hidrógeno y el resto del interacciones débiles que mantienen las estructuras 2ª, 3ª y 4ª, y la proteína se desharía en filamentos delgados perdiendo su forma única y característica.


La desnaturalización puede ser:


  • —Reversible: si las condiciones ambientales que la provocan son poco intensas y duran poco tiempo. La proteína volvería a plegarse adoptando su conformación original: se renaturaliza y vuelve a ser funcional.

  • —Irreversible: cambios intensos y persistentes en el medio provocan que los filamentos proteicos no puedan volver a su forma original, permaneciendo insolubles y la función biológica se ha perdido de forma irrecuperable. (Un ejemplo es el cambio de la albúmina cuando se fríe un huevo)


4.Clasificación de proteínas



Holoproteínas: sólo compuestas por aminoácidos:

  • —Proteínas globulares: solubles, de forma esférica. Son las albúminas y globulinas.

  • —Proteínas fibrosas: insolubles y estructurales, como la queratina y el colágeno.

  • Histonas y protaminas: interaccionan con el ADN eucariota.

Heteroproteínas: además del grupo proteico, poseen partes no proteicas (grupo prostético). Se clasifican en función de ese grupo:

  • —Glucoproteínas: como las proteínas de membrana o los anticuerpos.

  • —Lipoproteínas: asociadas al transporte de lípidos en sangre.

  • —Cromoproteínas: su grupo prostético es una sustancia con color. Puede ser de naturaleza porfirínica (como el grupo hemo de la hemoglobina y el de la mioglobina, que contiene un catión de Hierro que les da su color rojo).

  • —Otras: fosfoproteínas, nucleoproteínas…

5.Funciones biológicas de las proteínas



  • —Estructural: forman grandes estructuras, como el colágeno o la queratina. También a nivel celular, como los microtúbulos o las histonas.

  • —Transporte: hay proteínas que intervienen en el transporte de sustancias a través de la membrana, otras transportan sustancias en la sangre (como la albúmina, la hemoglobina y las lipoproteínas).

  • —Portadoras de mensajes: Hormonas (como la insulina, oxitocina) y algunos neurotransmisores.

  • —Recepción y transmisión de señales: receptores de membranas, capaces de reconocer a un ligando y producir una respuesta intracelular o transmitir el mensaje.

  • —Homeostática: mantienen el equilibrio osmótico y el pH.

  • —De reserva: aunque las proteínas no se suelen usar para producir energía, hay algunas proteínas de reserva de aminoácidos para alimentación (ovoalbúmina del huevo o gliadina del gluten).

  • —Defensiva: anticuerpos.

  • —Contráctil: actina y miosina son las proteínas responsables del movimiento muscular.

  • —Enzimática: probablemente sea la función más importante de todas. Actúan como biocatalizadores específicos de las reacciones del organismo.


6.Enzimas



—Son biocatalizadores de las reacciones del metabolismo. Intervienen a bajas concentraciones acelerando las reacciones en las que participan, sin sufrir modificación alguna. Funcionan en condiciones suaves de T, pH…
—Las enzimas suelen ser proteínas, aunque hay algunas enzimas de ARN llamadas ribozimas.
—La enzima (E) se une a un sustrato (S), y se forma un complejo enzima-sustrato (ES). La enzima actúa como catalizador de la transformación (acelerando varias veces la velocidad de la reacción) y el sustrato se transforma en un producto (P).


—Las enzimas son por tanto una pieza clave de las rutas metabólicas. En el organismo ocurren millares de reacciones (tanto de anabolismo - formación como de catabolismo - degradación) que necesitan producirse de forma casi instantánea. Gracias a las enzimas esto es posible, porque de otra forma esas mismas reacciones tardarían días o meses en producirse.


—Cada enzima cataliza una reacción, pero sus sustratos y productos pueden pasar por otras enzimas. De esa forma se crean las rutas metabólicas, donde una serie de enzimas se disponen secuencialmente sobre flechas, y donde se parte de un sustrato que por medio de diversos intermediarios produce un producto final. Estas rutas pueden divergir, converger…

—El nivel energético de los productos es inferior al de los sustratos. Sin embargo, los sustratos necesitan superar un pico energético muy alto para convertirse en productos, es decir, requieren un alto aporte energético para cursar la reacción y por eso la tendencia es a que no se produzca. Las enzimas aceleran las reacciones químicas porque disminuyen la energía necesaria para alcanzar y superar el estado de transición, de forma que facilita la producción de los sustratos.
—Este estado de transición, una vez superado es irreversible, por  lo que la reacción se representa:


6.1.Cofactores:coenzimas y vitaminas



—Muchas enzimas, llamadas holoenzimas, carecen por sí mismas de los componentes químicos necesarios para llevar a cabo la acción catalítica. La apoenzima (parte proteica) precisa de un cofactor: sustancias no proteicas que se fijan a su superficie por enlaces covalentes o débiles y complementan la función catalítica.


Holoenzima = apoenzima + cofactor


—Los cofactores pueden ser de 2 tipos:


  • —De naturaleza orgánica:

  • —Si se une mediante enlaces débiles a la apoenzima, se llama coenzima. Como el NAD+, FAD y muchas vitaminas.

  • —Si el cofactor está unido de forma covalente a la apoenzima, se llama grupo prostético, como ocurre con el grupo hemo de la hemoglobina.


  • —De naturaleza iónica: iones de Mg, Zn, Cu… Moldean las regiones polipeptídicas hasta permitir la perfecta adaptación al sustrato.


6.1.1.Vitaminas



—Son sustancias orgánicas indispensables para el normal funcionamiento del metabolismo, pero que resultan imposibles de sintetizar por determinados organismos y por tanto, deben ingerirlas en la dieta.
—Las carencias vitamínicas (hipovitaminosis) suelen deberse a la malnutrición y dan lugar a determinadas enfermedades carenciales. Su exceso (hipervitaminosis) puede acarrear efectos secundarios.


Se dividen en:

  • —Vitaminas liposolubles (A, D, E y K). Tienen estructura lipídica. Salvo la K, no se comportan como coenzimas.

  • —Vitaminas hidrosolubles: (todas las B y la C). Son coenzimas.

6.1.2.Vitaminas hidrosolubles




6.2.Especificidad



Cada enzima posee un centro catalítico que se adapta de forma específica a un sustrato. En ese centro activo de la enzima se crean las condiciones físico-químicas óptimas para que se produzca la unión ES.

Se habla del modelo llave-cerradura, con lo que cada enzima solo podría funcionar con su correspondiente sustrato. Aunque en realidad, este modelo no es tan rígido, sigue el modelo del acoplamiento inducido, que se asemeja a un guante que se acopla a la forma de la mano, y donde es el sustrato el que induce un cambio de conformación en la enzima para que ambos se adapten mejor.




—Cinética enzimática

La relación entre la concentración de sustrato y velocidad de la reacción no es lineal, y sigue una curva llamada de tipo Michaelis-Menten.

Existe una velocidad máxima (Vmax) a la que puede trabajar una enzima cuando se satura con una concentración máxima de S.

Existe un valor llamado Km, que expresa la afinidad de cada enzima (si Km es bajo, la afinidad es alta).


6.3.Actividad enzimática



Factores que inciden en la actividad enzimática


  • Temperatura: Existe una T óptima a la que la actividad de una enzima es máxima. Temperaturas altas disminuyen la actividad y pueden llegar a desnaturalizar la enzima. Las T bajas reducen también la actividad pero no la destruyen.


  • pH: Existe un pH óptimo tal que, al alejarse de él, la actividad disminuye porque se alteran la s cargas que definen la estructura. Ese pH óptimo es distinto por ejemplo para la pepsina, que trabaja a pH ácido, que para la ptialina salivar que funciona a pH neutro.


  • Inhibidores: sustancias que disminuyen o anulan la actividad enzimática. Pueden ser:

  • Irreversibles:  se unen para siempre a la enzima y la anulan por completo. Son venenos como  algunos compuestos de la seta venenosa Amanita phalloides.

  • Reversibles: su unión es temporal y la actividad se puede recuperar. La unión puede ser:

  • Competitiva: este inhibidor compite con el sustrato por unirse al centro activo.
  • No competitiva:  no se une al centro activo de la enzima,  sino a una región distinta que provoca un cambio conformacional en toda la proteína, de forma que el sustrato ya no podría unirse.

  • Alosterismo: algunas enzimas son alostéricas: presentan dos conformaciones estables: una activa y otra inactiva. El paso de una a otra está regulado por unos ligandos que se unen a centros reguladores de la enzima, de forma que el organismo puede modular la actividad de estas enzimas en base a la demanda o necesidad de las mismas. Muchas veces es el propio producto de la reacción el ligando que se une a la enzima para volver a su forma inactiva, lo que se considera un feed-back negativo.

6.4.Estrategias para aumentar la velocidad enzimática



  • —Aumento de la concentración de moléculas de sustrato: permite aumentar la velocidad cuanto más sustrato haya, aunque se alcanzará una Vmax.

  • —Aumento de la concentración de moléculas de enzima: a más enzimas trabajando se producirá mucho más producto.

  • —Compartimentación celular: enzima y sustrato pueden estar tan diluidas que pueden tardar en encontrarse y catalizar. En los orgánulos celulares la concentración de enzima y sustrato se concentra mucho más.

  • —Efecto “cascada”:  consiste en que al activarse la primera enzima, esta activa a más enzimas que a su vez activan a más enzimas… El efecto permite aumentar mucho la velocidad y amplifica la respuesta final, como ocurre con el sistema del complemento.

  • —Complejos multienzimáticos: distintas enzimas que son etapas de una misma ruta se pueden unir, de forma que los productos de una reacción pasan inmediatamente a la enzima siguiente, reduciendo por completo el problema de la dilución. Así está por ejemplo el complejo de la ATP sintasa.


6.5.Nomenclatura y clasificación de las enzimas



Se suelen denominar con el nombre del sustrato sobre el que actúan al que se añade a veces la función que realizan, seguido de –asa. Por ejemplo, la sacarasa, que hidroliza la sacarosa, o la lactato deshidrogenasa.


También existe un código de 4 cifras precedidas de EC (Enzyme Commission), que indican la clase y subclases de las enzimas. Por ejemplo, EC 3.4.17.1 es la carboxipeptidasa.


6.5.1.Clasificación de las enzimas en base a la reacción catalizada



  • Oxidorreductasas: Catalizan la pérdida o ganancia de electrones de las moléculas.

  • Transferasas: Cambian grupos funcionales de un sustrato a otro.

  • Hidrolasas: Hidrolizan enlaces éster, O-glucosídicos, peptídicos…

  • Liasas: Añaden grupos funcionales a dobles enlaces, con lo que se convierten en simples.

  • Isomerasas: Producen reordenaciones dentro de la misma molécula.

  • Ligasas: Forman enlaces entre dos o más moléculas, como las sintasas o sintetasas.

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