Tema 4. Las proteínas.

Las proteínas son biomoléculas orgánicas constituidas por C, H, O y N, y en menor proporción por P y S.

Son macromoléculas de gran complejidad y elevado peso molecular constituidas por la unión de un gran número de monómeros denominados aminoácidos.

1. LOS AMINOÁCIDOS:

ESTRUCTURA

Son los monómeros de los péptidos y las proteínas, y están constituidos un grupo amino (NH₂) y otro carboxilo (COOH) unidos a un átomo de carbono llamado alfa (α). Este carbono está, además, unido a un átomo de hidrógeno (H) y a un radical (R) característico de cada uno de los 20 aminoácidos diferentes que constituyen las proteínas. Quiero ver la fórmula general de un aminoácido.

PROPIEDADES

Los aminoácidos se caracterizan por presentar un bajo peso molecular y un punto de fusión elevado, y por ser sólidos, cristalinos y solubles en agua.
Presentan isomerías debido a que tienen un carbono asimétrico (a excepción de la glicina): existe una forma D y otra forma L. Los isómeros D poseen en proyección lineal, el grupo amina (-NH₂) hacia la derecha del carbono asimétrico, mientras que la isomería L presenta el grupo amina (-NH₂) a la izquierda del carbono asimétrico.
Tienen comportamiento anfótero gracias a su grupo amino y carboxilo, de manera que en disolución acuosa pueden comportarse como ácido o como base según su pH. Quiero ver qué le ocurre a la Alanina cuando cambia el pH.

CLASIFICACIÓN

Los aminoácidos se pueden clasificar en aminoácidos ácidos (ácido aspártico y Ácido glutámico), aminoácidos básicos (Lisina, Arginina e Histidina), aminoácidos neutros apolares (Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina, Metionina, Fenilalanina, Prolina y Triptófano) y aminoácidos neutros polares (Glicina, Serina, Treonina, Cisteína, Asparagina, Glutamina y Tirosina).

2. EL ENLACE PEPTÍDICO

Los péptidos son macromoléculas constituidas por la unión, mediante enlace peptídico, de aminoácidos. El enlace peptídico es un enlace covalente que se produce entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente (formándose en cada unión una molécula de agua). Quiero ver cómo se forma el enlace peptídico.

¿Qué características presenta el enlace peptídico?

Es un enlace covalente.
Tiene carácter parcial de doble enlace (los enlaces Cα sí pueden girar).
El O y el H de la amida tienen disposición trans.

Cuando se unen dos aminoácidos se forma un dipéptido; si se unen tres, un tripéptido, etc. Si es inferior a diez, se denomina oligopéptido, y si es superior a diez recibe el nombre de polipéptido.Una proteína es un polipéptido constituido por más de 50 aminoácidos. Debido a ello su masa molecular es igual o superior a 50000 u.

3. ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

Cada proteína se pliega y adquiere una estructura tridimensional que determina su función biológica. Se diferencian cuatro niveles de complejidad creciente:

Estructura primaria: determinada por la secuencia de aminoácidos unidos mediante enlace peptídico.
Estructura secundaria: determinada por el plegamiento de la secuencia de aminoácidos gracias a la formación de puentes de hidrógeno. Las conformaciones resultantes pueden ser la estructura en hélice alfa o lámina plegada beta.
Estructura terciaria: determinada por la disposición tridimensional de todos los átomos que componen la proteína. Las fuerzas que estabilizan la estructura terciaria son los puentes disulfuro, los puentes de hidrógeno, las fuerzas de Van der Waals, y las interacciones hidrófobas e iónicas. En base a la estructura terciaria se diferencian proteínas fibrosas y proteínas globulares.
Estructura cuaternaria: determinada por la unión de varias cadenas polipeptídicas (protómeros).

4. PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS

SOLUBILIDAD: las proteínas son solubles en agua cuando adoptan una conformación globular. Las proteínas globulares tienen una elevada masa molecular, por lo que, al disolverse, dan lugar a dispersiones coloidales. En ellas, muchos de los aminoácidos apolares se sitúan en el interior de la proteína, y en los polares, los radicales (-R) libres de los aminoácidos polares se enlazan por puentes de hidrógeno con las moléculas de agua que quedan por el exterior. De este modo, la proteína queda recubierta por una capa de moléculas de agua (capa de solvatación) que impide que se pueda unir a otras proteínas.
CAPACIDAD AMORTIGUADORA: son sustancias anfóteras, es decir, se pueden comportar como ácidos y como bases; en consecuencia, pueden amortiguar las variaciones de pH.
ESPECIFICIDAD: cada especie es capaz de fabricar sus propias proteínas (diferentes de las de otras especies), pero incluso, aparecen diferencias entre individuos de la misma especie. Se diferencia una especificidad de función, ya que cada proteína está especializada en una determinada función (determinada por la secuencia de aminoácidos y la estructura tridimensional que adopta); y una especificidad de especie, ya que cada especie tiene proteínas exclusivas (aunque existen proteínas homólogas como la insulina de los vertebrados, con una composición y estructura similar, que realizan la misma función)
DESNATURALIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS: la desnaturalización de una proteína es la pérdida de su estructura tridimensional característica cuando se somete a condiciones ambientales desfavorables (cambios de temperatura, de pH o de salinidad). Como consecuencia se anula su funcionalidad biológica. La desnaturalización puede ser reversible (renaturalización) o irreversible.

5. CLASIFICACIÓN Y FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS

5.1. CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Las proteínas, según su composición, se dividen en dos grandes grupos: las holoproteínas y las heteroproteínas.

Las HOLOPROTEÍNAS están constituidas únicamente por aminoácidos, y pueden ser:

Globulares: albúminas (seroalbúmina, lactoalbúmina, ovoalbúmina, etc.), globulinas (γ-globulina, lactoglobulina, ovoglobulina, etc.), histonas y protaminas.
Fibrosas: colágeno, queratina, elastina, actina y miosina.

Las HETEROPROTEÍNAS tienen en su composición, además de aminoácidos, otros compuestos de naturaleza no proteica, que reciben el nombre de grupo prostético. Según la naturaleza del grupo prostético, se diferencian varios grupos:

Glucoproteínas: inmunoglobulinas, mucoproteínas, fibrinógeno, etc.
Lipoproteínas: LDL, HDL y VLDL.

Colesterol-global (1)

Fosfoproteínas: caseína y vitelina.
Nucleoproteínas: proteínas que forman la cromatina.
Cromoproteínas porfirínicas (hemoglobina, mioglobina y citocromos) y cromoproteínas no porfirínicas (hemocianina). ¿Vampiros o enfermos de porfiria?

5.2. FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS

Las proteínas intervienen en gran variedad de funciones biológicas, debido a la diversidad estructural que tienen. Las principales funciones son:

Función estructural: glucoproteínas, histonas, actina, tubulina, colágeno, queratina, elastina, etc.
Función de transporte: permeasas y bombas, citocromos, hemoglobina, hemocianina, mioglobina, seroalbúmina, HDL y LDL, etc.
Función de reserva: ovoalbúmina, caseína, etc.
Función homeostática (mantenimiento del equilibrio osmótico y amortiguador de pH).
Función defensiva y protectora: inmunoglobulina, trombina y fibrinógeno, mucinas, etc.
Función hormonal: insulina, glucagón, etc.
Función contráctil: actina, miosina, dineína, etc.
Función catalizadora: enzimas.

6. ENZIMAS

Las enzimas son proteínas globulares (menos la ribozima) que actúan como biocatalizadores, es decir, acelerando las reacciones químicas de los seres vivos sin consumirse. Se caracterizan por ser presentar un elevado peso molecular, una alta especificidad y actividad, y por actuar a temperatura ambiente.

6.1. NATURALEZA Y CARACTERÍSTICAS DE ENZIMAS

Atendiendo a su composición química, se distinguen dos tipos: holoproteínas o proteínas simples (formadas exclusivamente por polipéptidos como la pepsina) y holoenzimas.

Las holoenzimas presentan una parte proteica denominada apoenzima y una parte no proteica denominada cofactor. El cofactor puede ser un simple ion metálico (ej. la enzima citocromo oxidasa tiene como cofactor un átomo de hierro y uno de cobre) o una sustancia orgánica mucho más compleja, en cuyo caso se llama coenzima (muchas vitaminas son coenzimas o precursores de coenzimas).

6.2. NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN DE ENZIMAS

En muchos casos, las enzimas se nombran añadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato sobre el que actúan, o a la reacción que catalizan; en ocasiones, el nombre de la enzima hace referencia tanto al sustrato como a la reacción.

Actualmente, y debido al gran número de enzimas descubiertos, se ha establecido un sistema de clasificación en el que se agrupa a las enzimas en seis clases principales, conforme al tipo de reacción que catalizan: hidrolasas, transferasas, oxidorreductasas, liasas, isomerasas y sintetasas o ligasas.

6.3. MECANISMO DE ACCIÓN

En las reacciones enzimáticas, la enzima (E) se une al sustrato (S) para formar el complejo (ES), que, tras la transformación enzimática, se separa en los productos (P) de la reacción y el enzima libre (E).

Enzimas-1

La unión tiene lugar en una pequeña parte de la molécula de la enzima, constituida por un número reducido de aminoácidos, llamada centro activo. El centro activo tiene forma de hueco o repliegue, y su estructura tridimensional se adapta perfectamente a la estructura complementaria del sustrato. Debido a la estrecha relación que existe entre el centro activo y la forma del sustrato, la mayor parte de las enzimas son muy específicas.

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Pero… ¿Cómo actúan las enzimas? Las enzimas aceleran la velocidad de las reacciones químicas disminuyendo la energía de activación (energía mínima necesaria para relajar o romper unos enlaces y formar otros nuevos; es decir, la energía necesaria para que se produzca la reacción).

6.4. ESPECIFICIDAD DE LA ENZIMA

Las enzimas están formadas por tres tipos de aminoácidos:

Aminoácidos estructurales, no tienen función dinámica.
Aminoácidos de fijación, forman enlaces débiles con el sustrato. Se localizan en el centro activo.
Aminoácidos catalizadores, son los responsables de la transformación del sustrato en productos. Se localizan en el centro activo.

En los holoenzimas, el cofactor se localiza en el centro activo.

7. CINÉTICA ENZIMÁTICA

La cinética enzimática determina la velocidad de la catálisis, y viene determinada por:

Concentración de sustrato. Al aumentar la concentración de sustrato aumenta exponencialmente la velocidad de la reacción, hasta una determinada concentración, a partir de la cual, la velocidad permanece constante. La ecuación de Michaelis-Menten refleja la afinidad de la enzima por el sustrato.
El pH. Cada enzima presenta un pH óptimo para el que su actividad es máxima. Pequeñas variaciones en el pH provocan el descenso brusco de la actividad enzimática, debido a la desnaturalización de la enzima.
La temperatura. Cada enzima presenta una temperatura óptima para la que su actividad es máxima. En general, si aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de la reacción, pero a partir de una determinada temperatura, la enzima se desnaturaliza, descendiendo bruscamente la velocidad de la reacción.
Efecto de los inhibidores. Los inhibidores son sustancias químicas que pueden disminuir o bloquear la actividad de las enzimas. Esta inhibición puede ser reversible o irreversible.

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7. REGULACIÓN DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA

En el metabolismo celular, grupos de enzimas actúan secuencialmente para llevar a cabo un proceso metabólico. El enzima regulador suele ser el primero de la secuencia; los demás le siguen y promueven sus reacciones solo cuando se han formado sus sustratos, que proceden de las etapas anteriores.

La regulación de la actividad enzimática puede llevarse a cabo de dos formas:

Sobre la síntesis del enzima. El enzima solo se produce en la cantidad y en el momento en el que se necesita, y se degrada rápidamente, después de llevar a cabo su acción.
Sobre su actividad. La enzima presenta dos conformaciones, activa e inactiva. El estados de actividad/inactividad de algunos enzimas puede estar regulado por un mecanismo de modificación covalente (fosforilación/desfosforilación) o mediante regulación alostérica.

Los enzimas alostéricos son enzimas regulados por la unión no covalente de una molécula, llamada modulador, que se une a un sitio distinto del centro activo, denominado sitio alostérico. Los moduladores alostéricos pueden ser negativos (inhibidores), cuando provocan el cambio de la forma activa a inactiva, o pueden ser positivos (activadores), cuando provocan el cambio de la forma inactiva a activa.

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