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PROTEÍNAS ÍNDICE 1.
Introducción
2.
Funciones de las proteínas
3.
Estructura de los aminoácidos
4.
El enlace peptídico. Péptidos y proteínas
5.
La estructura de las proteínas. Desnaturalización.
6.
Calsificación de las proteínas (Anexo I)
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1. INTRODUCCIÓN Las proteínas son las moléculas que desempeñan la mayor parte de la actividad de las células además de tener importantes funciones estructurales. Las proteínas son fruto de la polimerización de unas unidades básicas llamadas aminoácidos que se unen entre sí formando enlaces peptídicos.
2. FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS • Función estructural: cuando forma parte del
armazón o cuerpo de otras estructuras celulares o tisulares (tejidos). Son ejemplos el colágeno que forma parte de la sustancia intercelular de los tejidos conectivos, las proteínas que forman parte de la cápsida de los virus o la tubulina cuya polimerización de lugar a cilios y flagelos. • Función reguladora. Son aquellas que intervienen en los procesos de señalización química como algunas hormonas (insulina, hormona de crecimiento), en la activación de genes como los factores de transcripción o bien los receptores proteicos de membrana que desencadenan cambios en las células cuando les llega el ligando específico. • Proteínas contráctiles como la actina y la miosina del músculo. • Proteínas de transporte, como la hemoglobina y mioglobina que transportan y almacenan oxígeno respectivamente, la albúmina sérica que transporta ácidos grasos o las proteínas transportadoras de membrana como los “carriers” o la bomba de sodio y potasio.
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Estructura tridimensional de la mioglobina
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• Proteínas de almacenamiento reserva. Es el caso de
ovoalbúmina en el huevo, la caseína en la leche o la gliadina presente en los cereales. • Proteínas de defensa como los anticuerpos o inmuniglobulinas o el complemento. • Función enzimática. Los enzimas son biocatalizadores orgánicos. Tienen un capítulo aparte en estos apuntes.
3. LA ESTRUCTURA DE LOS AMINOÁCIDOS Los aminoácidos son las unidades (monómeros) que forman parte de las proteínas. Existen unos 300 aminoácidos distintos aunque la mayoría de las proteínas de los seres vivos contienen 20 aminoácidos distintos. El orden en el que estos aminoácidos se unen para constituir las proteínas está determinado por el ADN. Para que muchas proteínas funciones correctamente necesitan la presencia de partes no proteícas que reciben el nombre de grupos prostéticos. El grupo hemo de lo hemoglobina sería un ejemplo.
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Los aminoácidos tienen un átomo de carbono central llamado a al que se une un grupo amino, un hidrógeno y un grupo carboxilo (ácido). Esta estructura es común a todos. Los aminoácidos se diferencian entre sí según el grupo orgánico “R” que se una a la cuarta valencia del carbono a. Según la naturaleza del grupo R los aminoácidos se clasifican en: • Aminoácidos con grupo R apolar o hidrófobos. • Aminoácidos con grupo R polar o hidrófilos • Aminoácidos con grupo R ácido y cargados negativamente (también son hidrófilos) • Aminoácidos con grupo R básico y cargados positivamente (también son hidrófilos) El carbono a de los aminoácidos es asimétrico salvo en el caso de la glicina. Por esta razón los aminoácidos presentan enantiómeros D y L. Se denominan aminoácidos esenciales aquellos que no se pueden fabricar a partir de otros aminoácidos o de otras biomoléculas y, por lo tanto, deben de ser ingeridos en la dieta. Este concepto de “esencial” es ampliable a otro tipo de biomoléculas. IONIZACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS Cuando un aminoácido se disuelve en agua, se encuentra en solución en forma de ion dipolar o zwitterion. Según el pH del medio el tipo de ionización de un aminoácido cambia y también sus cargas lo que puede ocasionar cambios en la forma espacial de la proteína que los contiene situación que puede resultar peligrosa. En medios ácidos el aminoácido está completamene protonado (con -COOH y NH3+) y su carga es positiva mientras que en medios básicos el aminoácido presenta su forma desprotonada (-COO- y NH2) y su carga es negativa. Una sustancia ácida es aquella que es capaz de donar H+ (protones) al medio y una sustancia básica es aquella capaz de tomarlos del medio. Cuando el aminoácido está en su forma protonada en un medio ácido y el pH va aumentando, el aminoácido se desprotona donando H+ al medio y se comporta como un ácido. Cuando el aminoácido está en su forma desprotonada en un medio básico y el pH va disminuyendo, el PÁGINA 3 DE 10
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Al igual que los monosacáridos, los aminoácidos también presentan imágenes especulares D y L
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aminoácido capta protones del medio comportándose con una base. Por lo tanto, los aminoácidos pueden comportarse como ácidos y como bases según sea el pH del medio. A las sustancias que tienen esta propiedad se les denomina anfóteras. Existen unos valores de pH característicos para cada aminoácido. Son • Pka : el es pH para el cual el aminoácido está en un 50 % en su forma protonada y un 50 % en su forma de ion dipolar (zwitterion) • PI o punto isoeléctrico: es el pH para el cual ese aminoácido está al 100 % en forma de ion dipolar. • Pkb: es el pH para el cual el aminoácido está en un 50 % en su forma desprotonada y un 50 % en forma de ion dipolar (zwitterion)
A pH fisiológico (el habitual en células y tejidos) los aminoácidos no suelen tener carga neta ya que se encuentran en forma de ion dipolar. Si varía el pH y po eso debe mantenerse constante, sí que pueden verse alteradas las cargas de los aminoácidos. Dado que los aminoácidos de las proteínas pueden comportarse como ácidos o como bases, a menudo influyen como sustancias tamponadoras de las variaciones de pH en el organismo.
4. EL ENLACE PEPTÍDICO. PÉPTIDOS Y PROTEÍNAS Los aminoácidos se unen entre sí mediante un enlace covalente de tipo amida, en el que el grupo carboxilo (-COOH) del primer aminoácido enlaza con el grupo amino (H2N-) del siguiente. PÁGINA 4 DE 10
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Aunque el enlace formado es simple y no doble, el enlace amida presenta la rigidez caracteerística del doble enlace lo que provoca que los átomos que se encuentran unidos a carbono del grupo carboxilo y al nitrógeno del grupo amino estén en el mismo plano. A una cadena de muchos aminoácidos unidos se le denomina polipétido y si son unos pocos recibe el nombre de oligopétido (o más concretamente dipéptido, tripéptido, tetrapéptido, etc.) Aunque a veces se suelen usar indistintamente los términos polipéptido y proteína, se considera que una proteína debe tener una masa molécular superior a 10.000. El primer aminoácido de una cadena polipeptídica es aquel que tiene su grupo amino libre (extremo N-terminal) y el último es el que tiene libre el COOH (extremo C o carboxilo terminal) Algunos ejemplos de péptidos de interés biológico: • Glutation. Es un potente reductor biológico que entre otras funciones tiene la de mantener el estado de oxidación del hierro de la hemoglobina en +2 (en +3, metahemoglobina, es incapaz de unirse al oxígeno) • Ácido pantoténico que es el precursor de la vitamina B5. • La gramidicina y la penicilina son antibióticos formados o que contienen péptidos. • Hormonas peptídicas, como la oxitocina, vasopresina o insulina.
5. LA ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS Una proteína es activa por que tiene una determinada forma en el espacio. Se denomina conformación a la disposición tridimensional de los átomos de una proteína. Cuando esta conformación es la que permite que la proteína pueda llevar a cabo su función se dice que es su forma nativa. La forma nativa de una proteína nunca es la estructura en zigzag de la cadena de aminoácidos o estructura primaria sino que presentan diversos grados de plegamiento en el espacio. Dado que el enlace peptídico es rígido, sólo los enlaces adyacentes pueden girar según unos ángulos y . Sólo unos valores determinados de f y y permiten plegamientos estables que genera el siguiente grado de plegamiento o estructura secundaria. Las estructuras secundarias estables para valores permitidos de y fueron representadas en unos ejes en los que se situaron PÁGINA 5 DE 10
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VÍDEO formación ENLACE PEPTÍDICO
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los diferentes tipos de estructuras secundarias estables. Este diagrama recibe el nombre de Diagrama de Ramachandran. Las estructuras secundarias más frecuentes son: Hélice : es una disposición helicoidal de la cadena en zig-zag de aminoácidos que generan una forma cilíndrica con los grupos R hacia el exterior de la hélice. ( = -45o a -50o ; = -60o). Su sentido de avance es en el sentido de las agujas del reloj, dextrógira, y cada vuelta avanza 5’4 angtroms y contiene 3,6 aminoácidos. Esta tipo de disposición en el especie permite la formación de puentes de hidrógeno intracatenarios que le otorga gran estabilidad. En general, las proteínas que presentan como máximo grado de plegamiento especial una estructura secundaria se denominas proteínas fibrosas y suelen tener función estructural ya que forman largas hebras o láminas. Las queratinas con proteínas formadas casi exclusivamente por hélices y son el constituyente del pelo, uñas y pezuñas. Presentan abundantes cisteínas y por eso su combustión genera ese olor azufrado característico de “pollo chamuscado”. Al tener cisteínas forman puentes disulfuro. Aminoácidos como la prolina desestabilizan la hélice haciendo que pierda esta conformación. Conformación en lámina o conformación . Se trata de una disposición paralela o antiparalela según sea el sentido en el que se encuentren las cadenas en zig-zag de los aminoácidos que forman la proteína a modo de una lámina plegada. Los grupos R se disponen de manera opuesta (arriba-abajo). Estas láminas están estabilizadas por puentes de hidrógeno intracatenarios e intercatenarios. Las -queratinas que constituyen por ejemplo los hilos de la tela de araña y la fibroína de la seda presentan láminas como su grado máximo de plegamiento. Tienen abundantes residuos de alanina y glicina y forman fibras inextensibles.
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El colágeno es una proteína fibrosa formada por la polimerización de unidades tres hélices acopladas entre sí. Cada una de estas hélices ricas en hidroxiprolina recibe el nombre de cadena pro- (no confundirlo con la hélice ). Esta hélice es levógira (avanza en sentido opuesto a las agujas del reloj) pero cuando se ensamblan tres de ellas generan una triple hélice dextrógira. La polimerización de estas unidades genera la fibra de colágeno. La fibra generada tiene la misma fuerza de tensión que un cable de acero de idéntica sección. Existen muchos tipos de colágeno en el ser humano y es sintetizado por los fibroblastos. El colágeno es el principal componente de ligamentos y tendones y forman parte de las sustancias intercelular de los tejidos conectivos.
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Las proteínas que desempeñan la mayor partes de las funciones biológicas señaladas al principio del tema presentan un grado más de plegamiento en el espacio en el que se combinan distintas combinaciones de láminas y hélices generando estructuras globulares. De hecho las proteínas con estructura terciaria se denominan globulares y pueden tener varios tipos de estructura secundaria (las fibrosas sólo uno) Gracias a este segundo grado de plegamiento aminoácidos que estaban muy separados en la cadena polipeptídica pueden terminar próximos. Las fuerzas que intervienen en este plegamiento espacial y que otorgan a las proteínas la forma precisa que ahce que sea funcional son: -Interacciones hidrofóbias e hidrofílicas de los grupos R de los aminoácidos con el medio - Fuerzas de atracción y repulsión de los grupos R de los aminoácidos con carga. - Formación de puentes disulfuro entre cisteínas. - Fuerzas de Van deer Waals. Todo esto depende de la secuencia de los aminoácidos, es decir, de qué posición ocupan por lo que se puede decir que la estructura primaria de una proteína determina la forma espacial que va a tener. Además, algunas proteínas necesitan la ayuda de otras proteínas para adquirir esa forma espacial activa. Estas proteínas que ayudan a que las proteínas adquieran la forma correcta en el momento oportuno reciben el nombre de chaperonas. Una de las familias de chaperonas más conocidas con las Hsp70 que suelen tener una masa de unos 70.000 y se encuentran ya sea en bacterias hasta en los seres humanos.
CHAPERONA
Una de las primeras proteínas globulares de las que se supo su conformación fue la mioglobina. La mioglobina es la proteína que almacena oxígeno en el músculo y contiene 153 residuos aminoácidos que forman ocho segmentos de hélice a con “lazos” entre ambas. Además contien un grupo hemo con un átomo de hierro PÁGINA 8 DE 10
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al que se une el oxígeno como grupo prostético. La mioglobina es especialmente abundante en animales que permanecen largo tiempo sumergidos como las ballenas o los pinnípedos (focas, morsas, etc.). A menudo las proteínas globulares grandes contienen diversas regiones estables bien diferenciadas en su conformación espacial. Si por métodos químicos se separan estos dominios mantienen su conformación espacial. En las proteínas globulares también existen combianciones de estructuras secundarias que aparecen en proteínas distintas. A estas combinacios estables ya que son frecuentes se les denomina motivos.
Proteina de un bacteroide de la flora intestinal con 3 dominios
Por último, existen proteínas que están formadas por el ensamblaje de varias subunidades globulares. Se dice que estas proteínas tienen estructura cuaternaria y que son oligoméricas si son pocas subunidades o multimérica si son muchas. Un ejemplo de proteínas oligomérica es la hemoglobina, formada por cuantro subunidades de globina, dos tipo y dos de tipo (nada que ver con las estructuras secundarias vistas anteriormente), cada una de las cuales tiene su grupo hemo. La hemoglobina es la proteína que transporta oxígeno en la sangre y dado que tiene cuatro grupos hemo puede transportar cuatro moléculas de oxígeno. La conformación de cada una de las subunidades es diferente según contengan oxígeno (oxihemoglobina) o no (desoxihemoglobina). La hemoglobina presenta un fenómeno llamado cooperativdad que consiste en que cuando un oxígeno entra a la primera subunidad de la hemoglobina provoca que aumente la afinidad del oxígeno por las restantes acelerándose así la captura de esta molécula. (Ampliación universidad)
PARA QUE UNA PROTEÍNA LLEVE A CABO SU FUNCIÓN ES IMPRESCINDIBLE QUE TENGA INTACTA SU CONFORMACIÓN NATIVA.
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La desnaturalización es el proceso mediante el cual una proteína pierde su forma espacial nativa y, por lo tanto, se vuelve inactiva. Una de las razones de la pérdida de la estructura terciaria es por la rotura de los puentes disulfuro. Cuando esto sucede en un organismo puede tener efectos desastrosos llegando incluso a provocar la muerte del individuo.
Video sobre la desnaturalización
Un vídeo resumen
La desnaturalización puede ser reversible o irreversible y puede estar provocada por: • Aumento de temperatura, como por ejemplo lo que le sucede a la albúmina (clara) del huevo cuando se fríe. Esta es otra de las razones por las cuales la fiebre no puede ser muy alta durante mucho tiempo porque provocaría la desnaturalización de las proteínas humanas además de las de las proteínas bacterianas o víricas que es lo que se pretende con la fiebre como mecanismo de defensa. • Variación del pH. Como ya se ha visto, la variación del pH puede causar cambio en las cargas de los grupos R de los aminoácidos lo que afectará a las fuerzas electrostáticas que mantenía a la proteína en su conformación nativa produciéndose la desnaturalización. Como se puede concluir, la homeostasis es fundamental parara evitar cambios que alteren la forma de las proteínas. • De manera artificial, la desnaturalización de una proteína también se puede producir por la adición de detergentes. CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS - descargar anexo I
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