proteínas - El Blog de Israel Masa

PROTEÍNAS
1. PROTEÍNAS
Introducción
Aminoácidos
Estructura tridimensional de las proteínas
Proteínas conjugadas
Propiedades
Funciones
2. ENZIMAS
Introducción
Estructura
Clasificación
Mecanismo de acción
Cinética
Inhibición
Regulación
Vitaminas como coenzimas
1. PROTEÍNAS
1.1. INTRODUCCIÓN
1.1.1. Características
Moléculas que contienen C, O, H y N, y la mayoría también S. A veces otros elementos
(P, FE, Cu, Zn, I…)
Son polímeros de compuestos sencillos, los aminoácidos, con pesos moleculares muy
altos. Estos polímeros se llaman polipéptidos.
Son moléculas específicas de cada ser vivo, ya que se fabrican como resultado de la
expresión de los genes.
1.1.2. Clasificación
- Holoproteínas o proteínas simples: compuestas solamente por aminoácidos
Proteínas globulares
Proteínas filamentosas
- Heteroproteínas o proteínas conjugadas: tienen una porción no aminoacídica
Porción no aminoacídica: Grupo prostético
Porción aminoacídica:
Grupo proteico
Cromoproteínas
Glucoproteínas
Lipoproteínas
Fosfoproteínas
Nucleoproteínas
1.2. AMINOÁCIDOS
Moléculas que contienen un grupo carboxilo y un grupo amino.
Difieren en el radical R. Sólo 20 aminoácidos constituyen las proteínas.
El carbono del carboxilo es el C1; el carbono que lleva el grupo amino es el C2 o Cα.
1.2.1. Clasificación
- Basada en la polaridad de los grupos R
No polar o hidrofóbico:
Ala, Leu, Ile, Val, Pro, Phe, Trp, Met
Polar sin carga:
Ser, Thr, Tyr, Asn, Gln, Cys, Gly
Polar con carga +:
Lys, ARg, His
Polar con carga -:
Asp, Glu
- Basada en la estructura del grupo R
Alifáticos:
el grupo R es una cadena lineal o ramificada
Neutros:
Gly, Ala, Val, Leu, Ser, Thr, Cys, Met, Ile
Ácidos:
Asp, Glu
Básicos:
Lys, Arg, Asn, Gln
Aromáticos: el grupo R contiene el anillo benceno.
Phe, Tyr
Heterocíclicos: el grupo R contiene un ciclo en el que no todos los vértices están
ocupados por átomos de carbono
Pro, Trp, His
1.2.2. Propiedades ácido-básicas
Los aminoácidos cristalizan a partir de disoluciones acuosas neutras en forma de iones
dipolares, llamados también iones híbridos, no como moléculas disociadas. A ello se
deben sus puntos de fusión o descomposición altos y sus constantes dieléctricas.
La forma dipolar, en un medio ácido, capta protones y se comporta como una base y en
un medio básico libera protones y se comporta como un ácido.Estas sustancias se
llaman anfóteras.
El pH en el cual el aminoácido tiende a adoptar una forma dipolar neutra, con tantas
cargas positivas como negativas, se denomina punto isoeléctrico.
El carácter anfótero de los aminoácidos permite la regulación del pH, ya que se
comporta como un ácido o como una base según le convenga al organismo.
1.2.3. Estereoquímica
Excepto la glicina, todos los aminoácidos muestran actividad óptica.
El Cα es asimétrico, son por tanto compuestos quirales. Pueden ser dextro o
levorrotatorios.
La configuración D o L se establece tomando como referencia el gliceraldhído. Los
aminoácidos de la naturaleza son formas L.
1.2.4. Enlace peptídico
Enlace covalente que une dos aminoácidos, entre el grupo amino de un aminoácido y
el grupo carboxilo de otro.
El enlace peptídico es un enlace muy resistente y estable y además es rígido que no
permite la rotación. Tiene características de doble enlace. Impone restricciones acerca
del número de conformaciones que puede adoptar la cadena proteica.
Todos los átomos del dipéptido quedan en un plano, excepto los radicales, que se
disponen por encima y por debajo del plano.
1.3. ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL
1.3.1. Estructura primaria
Corresponde a la secuencia de aminoácidos que componen la proteína. La secuencia
viene determinada por el código genético. El extremo NH2 marca el aminoácido nº 1.
Cambios en la secuencia determinarán cambios en los siguientes niveles estructurales.
1.3.2. Estructura secundaria
Ordenación en el espacio de las cadenas polipeptídicas a lo largo de una dirección.
- Hélice α
Estructura helicoidal con 3.6 aminoácidos por vuelta. Los grupos r se proyectan hacia el
exterior de la hélice. Se forman enlaces de hidrógeno intracatenarios entre vueltas
consecutivas -N-H...O=C
La hélice más estable se arrolla en sentido dextro.
Ejemplo de proteína con estructura de hélice α: Queratina
-Hélice de colágeno
Hélice más alargada que la hélice α, con abundancia de prolina e hidroxiprolina. Los
radicales de estos aminoácidos dificultan la formación de puentes de H y se forma una
hélice distendida con sólo 3 aminoácidos por vuelta.
El colágeno es una proteína formada por 3 hélices arrolladas en una superhélice.
- Conformación β o lámina plegada
Adopta una disposición en zig-zag con los grupos R por encima y por debajo del plano.
Varias láminas plegadas se unen por puentes de hidrógeno.
- Proteínas filamentosas
Las proteínas que no llegan a formar estructuras terciarias dan lugar a proteínas
filamentosas.
Ejemplos: colágeno, α-queratina, β-queratina o fibroína, elastina.
1.3.3. Estructura terciaria
Disposición de la estructura secundaria en el espacio plegándose sobre sí misma y
adoptando una conformación globular. Los radicales apolares se sitúan en el interior y
los polares en el exterior.
Esta conformación se mantiene estable gracias a los radicales entre los enlaces de los
aminoácidos.
Enlaces:
puentes de H entre grupos peptídicos
interacciones hidrofóbicas entre grupos no polares
enlaces iónicos entre grupos cargados eléctricamente
puentes disulfuro
- Dominios estructurales
Determinados tramos de las proteínas presentan estructuras secundarias hélice α,
lámina plegada y zonas de giro o “codos” sin estructura secundaria.
Se llaman dominios estructurales combinaciones de hélices α y láminas plegadas que
se repiten en una misma proteína. Los dominios se unen entre sí por zonas estrechas
que posibilitan cierto movimiento entre unos y otros.
1.3.4. Estructura cuaternaria
Proteínas globulares con dos o más cadenas polipeptídicas. Son proteínas
oligoméricas
1.4. PROTEÍNAS CONJUGADAS
Cromoproteínas: grupo prostético una sustancia coloreada (pigmento)
Pigmento derivado de la profirina con un catión metálico en el centro
Hemoglobina (Fe)
Citocromos (Fe)
Clorofila (Mg)
Vitamina B12 (Co)
Pigmento derivado no porfirínico
Hemocianina (Cu)
Glucoproteínas: grupo prostético glucídico
Hormonas
Inmunoglobulinas
Mucoproteínas: sustancias que confieren características lubricantes
Lipoproteínas: grupo prostético ácidos grasos
Componentes de membranas plasmáticas
Proteínas transportadoras de lípidos en líquidos orgánicos
Fosfoproteínas: grupo prostético ácido ortofosfórico H3PO4
Caseína en la leche
Vitelina en el huevo
Nucleoproteínas: asociadas a ácidos nucleicos
Protaminas e histonas
1.5. PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS
1.5.1. Desnaturalización
Al someter una proteína a cambios de pH o temperaturas mayores de 60-70ºC, se
estiran perdiendo la conformación globular y, por tanto, su actividad biológica. Este
proceso se llama desnaturalización. Al volver a las condiciones iniciales se puede
volver a recuperar la conformación inicial (renaturalización) o bien la desnaturalización
puede ser irreversible.
1.5.2. Especificidad
-Especificidad de especie
Proteínas con las mismas funciones son diferentes en cada especie, tanto más
distintas cuanto más alejadas están las especies filogenéticamente
-Especificidad de individuo
También dentro de una misma especie existen pequeñas diferencias, base del
fenómeno de rechazo. Esto se debe a la íntima relación entre la secuencia de
aminoácidos y el código genético.
1.6. FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS
1.6.1. Enzimas
Actividad catalítica. Son las proteínas más variadas y más altamente especializadas.
Todas las reacciones químicas de las células están catalizadas por enzimas
1.6.2. Transporte
Regulación del paso de sustancias a través de membranas y transporte a través de
líquidos orgánicos.
Hemoglobina que transporta oxígeno.
Lipoproteínas que transportan lípidos, proteínas de la membrana plasmática y de las
membranas intracelulares.
1.6.3. Nutrientes y de reserva
Proteínas de las semillas para su crecimiento durante la germinación.
Ovoalbúmina de la clara de huevo.
Caseína de la leche.
Ferritina que almacena hierro
1.6.4. Contráctiles y de movimiento
Actina y miosina de músculos esqueléticos y de otras células no musculares.
Tubulina de los microtúbulos para formar cilios y flagelos.
1.6.5. Estructurales
Filamentos de soporte, cables u hojas para conferir fuerza o protección a estructuras
biológicas.
Colágeno en los tendones y cartílagos y en la piel.
Elastina en los ligamentos.
Queratina en el pelo, uñas y plumas.
Fibroína en la seda de las telarañas.
1.6.6. Defensa
Inmunoglobulinas o anticuerpos, fabricadas por los linfocitos para reconocer y
neutralizar organismos invasores.
Fibrinógeno y trombina para coagular la sangre en las hemorragias.
Venenos de serpientes, escorpiones, etc. y toxinas de bacterias y plantas.
1.6.7. Reguladoras
Hormonas como la insulina o la hormona del crecimiento.
Proteínas G que regulan la respuesta celular a señales hormonales.
Proteínas que se fijan al DNA y regulan la síntesis de RNA y la biosíntesis de otras
proteínas.
2. ENZIMAS
2.1. INTRODUCCIÓN
Las enzimas son proteínas globulares especializadas en la catálisis de las reacciones
biológicas. Un catalizador acelera la reacción química sin participar en la reacción
global, debido a que disminuye la energía de activación.
Catalizan las reacciones químicas de los seres vivos permitiendo que se desarrollen lo
suficientemente rápido a las temperaturas propias de los seres vivos. Favorecen el
encuentro de las sustancias que van a reaccionar, debilitando los enlaces que han de
romperse o poniendo en contacto las partes de las moléculas que han de unirse.
2.2. ESTRUCTURA
Los enzimas pueden estar constituidos por:
Holoproteínas:
enzima completo constituido por una molécula proteica
Heteroproteínas:
Parte del enzima compuesto por moléculas no proteicas
Grupo proteico (Apoenzima): especifica el tipo de sustrato
Aminoácidos esenciales
AA. estructurales
AA. de fijación
AA. catalíticos (Sitio catalítico)
AA. catalíticos + AA. de fijación = Centro activo
Grupo prostético (Cofactor): especifica el tipo de reacción
Activadores inorgánicos (ion metálico)
Molécula orgánica no proteica (Coenzima)
2.3. CLASIFICACIÓN
Óxido-reductasas: reacciones redox
Transferasas:
transfieren grupos funcionales
Hidrolasas:
reacciones de hidrólisis
Liasas:
adición a los dobles enlaces
Isomerasas:
reacciones de isomerización
Ligasas:
formación de enlaces con escisión de ATP
2.4. MECANISMO DE ACCIÓN
Formación de una estructura intermedia que es el complejo enzima-sustrato (ES) a
partir del cual se forman los productos de la reacción y se libera el enzima sin cambios.
E + S → ES → E + P
Existen dos hipótesis que explican la formación del complejo ES:
Hipótesis llave-cerradura de Fischer: los sustratos encajan en el centro activo del
enzima como la llave dentro de su cerradura. La estructura del centro activo es
complementaria de la estructura geométrica del sustrato
Hipótesis de la adaptación conformacional de Koshland: la unión de los sustratos
al centro activo del enzima provoca unos cambios conformacionales en la estructura
espacial del enzima de modo que se fuerzan determinados enlaces hasta que se
rompen y se forman otros nuevos, consiguiéndose así los productos de la reacción.
En la formación del complejo ES intervienen enlaces de varios tipos: interacciones
hidrofóbicas, enlaces de hidrógeno, covalentes e iónicos.
2.4.1. Cómo se explica el poder catalítico y la especificidad de los enzimas
Los aumentos de velocidad conseguidos por los enzimas son de 7 a 14 órdenes de
magnitud. Los enzimas son también muy específicos, discriminando fácilmente entre
sustratos con estructuras muy similares.
Parte de la explicación reposa en reacciones químicas entre el sustrato y grupos
funcionales de los enzimas (cadenas laterales de aminoácidos específicos, iones
metálicos y coenzimas), que interaccionan de forma transitoria con el sustrato
activándolo para la reacción. Estos grupos disminuyen la energía de activación al
proporcionar una ruta de reacción de menor energía.
La energía requerida para disminuir la energía de activación proviene generalmente de
interacciones débiles no covalentes entre el sustrato y el enzima. La diferencia con
catalizadores no enzimáticos es la formación de un complejo ES específico. La
formación de cada interacción débil en el complejo ES viene acompañada de una
pequeña liberación de energía que proporciona un cierto grado de estabilidad. Esta
energía se denomina energía de fijación y es la principal fuente de energía libre
utilizada para disminuir la energía de activación de las reacciones.
Además las interacciones débiles son óptimas en el estado de transición de la reacción.
Los sitios activos de los enzimas son complementarios no a los sustratos per se, sino a
los estados de transición de las reacciones que catalizan.
Consideremos una reacción imaginaria, la rotura de una vara metálica. La reacción no
catalizada se muestra en la imagen a. Los enzimas utilizarían fuerzas magnéticas como
simulación de la energía de activación real.
En la imagen b el enzima es perfectamente complementario al sustrato, el sitio activo
es una bolsa forrada de imanes; para reaccionar (romperse) la vara debe alcanzar el
estado de transición , pero se fija tan fuertemente al sitio activo que no puede doblarse
ya que tendrían que eliminarse algunas de las interacciones magnéticas entre la vara y
el enzima. Un enzima así impide la reacción ya que estabiliza el sustrato (ver gráfica b).
El complejo ES correspondería a un pozo energético del que sería muy difícil salir.
La noción moderna de catálisis enzimática propuesta por Haldane (1930) y Pauling
(1946) asume que el enzima debe ser complementario al estado de transición de la
reacción. Las interacciones óptimas entre sustrato y enzima sólo pueden tener lugar en
el estado de transición (figura c). Sólo se utilizan unas cuantas interacciones para
formar el complejo ES. El sustrato ligado aún ha de experimentar un aumento de
energía libre necesario para alcanzar el estado de transición; sin embargo, este
incremento de energía para llevar la vara a una conformación curva, es “pagado” por
las interacciones magnéticas que se forman entre enzima y sustrato en el estado de
transición, interacciones que se dan en partes no reactivas del sustrato y que
proporcionan parte de la energía necesaria para catalizar su rotura, traduciéndose en
una energía de activación neta inferior y una mayor velocidad de reacción.
2.5. CINÉTICA ENZIMÁTICA
Un rasgo característico de las reacciones catalizadas enzimáticamente es la saturación
con sustrato. Cuando la velocidad de reacción se aproxima a una velocidad constante
el enzima se halla saturado con sustrato, es decir, todos los centros activos están
ocupados por sustrato y aunque se añada mayor cantidad de sustrato la velocidad de
reacción (medida como cantidad de producto obtenido) no aumentará.
La constante de Michaelis (KM) es la concentración de sustrato con la cual se alcanza
la mitad de la velocidad máxima y representa la afinidad del enzima por el sustrato. Si
KM es grande la afinidad es menor (se necesita más sustrato para alcanzar la mitad de
la VMAX.
2.5.1. Efecto del pH y la temperatura
2.6. INHIBICIÓN ENZIMÁTICA
Los inhibidores enzimáticos son moléculas que se unen a enzimas y disminuyen su
actividad.
2.6.1. Inhibición reversible
- Competitiva
El inhibidor compite con el sustrato por el mismo lugar del enzima. Aumenta la KM. Se
contrarresta con el aumento de la concentración de sustrato.
- No competitiva
El inhibidor se une al enzima en otro sitio distinto que el sustrato. Disminuye la VMAX.
- Acompetitiva
El inhibidor se une al complejo ES. Aumenta la KM y disminuye la VMAX
2.6.2. Inhibición irreversible
Agentes capaces de unirse covalentemente que modifican permanentemente un grupo
funcional necesario para la catálisis.
2.7. REGULACIÓN ENZIMÁTICA
2.6.1. Enzimas modulados covalentemente
Formas activas e inactivas interconvertibles por otros enzimas
2.6.2. Activación de zimógenos
Activación catalizada enzimáticamente de precursores inactivos de los enzimas
(zimógenos). Por ejemplo pepsinógeno y pepsina o tripsinógeno y tripsina en el
intestino.
2.6.3. Enzimas alostéricos
Enzimas oligoméricos que poseen un centro activo (al que se une el sustrato) y un
centro regulador (al que se une el modulador).
Los moduladores pueden ser:
Positivos o activadores: aumentan la velocidad de reacción
Negativos o inhibidores: disminuyen la velocidad de reacción
El control de los enzimas puede ser:
Heterotrópico:
sustrato y modulador son químicamente distintos
Homotrópico:
el modulador es el sustrato
Mixto:
hay centro activo, sitio alostérico para el sustrato y sitios
alostéricos para otros moduladores
La unión de un activador al centro regulador de una subunidad cambia la conformación
de todos los monómeros, aumentando la afinidad por el sustrato. La unión de un
inhibidor realiza el proceso inverso.
2.6.4. Retroinhibición
El último producto de una vía metabólica actúa como inhibidor del primer enzima de la
vía
2.7. VITAMINAS COMO COENZIMAS
Las vitaminas son compuestos orgánicos relativamente sencillos de composición
química variada. No sirven como combustibles para obtener energía. Actúan como
catalizadores y suelen ser coenzimas o componentes de coenzimas.
Son producidas por vegetales o bacterias, los animales no pueden sintetizarlas.
Su deficiencia o exceso ocasiona graves trastornos. Son sustancias lábiles que se
alteran con facilidad ante cambios de temperatura o almacenamiento prolongado.