Funciones de las proteínas y ácidos nucleicos: estructura, clasificación y biología celular

Funciones de las proteínas

Estáticas: estructurales, forman estructuras celulares como membranas y sustancia intercelular. Almacén de aminoácidos, lo que permite la síntesis de proteínas (en procesos embrionarios, en semillas y huevos).

Activas:

• Fisiológicas: proteínas que intervienen en movimientos, procesos homeostáticos (mantenimiento del pH) y transporte de otras moléculas.
• Reguladoras genéticas: activación e inactivación de la regulación genética.
• Catalizadoras: enzimas, que favorecen las reacciones químicas que se producen en los seres vivos.
• Inmunitarias: unas dan identidad molecular a los organismos vivos (antígenos) y otras (anticuerpos) rechazan moléculas extrañas que se introducen en ellos.

Clasificación de las proteínas

Según su complejidad:

• Holoproteínas o proteínas simples: formadas solo por cadenas polipeptídicas, ya que en su hidrólisis solo se obtienen aminoácidos.
• Heteroproteínas o proteínas complejas: cadenas polipeptídicas y parte no proteica (grupo prostético).

Holoproteínas

Según su estructura tridimensional se clasifican en globulares (muy plegadas y solubles) o fibrilares (estructura simple e insoluble).

Globulares

• Albúminas: grandes, transportan moléculas, reserva de aminoácidos. Distinguimos lactoalbúminas, ovoalbúminas y seroalbúminas.
• Globulinas: las más grandes, forma globular, parte proteica de las heteroproteínas.
• Histonas: masa baja, aminoácidos básicos, forman parte de la cromatina.

Fibrilares

• Queratina: en células de la epidermis, pelos y uñas.
• Colágeno: resiste el estiramiento, en tejido conjuntivo y cartilaginoso; estructura formada por 3 cadenas trenzadas.
• Miosina: contracción muscular.
• Elastina: gran elasticidad, en arterias, pulmones y dermis.

Heteroproteínas

Se clasifican según el grupo prostético:

• Fosfoproteínas: grupo prostético ortofosfórico (ej. vitelina, caseína).
• Glucoproteínas: grupo prostético formado por un glúcido (en membranas celulares, gammaglobulinas —anticuerpos—, mucus protector de aptos).
• Lipoproteínas: grupo prostético lipídico (bacterias y plasma; transportan grasas y colesterol).
• Cromoproteínas: grupo prostético de molécula compleja con dobles enlaces conjugados, que les da color:
  • Compuestos porfirínicos: grupo metaloporfirina (hemoglobina y mioglobina, citocromos, peroxidasas y catalasas, clorofilas, vitamina B12).
  • Compuestos no porfirínicos: grupo coloreado no formado por una metaloporfirina (rodopsina, hemocianina).
• Nucleoproteínas: grupo prostético de ácidos nucleicos (cromatina y cromosomas).

Propiedades de las proteínas

Solubilidad: si tienen estructura fibrilar son insolubles, o si tienen estructura globular son solubles (forman disoluciones coloidales por tener una masa molecular elevada). Los aminoácidos apolares están en el interior y los polares fuera, y pueden unirse por puentes de hidrógeno, formando una capa de solvatación de agua alrededor de cada molécula que actúa como barrera para que no se unan; si no existiera esta capa serían insolubles.

Desnaturalización: la función biológica depende de la estructura tridimensional. Cuando esta se altera, la proteína pierde su función: la proteína se desnaturaliza. Puede darse en distintos grados o con distintas intensidades: reversible e irreversible. Agentes desnaturalizadores: temperatura, presión, incremento de pH, variación de salinidad.

Especificidad: son específicas de especie, tipo y función, sin embargo su composición y estructura determinan la información genética del individuo.

Estructura de las proteínas

La actividad biológica de una proteína se debe a la disposición espacial de su cadena polipeptídica. Así, durante su síntesis la cadena sufre un serie de plegamientos que la capacitan para realizar su función. De forma que si se alteran, la forma se altera o pierde su función.

Estructura primaria

Cadena simple formada por las distintas aminoácidos enlazados entre sí, mediante el enlace peptídico correspondiente. Por ejemplo, en una proteína de cerca de cien aminoácidos, la secuencia de estos es lo importante. Si cambia el orden de los aminoácidos, cambia la proteína. Si desnaturalizamos esta estructura y se rompe la cadena, no se regenerará nunca. El origen está en la secuencia de nucleótidos del ADN que se traduce en secuencia de aminoácidos. El único enlace que encontramos es el peptídico.

Estructura secundaria

Tras la primaria comienza el plegado del polipéptido, que podría adoptar muchas formas y al final las más estables: alfa hélice y lámina beta.

• Alfa hélice: plegamiento en espiral de la cadena peptídica sobre sí misma. El arrollamiento sigue el sentido del reloj y tiene 3,6 aminoácidos por vuelta. El enlace que forma la estructura son puentes de hidrógeno entre los grupos amino y los ácidos distantes en la cadena (cuatro aminoácidos).
• Lámina beta: los cadenas laterales de los aminoácidos forman parte de la estructura en forma de zig-zag. Los aminoácidos se sitúan sobre el mismo plano. El enlace es el puente de hidrógeno, aunque la frecuencia es distinta y más variable, formando estructuras más rígidas.

Estructura terciaria

Conjunto de plegamientos formado por enlaces entre cadenas laterales de los aminoácidos. Enlaces: puente disulfuro, puente de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, fuerzas electrostáticas e interacciones hidrofóbicas. La función de la proteína depende de la estructura terciaria.

Estructura cuaternaria

Unión de varias subunidades de proteína mediante enlaces de distintos tipos (los mismos que participan en la estructura terciaria). No participa el enlace peptídico. No todas las proteínas tienen estructura cuaternaria. Las que la tienen son complejas, formadas por varias subunidades de distintas proteínas o con distintas. Ej.: hemoglobina y anticuerpos.

Ácidos nucleicos

Importancia: son las moléculas que coordinan y gestionan la síntesis de proteínas, proporcionan la información que caracteriza su especificidad y sus características biológicas. Contienen instrucciones necesarias para realizar todos los procesos vitales y son los responsables de todas las funciones básicas de los seres vivos. Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) son macromoléculas formadas por la unión de muchos monómeros llamados nucleótidos.

Nucleótidos

Unidades que forman los ácidos nucleicos. Es una molécula compleja compuesta por la unión de 3 unidades: monosacárido (pentosa) unido a base nitrogenada y grupo/s fosfato.

• La pentosa es una aldopentosa (β-D-ribofuranosa, que da ribonucleótido, o β-D-2-desoxirribofuranosa).
• La base nitrogenada: púrica (derivada de la purina: adenina, guanina) o pirimidínica (derivada de pirimidina: citosina, timina, uracilo).
• La combinación formada por la pentosa y base nitrogenada es el nucleósido. Se pueden combinar 10 distintos.
• El nucleósido + el grupo fosfato = nucleótido.

Importancia de los nucleótidos

Moléculas acumuladoras y donantes de energía: cuando existe y dispone de una molécula de ADP, la emplea para unir un tercer grupo fosfato y obtener ATP. El enlace constituido es muy energético; por tanto, para su formación requiere mucha energía y por tanto su rotura libera mucha energía. De esta forma el sistema ADP/ATP es eficaz para guardar la energía de las reacciones. Si hay mucha energía se formarán ATP a partir de ADP.

Adenosín monofosfato cíclico (AMPc): participa en el desencadenamiento de las respuestas de la célula ante la información que recibe del medio extracelular. La unión de moléculas mensajeras (hormonas, neurotransmisores) a receptores de la membrana plasmática provoca la activación de la enzima adenilciclasa. Una vez sintetizado permite la respuesta celular. Actúa como mediador entre la información externa y la respuesta final; también se llama segundo mensajero.

Moléculas con función coenzimática: nicotinamín adenín dinucleótido (NAD⁺), nicotinamín adenín dinucleótido fosfato (NADP⁺), flavín adenín dinucleótido (FAD). Todas participan en reacciones de deshidrogenación: toman H⁺ y e^- de moléculas y quedan como NADH, NADPH y FADH₂, reducidas con H⁺.

Enlace fosfoéster entre nucleótidos: unión de 2 nucleótidos mediante un enlace estérfosfato (fosfoéster). Se forma entre un OH del ácido fosfórico de un nucleótido y el OH (hidroxilo) del C nº3 de la pentosa del otro nucleótido, con formación de 1 mol de H₂O. La unión de otro nucleótido formará un polinucleótido. Los extremos 5' y 3' marcan el sentido de la cadena polinucleótida.

Ácidos nucleicos

Existen 2 tipos: ADN y ARN.

ADN

Contiene la información necesaria para el desarrollo de las características del individuo (lleva codificada la información a partir de la cual se forma un organismo vivo) y contiene los mensajes e instrucciones necesarias para que la célula realice sus funciones. Formado por la unión de desoxirribonucleótidos (nucleótidos que contienen desoxirribosa). Las bases N pueden ser A, C, G y T. Normalmente formado por 2 cadenas de nucleótidos (bicatenario) unidas entre sí a lo largo de toda su longitud. Esta cadena puede estar en forma circular (sin extremos) o lineal (con extremos).

Estructura primaria del ADN: formada por la secuencia de desoxirribonucleótidos; en cuyo extremo 5' de la cadena hay un grupo fosfato y en el extremo 3' hay una pentosa con el radical -OH libre. 2 moléculas de ADN se diferencian en la secuencia de nucleótidos.

Estructura secundaria del ADN: dispuesta en doble hélice. El ADN está formado por 2 cadenas polinucleotídicas unidas entre sí en toda su longitud. Las 2 cadenas son antiparalelas, lo que significa que el extremo 3' de una de ellas se enfrenta con el extremo 5' de la otra. Las cadenas se unen mediante puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas de ambas (A forma 2 puentes con T, y C 3 puentes con G); son cadenas complementarias. Las 2 cadenas están enrolladas en espiral formando una doble hélice alrededor de un eje imaginario. Las bases N quedan en el interior y las subunidades pentosa-fosfato afuera. La hélice sigue el giro del reloj y en sí no pueden separarse las cadenas sin desenrollar. Los planos de las bases N son paralelos entre sí y perpendiculares al eje de la cadena. Anchura: 2 nm, longitud de cada vuelta: 3,4 nm. Hay 10 nucleótidos por vuelta.

Plegamiento de la estructura en doble hélice: esto es necesario porque las cadenas de ADN tienen que acoplarse en el pequeño espacio intracelular y porque la regulación de la actividad del ADN depende del grado de plegamiento de la molécula.

ARN

Similar al ADN. Diferencias: tiene pentosa ribosa (no desoxirribosa) y bases N uracilo en vez de timina. Puede tener bases N diferentes a las anteriores, pero en cantidad pequeña. Sus cadenas son más cortas que las de ADN. Es monocatenario y lineal. Se encuentra en el núcleo y citoplasma. Participa en transcripción y traducción genética.

• ARNm: copia de una parte del ADN correspondiente a un gen que vaya a expresarse. Es un fragmento monocatenario y lineal que contiene una copia de la secuencia de la cadena necesaria para sintetizar una proteína. Se genera a partir de una hebra molde del ADN para formar una copia idéntica. Vida muy corta, pero suficiente para cumplir su función de sintetizar las proteínas necesarias. Entre el 3 y el 5% del ARN.
• ARNr: forma parte de los ribosomas, que participan en la síntesis de proteínas. Todas las cadenas son parciales, ya que se integran para formar un orgánulo similar en todos los individuos. Hay 2 tipos: eucariota y procariota. Es el más abundante: 80% del ARN.
• ARNt: transporta aminoácidos desde el citoplasma hasta los ribosomas, donde participan en la síntesis de proteínas. Cada aminoácido es transportado por un ARNt específico. Los ARNt cambian según la secuencia del anticodón (secuencia de 3 bases N). Estructura compleja con fragmentos de doble cadena. Tiene 2 extremos op: anticodón y codón (extremo 3'), que tiene secuencia CCA y forma el punto donde se une el aminoácido que se transporta. Forma el 10% del ARN.

Membrana celular

Estructura que limita la célula del medio exterior. Tiene la misma estructura en todas las células. Antes, el MET aparecía como 2 bandas oscuras y una clara, con un espesor de 7,5 nm. Esta organización se llama unidad de membrana.

La estructura trilaminar se corresponde con una bicapa lipídica con proteínas embebidas. Los lípidos se disponen en una bicapa lipídica con las zonas hidrófilas (cabezas polares) hacia fuera, mientras que las zonas hidrófobas (ácidos grasos) están hacia dentro. Tienen una cara externa y otra interna. Las proteínas pueden estar asociadas a la cara interna o externa o ser transmembranales.

Composición

Aproximadamente 40% lípidos y 60% proteínas.

• Lípidos: fosfolípidos: los más abundantes. Tienen una zona hidrófila que forma las cabezas polares y una zona hidrófoba que forma la cola apolar. Tienen carácter anfipático.
• Glucolípidos: son fosfolípidos con oligosacáridos. En células animales son derivados de esfingolípidos y en vegetales y bacterias derivan de fosfoglicéridos. Están en la cara externa.
• Esteroles: derivados del colesterol, presentes en la membrana plasmática de células eucariotas. No suelen aparecer en bacterias.
• Proteínas integrales: se asocian a la membrana mediante enlaces hidrófobos. Solo pueden separarse de la membrana si se destruye la bicapa. Hay proteínas transmembranales, exteriores e interiores. Algunas tienen hidratos de carbono unidos a ellas que están en el exterior.
• Proteínas periféricas: unidas a la membrana por enlaces iónicos y se separan con facilidad. Están en la cara interna (membranas asimétricas).

Modelos de membrana

Debido a la imposibilidad de ver directamente la estructura de la membrana celular se propusieron varios modelos:

• Modelo de sándwich de Davson y Danielli (1935): las proteínas se encuentran asociadas a grupos polares de la bicapa lipídica, recubriéndola por dentro y por fuera. La bicapa estaría atravesada por múltiples canales.
• Modelo de Sjöstrand y Elvin (1964): la capa externa era la verdadera membrana citoplasmática y la interna era diferente y no era membrana citoplasmática. Formaba estructuras lipídicas globulares con proteínas asociadas a zonas hidrófilas.
• Modelo del mosaico fluido de Singer y Nicholson (1972): la membrana no es rígida sino fluida. Permitía el movimiento de sus componentes, tanto lípidos como proteínas. Es el modelo actual. Según este modelo, lípidos y proteínas tienen carácter anfipático, por lo que unos y otros pueden estar mezclados y embebidos en la bicapa, dotando a la estructura de fluidez, que dependerá de los siguientes factores:
  • Saturación de los ácidos grasos de los lípidos de membrana: a más saturación, menos fluidez, ya que aumenta la rigidez y disminuye la movilidad.
  • Longitud de las cadenas de ácidos grasos en los lípidos: a más longitud, menos movilidad.
  • Temperatura: a más temperatura, más fluidez y viceversa, siempre que la temperatura esté por encima del punto de fusión del lípido de membrana.
  • Proporción de colesterol: a más colesterol, más rigidez y menos flexibilidad y fluidez. El colesterol está en células eucariotas y raramente en procariotas sin pared celular.

Funciones de la membrana celular

Actúa como barrera selectiva de sustancias, producción y control de gradientes electroquímicos, intercambio de señales, división celular, inmunidad celular (se localizan moléculas con propiedades antigénicas relacionadas con el rechazo en transplantes), endocitosis y exocitosis: captación de partículas (endocitosis) y secreción de sustancias al exterior (exocitosis).

Transporte de moléculas

Las membranas son selectivamente permeables o semipermeables, ya que permiten el paso de determinadas moléculas o iones y restringen el de otros:

• Algunas moléculas no polares de pequeño tamaño y moléculas polares sin carga o solubles en lípidos pueden atravesarla.
• Las moléculas con carga como ácidos orgánicos, aminoácidos y otros iones no pueden atravesarla y utilizan proteínas de transporte.

Transporte pasivo

Transporte de sustancias a favor del gradiente (de concentración o carga) y no requiere energía.

• Difusión simple: las moléculas atraviesan directamente la membrana o a través de proteínas de canal que permiten el paso de moléculas polares e iones a una velocidad superior a su difusión a través de la membrana.
• Difusión facilitada: mediante proteínas transportadoras, capaces de trasladar moléculas polares o iones. Puede producirse el transporte de una sustancia en un sentido determinado o de 2 sustancias distintas en el mismo sentido u opuesto.

Transporte activo

Transporte de sustancias en contra del gradiente electroquímico, por lo que se requiere un gasto de ATP. La sustancia transportada se une a la proteína transportadora y es liberada en el interior de la célula sin sufrir modificación química (característico de bacterias; se transfieren al interior de la célula moléculas energéticas como glucosa).

Transporte de grandes moléculas y partículas: mediante endocitosis y fagocitosis.

Diferenciaciones de membrana

• Microvellosidades: prolongaciones características de ciertas células animales, tienen filamentos de actina y otras proteínas que las conectan. Son la superficie de intercambio y su membrana tiene enzimas y sistemas de transporte implicados en la digestión.
• Estereocilios: microvellosidades del oído interno reforzadas por microfilamentos de actina. Las vibraciones del sonido provocan movimientos en los estereocilios, que son convertidos en señales eléctricas que se transmitirán hasta el cerebro.
• Invaginaciones: repliegues de la membrana hacia el interior.
• Uniones intercelulares:
  • De adherencia: unen las células entre sí.
  • Impermeables: la membrana de las células se unen herméticamente para impedir el paso de sustancias a través de los espacios celulares.
  • Uniones comunicantes: mediante grupos de canales proteicos, permiten el paso de moléculas pequeñas y de impulsos eléctricos. Intervienen en la transmisión del impulso nervioso.