Proteínas: Estructura, Aminoácidos y Funciones Biológicas

Características de las proteínas

Las proteínas son el grupo de moléculas orgánicas más abundantes en los seres vivos, y suponen alrededor del 50% del peso seco celular. Su importancia no radica únicamente en su abundancia, sino también en las diferentes funciones biológicas que desempeñan (moléculas estructurales, transporte de otras moléculas, movimiento, regulación hormonal), destacando su acción como catalizadores en las reacciones metabólicas necesarias para el mantenimiento de los procesos vitales.

Una característica fundamental es su especificidad: cada organismo tiene algunas proteínas exclusivas que marcan su identidad biológica.

Las proteínas son polímeros llamados polipéptidos, formados por la unión de moléculas que se llaman aminoácidos.

Aminoácidos

La hidrólisis de las proteínas libera aminoácidos, cuya unión forma cadenas polipeptídicas.

Los aminoácidos son moléculas que poseen al menos un grupo amino (-NH₂) y un grupo carboxilo (-COOH) terminal (al final), pero el grupo amino puede estar en cualquier sitio. Los aminoácidos que forman las proteínas son alfa-aminoácidos. Existen 20 aminoácidos diferentes de este tipo, que se diferencian por el grupo unido al carbono alfa, denominado R o cadena lateral.

Propiedades de los aminoácidos

Carácter anfótero: una molécula es anfótera cuando puede comportarse como ácido o base dependiendo del pH del medio en el que se encuentre. Es el caso de los aminoácidos: al tener un grupo carboxilo pueden desprender H⁺, por lo que tienen carácter ácido, pero también al tener un grupo amino son capaces de aceptar H⁺ y tener carácter básico. Son reguladores del medio.

• A pH ácido (+): los aminoácidos tienen carga neta positiva porque los H⁺ del medio son captados por el grupo -COO^-, neutralizándolo y quedando la carga del grupo -NH₃⁺.
• A pH básico: el grupo -NH₃⁺ cede un H⁺ al medio y el aminoácido queda con carga negativa.

La cadena lateral (R) puede tener grupos ionizables que participan en la carga eléctrica del aminoácido.

Punto isoeléctrico y electroforesis: es el valor de pH para el cual un aminoácido tiene carga neta 0, es decir, posee tantas cargas positivas como negativas.

Estereoisomería: como el carbono alfa es asimétrico, se consideran 2 estereoisómeros con distinta actividad óptica. Para diferenciarlos en una fórmula plana se escribe la cadena lateral (R) hacia abajo y el grupo carboxilo hacia arriba. El grupo amino (-NH₃⁺) está a la derecha para representar el estereoisómero D y a la izquierda para representar el estereoisómero L. Los aminoácidos proteicos son isómeros L, pero también se pueden encontrar D-aminoácidos en compuestos biológicos (pared bacteriana, antibióticos).

Nomenclatura y clasificación de los aminoácidos

• Aminoácidos neutros: su cadena lateral no posee grupos carboxilo ni amino, por lo que a pH neutro su carga eléctrica neta es 0.
  • Apolares: cadena lateral hidrófoba y solubilidad en agua menor (alanina, valina, leucina, glicina).
  • Polares: cadena lateral con grupos hidrófilos (OH, C=O, CHO) que permiten formar puentes de hidrógeno con moléculas polares, muy solubles en agua (serina, asparagina, glutamina).
• Aminoácidos ácidos: grupo carboxilo en la cadena lateral; a pH 7 pueden tener carga eléctrica negativa porque desprenden H⁺ (ác. aspártico y ác. glutámico).
• Aminoácidos básicos: grupo amino en la cadena lateral que, por su carácter básico, puede tomar H⁺, por lo que el aminoácido tiene carga positiva (arginina, lisina, histidina).

Según puedan ser sintetizados o no mediante reacciones metabólicas, se agrupan en:

• Aminoácidos que se pueden obtener a partir de otras moléculas.
• Aminoácidos que tienen que ser adquiridos a través de los alimentos para cada especie (triptófano, leucina, isoleucina (Ile), valina, metionina, fenilalanina (Phe), treonina (Thr), lisina (Lys)).

Enlace peptídico

El grupo carboxilo de un aminoácido puede interaccionar con el grupo amino de otro, quedando unidos ambos y liberándose en la reacción una molécula de agua. El compuesto obtenido es un dipéptido. Se trata de un proceso de condensación parecido al que tiene lugar en los monosacáridos o en la formación de los lípidos saponificables. El enlace creado entre 2 aminoácidos es de tipo amida y se llama enlace peptídico. Este enlace puede ser hidrolizado separándose los 2 aminoácidos.

El enlace peptídico se estabiliza porque los átomos de carbono, oxígeno y nitrógeno comparten electrones y así surgen 2 formas resonantes (estado electrónico intermedio de cualquier molécula). Se puede afirmar que el enlace peptídico tiene un carácter parcial de doble enlace. Esto impide efectuar transiciones alrededor del enlace peptídico, lo que determina que los átomos de carbono, oxígeno y nitrógeno se sitúen en el mismo plano (resonancia).

El dipéptido puede unirse a otro aminoácido porque continúa teniendo un grupo carboxilo y un grupo amino libres. Esta unión libera otra molécula de agua y se formaría un tripéptido. Podría seguir adicionando nuevos aminoácidos y formar tetrapéptidos, pentapéptidos… La unión de muchos aminoácidos forma un polipéptido.

Estructura de las proteínas

La actividad biológica de cualquier proteína depende de la disposición espacial de su cadena polipeptídica. Esta sufre una serie de plegamientos que la capacitan para llevar a cabo su función biológica. Sucesivos plegamientos proporcionan una complejidad extraordinaria a la estructura de las proteínas.

Estructura primaria

Todas las proteínas tienen estructura primaria: es la secuencia de aminoácidos en la cadena peptídica. El número, tipo y orden de los aminoácidos que la constituyen son distintos en cada proteína. Siempre existe un extremo con un aminoácido cuyo grupo amino está libre y otro extremo con un aminoácido con su grupo carboxilo libre. Los aminoácidos de la cadena se empiezan a numerar comenzando por el que tiene el extremo amino libre, que está a la izquierda.

La estructura primaria constituye una cadena de planos articulados: los enlaces peptídicos no pueden girar y los átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno participan en ellos y se colocan en un mismo plano (cadena en zig-zag).

Estructura secundaria

La estructura primaria sufre un plegamiento que da lugar a la estructura secundaria. Aunque la disposición de la cadena polipeptídica en el espacio puede adoptar múltiples formas, existe una conformación más estable, la que se mantiene. Este plegamiento estable es la estructura secundaria. Hay 2 tipos básicos: la alfa-hélice y la lámina plegada (lámina β). En las proteínas coexisten α y β, aunque uno de ellos puede predominar sobre el otro. Determinadas combinaciones de las 2 estructuras son tan estables que se encuentran presentes en muchas proteínas, incluso con funciones diferentes.

Estructura alfa-hélice: aludida en la alfa-queratina, proteína muy abundante en las células de la epidermis, tiene estructura helicoidal. Consiste en un plegamiento en espiral de la cadena polipeptídica sobre sí misma. Este enrollamiento sigue el sentido de giro de las agujas del reloj y tiene 3-4 aminoácidos por cada vuelta completa.

El plegamiento se mantiene estable por los puentes de hidrógeno que se establecen entre el grupo -NH- (que forma parte del enlace peptídico) de un aminoácido y el grupo -CO- (que forma parte de otro enlace peptídico). Estos enlaces son intracatenarios, porque se producen dentro de la misma cadena de la molécula. Si estos enlaces se rompen, la estructura secundaria se pierde.

Los puentes de hidrógeno se forman porque tanto el oxígeno como el H tienen cargas parciales, pero no son iónicos. Las cadenas laterales de los aminoácidos no intervienen en los enlaces y aparecen proyectadas hacia la parte externa de la alfa-hélice. Por la falta de participación de las cadenas laterales, proteínas con estructuras primarias muy diferentes pueden presentar la misma estructura secundaria. Cuando aminoácidos de cadenas laterales muy voluminosas o con cargas eléctricas del mismo signo están uno al lado del otro, la estructura se desestabiliza. En una misma proteína es posible encontrar tramos en los que la alfa-hélice está desorganizada y no se puede reconocer (en la naturaleza no son tan perfectas).

Lámina plegada: también se conoce como estructura β, porque la β-queratina (en las uñas, pelos, plumas) es un ejemplo. Este plegamiento no origina estructura helicoidal como la alfa-hélice, sino una especie de fuelle o lámina plegada en zig-zag (con picos), formada por acoplamiento de segmentos de la misma cadena polipeptídica o de diferentes cadenas, unidas entre sí por puentes de hidrógeno transversales, análogos a los que estabilizan la alfa-hélice. Las cadenas laterales de los aminoácidos se disponen de forma alternativa por encima o por debajo de esta estructura. Puede ser 1 cadena o 2. Los puentes de hidrógeno son intercatenarios (fuera de la cadena, entre distintas cadenas).

Estructura terciaria

Es la disposición espacial tridimensional. De la estructura terciaria depende la función de la proteína, por lo que cualquier cambio en la disposición de esta estructura puede provocar la pérdida de su actividad biológica. Es un conjunto de plegamientos característicos que se originan por la unión entre determinadas zonas de la cadena polipeptídica. Estas uniones se realizan mediante enlaces entre las cadenas laterales (R) de los aminoácidos, que pueden ser:

• Puentes disulfuro: forman fuertes enlaces covalentes entre 2 grupos -SH.
• Fuerzas electrostáticas: enlaces de tipo iónico entre grupos con cargas eléctricas opuestas, entre grupos R de aminoácidos ácidos (con carga negativa, -COO^-) y aminoácidos básicos (con carga positiva, -NH₃⁺).
• Puentes de hidrógeno: entre grupos polares no iónicos en los que existen cargas parciales en su cadena lateral.
• Fuerzas de Van der Waals: uniones más débiles que se producen entre aminoácidos apolares.

Existen 2 tipos de estructuras tridimensionales proteicas:

• Globulares: alto grado de plegamiento que dan lugar a estructuras con formas esferoidales (mioglobina). Tienen función transportadora, son solubles en agua y se difunden con facilidad entre las células y el líquido tisular.
• Fibrilares: el plegamiento de la cadena polipeptídica es menor, presentan formas alargadas, son insolubles en agua y en soluciones salinas están diluidas. Tienen función estructural (colágeno).

Estructura cuaternaria

Es la unión de 3 o más cadenas polipeptídicas. Una proteína formada por varias cadenas polipeptídicas se denomina subunidades proteicas. Esta estructura es la disposición relativa que adoptan las subunidades proteicas entre sí. La unión entre ellas se realiza mediante los mismos tipos de enlaces que mantienen la estructura terciaria, establecidos esta vez entre las cadenas laterales de los aminoácidos de las distintas subunidades. La hemoglobina (formada por 2 subunidades proteicas alfa y 2 beta; estos 4 enlaces le permiten transportar 4 moléculas de oxígeno) tiene esta estructura. El colágeno está formado por 3 cadenas.

Propiedades de las proteínas

• Solubilidad: las proteínas con estructura terciaria fibrilar son insolubles en agua, mientras que las que poseen estructura globular son solubles. Debido a su alta masa molecular, cuando las proteínas son solubles forman disoluciones coloidales (se distingue soluto de disolvente).
• Alteración de la estructura espacial: la función biológica de las proteínas depende de su estructura tridimensional o conformación nativa, cuando está intacta. Cualquier cambio que suponga la alteración de esta conformación (cuando se rompen los enlaces de las estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria) afecta a la funcionalidad biológica de la proteína. Este proceso se llama desnaturalización y puede ser reversible si los factores responsables han actuado con escasa intensidad y durante poco tiempo, o irreversible. Entre los factores que pueden provocar la desnaturalización proteica están las variaciones de presión y aumento de temperatura, y las variaciones de pH.
• Especificidad: las proteínas son moléculas específicas; cada especie tiene algunas proteínas que otros organismos no tienen. Este hecho tiene gran importancia porque el análisis de las semejanzas que hay entre algunas proteínas de diferentes grupos de seres vivos permite llevar a cabo estudios filogenéticos y establecer parentesco evolutivo entre especies.

Funciones biológicas de las proteínas

• Estructural: forman estructuras celulares (membranas, organelos vibrátiles, fibras contráctiles, sustancia intercelular, estructuras cutáneas, cartílago, huesos… colágeno).
• Reserva: fuente de reserva de aminoácidos, lo que permite la síntesis de proteínas, fundamentalmente durante procesos embrionarios. Abundantes en semillas de vegetales y huevos de animales (ovoalbúmina, caseína).
• Hormonal: las hormonas son sustancias químicas que regulan procesos vitales. Algunas proteínas actúan como hormonas (insulina, glucagón).
• De movimiento: actúan como elementos esenciales en el movimiento. La actina y la miosina son proteínas celulares musculares responsables de la contracción muscular (estructura fibrilar).
• Transportadora: proteínas encargadas de llevar sustancias de un lugar a otro, como la hemoglobina (gases) y la seroalbúmina (huevo); ambas proteínas están en la sangre.
• Reguladora: las proteínas de este grupo reciben el nombre de enzimas. Actúan como biocatalizadores favoreciendo las reacciones químicas que se dan en los seres vivos (catalasa, ribonucleasa).
• De defensa: algunas proteínas proporcionan la identidad molecular de los organismos vivos (antígenos), mientras que otras (anticuerpos, estructura cutánea) rechazan cualquier molécula extraña que se introduzca en ellos.

Clasificación de las proteínas

Holoproteínas

Están formadas únicamente por cadenas polipeptídicas, ya que en su hidrólisis solo se obtienen aminoácidos. Según su estructura tridimensional se dividen en:

Proteínas globulares

• Albúminas: grupo de proteínas grandes que desempeñan funciones de transporte de otras moléculas o de reserva de aminoácidos.
• Globulinas: son proteínas más grandes, con una forma globular muy perfecta (ej.: hemoglobina).
• Histonas: masa molecular baja y gran proporción de aminoácidos básicos. Están asociadas al ADN, ayudando a su empaquetamiento.

Proteínas fibrilares

• Queratina: presente en las células de la epidermis y estructuras cutáneas (pelos, plumas…). Es una proteína rica en el aminoácido cisteína (función estructural).
• Colágeno: su resistencia al estiramiento justifica su presencia en los tejidos conjuntivo, cartilaginoso y óseo (función estructural).
• Elastina: gran elasticidad; se encuentra en órganos sometidos a deformaciones reversibles (pulmones, arterias, dermis de la piel; función estructural).

Heteroproteínas

Además de las cadenas polipeptídicas, están compuestas por una parte no proteica denominada grupo prostético (glúcido, lípido, anillo de color, fosfórico, ácidos nucleicos). Según la naturaleza del grupo prostético:

• Fosfoproteínas: el grupo prostético es el ácido ortofosfórico (caseína, proteína de reserva que se encuentra en la leche).
• Glucoproteínas: grupo prostético formado por un glúcido (gammaglobulinas-anticuerpos).
• Lipoproteínas: el grupo prostético es un lípido (grasas y colesterol HDL y LDL).
• Cromoproteínas: el grupo prostético tiene una molécula compleja que posee 2 enlaces conjugados, lo que le da color.
  • Compuestos porfirínicos: grupo prostético compuesto por 1 metalporfirina, molécula formada por 4 anillos de pirrol unidos por puentes metilénicos, que origina una estructura cerrada. A los átomos de nitrógeno de los pirroles se une 1 átomo o ion metálico. Hemoglobina y mioglobina / Citocromos: llevan Fe, que les da la coloración. La hemoglobina se une al oxígeno en la sangre de los vertebrados y la mioglobina en los músculos estriados. Clorofilas: llevan Mg²⁺ para la coloración.
  • Compuestos no porfirínicos: grupo prostético también coloreado, pero no forma una metalporfirina. Rodopsina: en las células de la retina, imprescindible para realizar el proceso visual, ya que es la molécula que capta la luz.
• Nucleoproteínas: grupo prostético formado por ácidos nucleicos (cromatina, cromosomas).