Composición de los seres vivos: Proteínas

Las proteínas están formadas por la sucesión de aminoácidos (monómeros de las proteínas), que presentan un grupo amino (NH₂) y un grupo carboxilo (COOH):

Los aminoácidos se unen entre sí mediante un enlace peptídico en el cual se une en grupo carboxilo de un aminoácido y el amino de otro, lo cual implica la pérdida de una molécula de agua. Este enlace tiene carácter de doble enlace, lo que significa que no puede rotar libremente.

En la naturaleza existen unos 200 aminoácidos. De estos, sólo 20 forman las proteínas. Al mismo tiempo, de entre estos veinte, tenemos que sólo 10 de ellos son esenciales (no podemos sintetizarlos y han de ser suministrados en la dieta). A la unión de sólo unos pocos aminoácidos no se le llama proteína, sino péptido.

- CLASIFICACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS

Los aminoácidos se clasifican dependiendo de las características de su cadena lateral. De esta forma podemos tener:

1. Cadena lateral hidrófoba: Algunos de ellos son la alanina (Ala), leucina (Leu), isoleucina (Ile), valina (Val), prolina (Pro), triptófano (Trp), metionina (Met)...

Alanina

2. Cadena lateral polar sin carga a pH 7: Como la serina (Ser), treonina (thr), tirosina (Tyr), asparagina (Asn), glutamina (Gln), cisteína (Cys) o la glicocola (Gly). 

Serina

3. Cadena lateral polar con carga positiva a pH 7 o básico: Histinida (His), Lisina (Lys) y Arginina (Arg). 

Histidina

4. Cadena lateral polar con carga negativa a pH 7 o ácidos: Ácido aspártico (Asp) y Ácido Glutámico (Glu).

Ácido Glutámico

- PROPIEDADES DE LOS AMINOÁCIDOS

1. Presentan carácter anfótero. Esto significa que pueden actuar como base (captando hidrogeniones, H+) o como ácido (cediendo hidrogeniones) dependiendo del medio en el que se encuentran. 

Esto les permite actuar como tampones o soluciones buffer, que tienen como finalidad el mantener el pH del organismo constante.

2. Estereoisomería o Isomería geométrica. Debido a la presencia de centros quirales (carbonos asimétricos), existen estereoisómeros y actividad óptica. La única excepción a esto es la glicocola.

Estructura de la Glicocola

3. Debido a su carácter polar, son solubles en agua. La única excepción es la metionina

Aunque la alanina, por las característias de su cadena lateral es apolar, sí es soluble en el agua debido a las características de la molécula (su grupo carboxilo terminal está libre, lo cual le permite interactuar con el agua) 

4. Punto isoleléctrico- Es el pH al cual la carga neta del aminoácido es cero. 

Pk₁ representa el pH al cual el aminoácido pierde su primer hidrogenión. Pk₂, el pH en el que pierde el segundo. 

- CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS. Podemos clasficar a las proteínas según la composición o la estructura:

1. Clasificación según la composición

a) Homoproteínas. También llamadas proteínas simples u holoproteínas. Formadas únicamente por aminoácidos.

Estructura primaria de una homoproteína

b) Heteroproteínas. También llamadas proteínas conjugadas, están formadas por aminoácidos y un resto que no lo es, como las glucoproteínas (receptores celulares), lipoproteínas (HDL, VLDL, LDL...), nucleoproteínas (telomerasa, histonas...), cromoproteínas (hemoglobina, mioglobina...), etc.

Histonas
Ejemplo de nucleoproteínas

2. Clasificación según la estructura

a) Fibrosas. Constituidas por cadenas polipeptídicas paralelas. Son insolubles, muy resistentes y aparecen como constituyentes del tejido conjuntivo. Además, proporcionan elasticidad a los tendones y participan en la forma. Ejemplos: colágeno, queratina, elastina...

b) Globulares. Son esféricas, solubles y se encargan principalmente del transporte de sustancias, como la hemoglobina, albúmina (transporte de hormonas, drogas, fármacos, ácidos grasos...) o una inmunoglobulina (también llamada anticuerpo).

- ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

Las proteínas pueden presentar hasta cuatro tipos de estructuras:

1. Estructura primaria. Es la secuencia de aminoácidos.  

2. Estructura secundaria. Es el plegamiento de la sucesión de los aminoácidos de forma periódica (se repite sucesivamente). Puede haber varios tipos: 

a) Hélice α. Enrollamiento helicoidal. Se mantiene por la formación de puentes de hidrógeno intracatenarios (entre los átomos de una misma cadena) y las cadenas laterales están dispuestas hacia el exterior. Aparacen, por vuelta, 3'6 aminoácidos y, además, mide 5,4 Å (5,4 · 10^-10 m) de anchura. Un ejemplo es la α-queratina, responsable del pelo rizado.

b) β-hélice o de hoja plegada. Constituida por cadenas polipeptídicas paralelas, unidas entre sí por puentes de hidrógeno intercatenarios (entre diferentes cadenas peptídicas). Un ejemplo es la β-queratina, responsable del pelo liso.

Estos dos tipos de estructura secundaria son los más abundantes. En una proteína esto se ve así: 

Prión
Una proteína (PrP) inicialmente en hélice alfa (izquierda) que altera su plegamiento, transformándose en una proteína en hélice beta (PrP^SC), a la derecha.

c) Hélice Π. Enrollamiento helicoidal similar a la hélice α, pero en este caso aparecen 4,4 aminoácidos por vuelta. 

Hélice α (izquierda) y hélice Π (derecha)

d) Triple hélice de colágeno. 

La hebra de colágeno está formada por tres fibras de tropocolágeno enrolladas helicoidalmente. 

3. Estructura terciaria. Es la geometría en el espacio de la proteína (enrollamiento de la estructura secundaria). Permite que se relacionen aminoácidos que, si tenemos la sucesión lineal de los mismos, en realidad están bastante distantes. 

Se mantiene gracias a la formación de puentes de hidrógeno o de disulfuro. Además, los restos hidrófobos quedan situados hacia el interior de la estructura. 

La pérdida de esta estructura supone la pérdida de la función.

4. Estructura cuaternaria. Unión de diferentes cadenas polipeptídicas. 

Es característica de las proteínas oligoméricas, que son aquellas que están formadas por varias subunidades y que necesitan la unión de todas ellas para su correcto funcionamiento.

Un ejemplo es la hemoglobina, que presenta las siguientes características:

a) Presenta dos tipos de subunidades: la α (141 aminoácidos), y la β (146 aminoácidos). 

b) Las uniones entre subunidades diferentes son mucho más numerosas que las uniones entre subunidades similares. 

Hemoglobina
Subunidades alfa en azul; beta, en rojo. Las uniones entre las subunidades semejantes (rojo y rojo, azul y azul) son mens abundantes que las de subunidades diferentes (rojo y azul)

c) Cada subunidad contiene un grupo hemo con un átomo de Fe, implicado en el transporte del O₂.

d) La unión del O₂ es cooperativa; esto es, la unión de un O₂ favorece la unión del siguiente y así sucesivamente. 

e) Es más afín a la unión del monóxido de carbono. 

f) La afinidad hemoglobina-oxígeno depende del pH. De esta forma, en los tejidos el pH es bajo, y la afinidad también (por lo tanto, en los tejidos el oxígeno se desprende de la hemoglobina). El pH en los pulmones es elevado, al igual que la afinidad (por ello, el oxígeno se une a la hemoglobina). 

g) Existen diferentes formas de hemoglobina. La mayoritaria es la que se acaba de ver: (2α, 2β), pero hay otras como la fetal (2α, 2γ) o la minoritaria (2α, 2δ).

- CONFORMACIÓN DE LAS PROTEÍNAS.

Esto es característico de las proteínas alostéricas. La alostería es un modo de regulación de las enzimas por el que la unión de una molécula en una ubicación (sitio alostérico) modifica las condiciones de unión de otra molécula, en otra ubicación distante (sitio catalítico) de la enzima. Es decir, la unión de la molécula induce un cambio de conformación espacial de la proteína enzimática. La hemoglobina constituye un ejemplo importante de proteína alostérica: la unión de la primera molécula de oxígeno aumenta la afinida, la unión de la segunda aumenta la afinidad para la tercera, etc.  Estas proteínas presentan, por lo tanto, una configuración de baja afinidad (inicial) y una de alta afinidad (resultado de la unión de varias moléculas, en el caso de la hemolobina: de oxígeno).

Modelo secuencial
La conformación de baja afinidad, a medida que se van uniendo moléculas de sustrato, se va transformando en la conformación de alta afinidad

Otra forma de explicarlo sería el modelo simétrico, según el cual inicialmente hay un equilibrio entre la conformación de baja afinidad y la de alta afinidad, pero la unión de una molécula de sustrato hace que se desplace hacia la forma de alta afinidad.

A este cambio de la conformación se le denomina efecto homotrópico.

Efecto homotrópico en la Hemoglobina

- PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS

1. Su solubilidad depende de los aminoácidos que las forman. Las globulares, por ejemplo, sí que son solubles.

2. Las proteínas son específicas de individuo y especie. 

3. Las proteínas pueden desnaturalizarse, bien por acción de la temperatura o bien por el pH. 

Cuando se desnaturaliza, se pierden las estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria (se rompen los puentes de disulfuro y los de hidrógeno) y, por lo tanto, se pierde también la función. Sin embargo, no se pierde la estructura primaria (el enlace peptídico se mantiene). Por ello, si la desnaturalización no es severa, puede volver a naturalizarse.

Carne cruda (arriba) y carne cocida (abajo)

- FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS

1. Estructural. Son el componente mayoritario de las células. De hecho, representan el 52% de la membrana plasmática celular.

2. Enzimático. Las enzimas son proteínas que catalizan o regulan todas las reacciones químicas que tienen lugar en el organismo.

3. Energético. Sólo en caso de desnutrición. Aportan, de media, 3’6 kcal/g.

4. Contráctil. Favorecen el movimiento de los músculos, como la actina y la miosina.

Fibra muscular
Está formada por actina y miosina. Permite la contracción y estiramiento de los músculos 

5. Hormonal. Algunas hormonas (sustancias secretadas por algunas células que intervienen en otras células) son proteínas, como la insulina, encargada de regular los niveles de glucosa en el torrente sanguíneo.

Insulina
Hormona formada por 51 aminoácidos y secretada por las células beta de los islotes de Langerhans del páncreas

6. Inmunitaria. Eliminan del organismo sustancias extrañas. En un reciente estudio, se observó que, en caso de infección, se incrementa el número de adipocitos (células del tejido adiposo) en el foco de la misma infección y que éstos liberan un antimicrobiano de naturaleza peptídica llamado CAMP.

Las imágenes con tinción Gram muestran adipocitos de roedores tras la exposición a la bacteria S. aureus bacteria.
A la izda.,adipocitos normales. A la derecha, adipocitos sin CAMP (los puntos azules son bacterias) 

7. Transporte. Son encargadas del transporte de numerosas sustancia. Estas son las proteínas globulares, como la hemoglobina, la inmunoglobulina o las albúminas.

8. Venenos. Los venenos naturales son proteínas. Así nos encontramos a la Faloidina, toxina presente en setas (Amanita Phalloides), o la melitina, proteína que constituye el 50-55% de la apitoxina (veneno de las abejas).

Amanita Muscaria

El veneno de esta seta, la muscarina, contiene aminoácidos

ENZIMAS

Las enzimas son proteínas que regulan todos los procesos químicos que suceden en el organismo. Algunas están constituidas únicamente por aminoácidos, pero hay otra que tienen un resto que no lo es. Son las holoenzimas, y a la parte proteica se le llama apoenzima. 

La otra parte puede ser:

a) Cofactor. Un ión metálico unido, como el ión Mn²⁺ o el ión Mg²⁺.

b) Coenzima. Una molécula unida débilmente, como sucede con las vitaminas.

c) Grupos prostéticos. Moléculas orgánicas unidas fuertemente.

- NOMENCLATURA 

Por lo general, las enzimas reciben el nombre del sustrato sobre el que actúan terminado en -asa. Por ejemplo, la enimza ureasa metaboliza la urea. Hay, sin embargo, excepciones, como la tripsina, que actúa sobre las proteínas. Esta palabra viene del alemán "trypsin", que significa "frotar", puesto que fue descubierta por el químico alemán Kühne frotando el páncreas contra glicerina.  

Ureasa

- CLASIFICACIÓN. Las enzimas se pueden clasificar en los siguientes grupos:

a) Oxidoreductasas. Catalizan reacciones de óxido-reducción. Pueden ser, entre otros muchos grupos:

- Hidrogenasas. Catalizan reacciones en las que hay transferencia de átomos de hidrógeno.

- Óxido-reductasas. Catalizan reacciones en las que hay transferencia de electrones.

Ejemplo de hidrogenasa

b) Transferasas. Transfieren grupos diferentes al hidrógeno, como puede ser ácido fosfórico.

Ha participado la enzima quinasa, aportando un ácido forfórico (del ATP)

c) Hidrolasas. Rompen enlaces con la participación del agua

d) Liasas. Rompen enlaces sin la participación del agua. Un ejemplo sería la descarboxilasa

e) Isomerasas. Catalizan reacciones de isomerización

La alfa-D-Gluosa-6-Pi se transforma en alfa-D-Fructosa-6-Pi

f) Ligasas. Forman enlaces pero necesitan consumo de ATP.

- ESTRUCTURA DE UNA ENZIMA

Las enzimas presentan tres tipos de aminoácidos:

a) Aminoácidos estructurales, de los que depende la forma de la enzima

b) Aminoácidos de unión, implicados en la unión del sustrato, cofactores y grupos prostéticos.

c) Aminoácidos catalíticos, situados en en centro activo de la enzima e implicados en la transformación del sustrato en producto.

- MECANISMO DE ACCIÓN DE UNA ENZIMA

Toda reacción química sucede de la siguiente forma:

Cualquier reactivo tiene una energía inicial (energía interna, que es igual a la suma de la energía cinética [rotación, vibración…] y la energía potencial intermolecular [f. atracción] e intramolecular [de enlace]). 

Cuando los reactivos se ponen en contacto, las moléculas colisionan y se produce en un aumento de energía hasta que, en la denominada energía de transición, tiene lugar la reacción  química en la cual los reactivos se convierten en los productos, estabilizándose el sistema y disminuyendo la energía. A ese incremento de energía (de la inicial a la de transición) se le denomina Energía de Activación.

En presencia  de las enzimas la energía de activación disminuye (la E. Transición es menor; es decir, se necesita menos energía para que tenga lugar la reacción química), por lo que un mayor número de moléculas de reactivo pueden ser transformadas en producto. Las reacciones con enzimas son, por lo tanto, más competenetes.

Al mismo tiempo, las reacciones químicas pueden ser exotérmicas o endotérmicas. Una reacción es endotérmica si el sistema absorbe calor; es decir, si la energía inicial es menor que la energía final. Por otra parte, una reacción es exotérmica si desprende calor; es decir, si la energía final es menor que la energía inicial.

- CINÉTICA QUÍMICA

A principios del siglo XX los científicos Michaelis y Menten describieron el mecanismo de acción de la enzima con una gráfica de saturación y una ecuación que lleva su nombre.

Ecuación de Michaelis-Menden:

$$v = v_x \cdot \frac{[s]}{K_m + [s]}$$

donde V es la velocidad de la reacción, $V_x$ es la velocidad máxima; $[S]$ es la cantidad de sustrato, y $K_m$ es una constante característico de cada enzima y sustrato que representa la concentración de sustrato a la cual se alcanza $\frac{1}{2}$ de la velocidad máxima. 

Gráfica de Michaelis-Menten

Esa constante, $K_m$, se puede expresar matemáticamente de la forma: $K_m = \frac {[E] \cdot [S]}{[ES]}$, donde $[ES]$ es la concentración del complejo enzima-sustrato. Esta constante, por lo tanto, nos da información sobre la afinidad enzima-sustrato. Cuanto mayor es la afinidad enzima sustrato, menor es $K_m$ y, en consecuencia, mayor es la velocidad de la reacción. También se aplica en el sentido contrario: si la afinidad enzima-sustrato es muy pequeña, $K_m$ tiene un valor muy elevado, por lo que la velocidad de la reacción es menor. Como fácilmente se ve, la velocidad de una reacción es inversamente proporcional a $K_m$.  

Como es  lógico, llega un momento en el cual, aunque se siga añadiendo sustrato, la velocidad de la reacción no puede aumentar más. Eso es porque todos los centros activos de la enzima están ocupados en la transformación del producto; es decir, cuando toda la enzima se encuentra formando el complejo enzima-sustrato. Se dice entonces que la enzima está saturada. 

La enzima finalmente se encuentra saturada

- INHIBICIÓN ENZIMÁTICA

Ésta es la paralización temporal o permanente de la actividad enzimática. Por lo tanto, puede ser reversible (competitiva/acompetitiva/no competitiva) o irreversible. En la inhibición irreversible el inhibidor se une covalentemente a la enzima. Suelen ser venenos.

a) [Reversible] Competitiva. El inhibidor y el sustrato compiten por el mismo centro activo de la enzima. Si se une el sustrato, tiene lugar la reacción y se forma el producto. Si se une el inhibidor, la reacción es paralizada (no se forma producto). Cuanto mayor sea la cantidad de sustrato, menor probabilidad hay de que tenga lugar la inhibición.

b) [Reversible] Acompetitiva. El inhibidor y el sustrato se unen en centros activos diferentes. Al unirse el sustrato, tiene lugar un cambio conformacional en la enzima de forma que el inhibidor puede acoplarse a la misma. Por lo tanto, el sustrato del inhibidor es el complejo enzima-sustrato. Se paraliza entonces la reacción. Al incrementar el número de sustratos, aumenta el número de complejos sustrato-enzima (sustratos del inhibidor), por lo que aumenta la inhibición.

c) [Reversible] No competitiva. El inhibidor y el sustrato se unen en centros activos diferentes. Cuando se une el inhibidor, tiene lugar un cambio conformacional de la enzima, que impide la unión del sustrato. Se paraliza entonces la reacción. Esta inhibición es independiente de la cantidad de sustrato. 

- ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA

Es muy variable. Algunas tienen, como la aconitasa, una especificidad absoluta, de forma que sólo reaccionan ante una molécula (en este caso, el ácido cítrico). Otras, como la fosfatasa alcalina, sólo reaccionan ante un grupo en concreto.  Ésta rompe enlaces éster incluso sin la presencia de H₃PO_4.

El sustrato necesitan tener al menos dos requisitos: tener un enlace susceptible de ser tratado por la encima y una estructura que ésta pueda reconocer.

- SISTEMAS MULTIENZIMÁTICOS

Son un conjunto de enzimas encadenadas formando parte del mismo sistema de membrana de forma que el producto final de una es el sustrato de la siguiente. Esto presenta varias ventajas.

1. Ahorro enzimático. Al estar encadenadas, se necesitan menos enzimas para la reacción.

2. Feed-back. Los productos finales suelen actuar como inhibirdores de la enzima siguiente. Por lo tanto, los sistemas multienzimáticos presentan una autorregulación por medio de una autoalimentación.

En muchos sistemas multienzimáticos una reacción sucede de forma más lenta que las otras. Por eso, la velocidad global del sistema depende de la velocidad de ésta. Se dice entonces que es el paso limitante del sistema.

- ISOENZIMAS

Son enzimas que tienen una diferenciación en la sucesión de aminoácidos pero que catalizan el mismo sustrato. Normalmente se encuentran en diferentes tejidos (cerebro, hígado, músculo…)

- FACTORES QUE ALTERAN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

1. pH. El pH de las enzimas al cual tienen un óptimo funcionamiento es de 7. Para valores inferiores o superiores de ese valor, tiene lugar una desnaturalización que da lugar a una pérdida de la estructura y, por lo tanto, de la función.

Desnaturalización de una enzima

2. Temperatura. La temperatura incrementa la actividad enzimática. En procesos industriales, por encima de los 45ºC se produce la desnaturalización de la enzima. En el cuerpo humano es a partir de los 37ºC.

3. Las uniones a Cofactores, coenzimas y grupos prostéticos también aumentan la actividad enzimática.

4. Zimógenos. Hay algunas enzimas que son sintetizadas en su forma inactiva, pues su lugar de síntesis no coincide con su lugar de actividad, sino que debe ser transportado hasta éste. Es el caso, por ejemplo, de la tripsina. La tripsina es una enzima que actúa sobre las proteínas, y es sintetizada inactiva (tripsinógeno) en el páncreas y, posteriormente, transportada hasta del intestino, donde se activa. No es el mismo caso de la pepsina, que se sintetiza inactiva (pepsinógeno), pero en el estómago, que es donde actúa. 
Esto es así para evitar la autodigestión (el tripsinógeno, por ejemplo, tiene unos efectos muy fuertes que podrían llegar a descomponer tejidos que no tienen la protección del intestino).  

Tripsina

* Es importante señalar que a la velocidad de la reacción sólo influyen el pH, la temperatura y la concentración de sustrato.