ProteínasProteínas

Estructurasst uctu as

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Conceptos generalesConceptos generales

Las proteínas desempeñan papeles cruciales enprácticamente todos los procesos biológicos. El alcancede sus funciones es enorme, por un lado, forman parte dela estructura básica de los tejidos (músculos, tendones,piel, uñas, etc.) y, por otro, desempeñan funcionesmetabólicas y reguladoras (asimilación de nutrientes,transporte de o ígeno de grasas en la sangretransporte de oxígeno y de grasas en la sangre,inactivación de materiales tóxicos o peligrosos, etc.).

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Clasificación de las proteínasClasificación de las proteínasSegún su forma:g

Fibrosas: presentan cadenas polipeptídicas largas yuna atípica estructura secundaria Son insolubles enuna atípica estructura secundaria. Son insolubles enagua. Algunos ejemplos de estas son la queratina ycolágeno.

Globulares: se caracterizan por doblar sus cadenasen una forma esférica apretada o compacta. Sonp psolubles en agua. La mayoría de las enzimas,anticuerpos, algunas hormonas, proteínas detransporte, son ejemplo de proteínas globulares.

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t a spo te, so eje p o de p ote as g obu a es

Según su composición química:g p q

Simples o holoproteínas, su hidrólisis sólo produceaminoácidos Ejemplos de estas son la insulina y elaminoácidos. Ejemplos de estas son la insulina y elcolágeno.

Conjugadas o heteroproteínas, su hidrólisis produceaminoácidos y otras sustancias no proteicas llamadogrupo prostético.g p p

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El grupo prostético puede ser un ion metálico og p p pmoléculas orgánicas pequeñas, el cuál clasifica a lasproteínas conjugadas, por ejemplo:

Glucoproteínas contiene glúcidos un oligosacarido unidoGlucoproteínas, contiene glúcidos, un oligosacarido unidocovalentemente a la proteína (inmunoglobulina G)Lipoproteínas, contiene lípidos, generalmente un ácidograso (LDL y HDL)Fosfoproteínas, contiene al ácido fosfórico (Caseína)Nucleoproteínas contiene un ácido nucleico (Histona)Nucleoproteínas, contiene un ácido nucleico (Histona)

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Estructura de una proteínaEstructura de una proteínaLa estructura de una proteína es muy compleja, razón porp y p j pla cual resulta conveniente describirla en distintos nivelesde organización.

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1.- Estructura primaria1. Estructura primariaLa estructura primaria

d l icorresponde a la secuenciadefinida de los residuos deaminoácidos presentes en laproteína.proteína.Nos indica qué aminoácidoscomponen la cadenapolipeptídica y el orden en quedi h i á iddichos aminoácidos seencuentran.El orden de aminoácidosinfluye en la conformación finalinfluye en la conformación finaly, en consecuencia, en lafunción y especificidad de laproteína.

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Para mayor comprensión de la estructura primaria, se debe teneren cuenta los siguientes hechosen cuenta los siguientes hechos.

a) Los cuatro átomos directamente vinculados al enlacepeptídico (O, C, N e H) se encuentran en el mismo plano, aligual que los carbono α unidos al carbono y al nitrógeno del

l id El l tídi lenlace amida. El enlace peptídico es coplanar.

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b) Cada enlace peptídico tiene carácter parcial de doble enlace yd libno puede rotar libremente.

c) El oxígeno carbonilo (C=O) tiene carga parcial negativa y elnitrógeno amidico (N-H) carga parcial positiva, lo que da lugar a unpequeño dipolo eléctricopequeño dipolo eléctrico.

C N

O CH3

C N+O- CH3

HCH3HCH3

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d) Los átomos de oxígeno e hidrógeno de cada enlace peptídicose encuentran en disposición trans.

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e) La rotación es libre en los enlaces Cα-C y N-Cα. Los ángulos derotación de los enlaces se denominan por convención ψ (psi) para elenlace Cα-C y φ (phi) para el enlace N-Cα.

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f) Cada enlace peptídico en relación con el siguiente guardan unasuerte de disposición preferentemente trans.g) Las cadenas laterales ( R) de cada aminoácido, guardan unadisposición preferentemente trans una con la otra.

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h) Toda proteína posee un extremo amino terminal y un extremocarboxilo terminal.

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2.- Estructura secundaria2. Estructura secundariaLos aminoácidos, a medida que van siendo enlazadosdurante la síntesis de proteínas y gracias a la capacidadde giro, adquieren una disposición espacial estable yregular, la estructura secundaria.

La estructura secundaria corresponde a un plegamientoregular local de la proteína.

Existen unas pocas clases básicas de estructurassecundarias, siendo las más comunes:,

a) La forma α-héliceb) La forma β-plegada

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a) Estructura α -hélicea) Estructura α héliceSe produce cuando la cadenappolipeptídica gira sobre si mismaoriginando un cilindro donde losenlaces peptídicos se unen por fuerzasenlaces peptídicos se unen por fuerzasde atracción del tipo puente dehidrogeno a otro enlace peptídico. Deesta forma se producen enrollamientoesta forma se producen enrollamientohelicoidales en los que la cadenalateral de los aminoácidos seproyectan hacia el exterior de la héliceproyectan hacia el exterior de la hélice.

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α -hélice

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Restricciones a la estabilidad de la α-hélice:

Repulsión o atracción electrostática entre

Restricciones a la estabilidad de la α hélice:

Repulsión o atracción electrostática entrecadenas laterales próximas.Efecto estérico de tamaño.Efecto ProlinaInteracciones entre los aminoácidos de losInteracciones entre los aminoácidos de losextremos de la hélice y el dipolo eléctricoinherente a esta estructura

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b) Estructura β -plegadab) Estructura β plegada

Corresponde a un pliegue enp p gforma de zigzag de maneraque se establecen fuerzas deatracción del tipo puente deatracción del tipo puente dehidrógeno entre los enlacespeptídicos de formatransversal que pueden sertransversal, que pueden serintracatenarios, es decir,entre residuos de la mismacadena polipeptídica o biencadena polipeptídica, o bienintercatenarios, es decir,entre residuos de cadenaspolipeptídicas distintas

Hoja β -plegada

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polipeptídicas distintas.

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β plegadaβ -plegada antiparalela

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β plegadaβ -plegada paralela

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Las interacciones adicionales que seLas interacciones adicionales que seproducen entre las cadenas laterales de losaminoácidos pueden estabilizar odesestabilizar la estructura β-plegada.Cuando dos o más hojas plegadas paralela oantiparalelas se encuentran densamenteempaquetadas en una proteína, los grupos Rde las superficies de contacto deben serde las superficies de contacto deben serrelativamente pequeños para permitir elempaquetamientoempaquetamiento.

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Características de las dos formas de estructuras secundarias más comunes

α hélice hoja β plegadaα-hélice hoja β-plegada• La hélice es de tipo 3,6 r13 y dextrogira.• El esqueleto es compacto.• Se estabiliza por una interacción intermolecular

puente de hidrógeno entre los enlaces

• El esqueleto se encuentra extendida en zig-zag.• Se estabiliza por una interacción intermolecular

puente de hidrógeno entre los enlaces peptídicosde forma transversal que pueden serpuente de hidrógeno entre los enlaces

peptídicos, de tal manera que cada oxigenocarbonilo del residuo n, esta unido por puentede hidrogeno al nitrógeno amida del residuon+4, en dirección N → C terminal. Por lo

h d hid d 4

de forma transversal, que pueden serintracatenarios, es decir, entre residuos de lamisma cadena polipeptídica, o bienintercatenarios, es decir, entre residuos decadenas polipeptídicas distintas.L R d l d l l ltanto, hay un puente de hidrogeno cada 4

enlaces peptídicos• Los puentes de hidrógeno intrahelicoidales son

casi paralelos al eje de la hélice con los gruposcarbonilo apuntando hacia el extremo

• Los grupos R de las cadenas laterales por logeneral son pequeños (glicina y alanina) parafavorecer el empaquetamiento denso.

• Los grupos R de las cadenas laterales de residuosde aminoácidos adyacentes sobresalen de lap

carboxilo-terminal.• Todos los grupos R quedan proyectados hacia

fuera de la hélice.• El interior de la hélice es hidrofóbica

yestructura en direcciones opuestas.

• Las cadenas polipeptídicas pueden ser paralelas(con la misma orientación amino-carboxilo en elpolipeptido) o antiparalelas (con orientacionesopuestas)

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opuestas).

3.- Estructura terciaria3. Estructura terciaria

La estructura terciaria informasobre la disposición de laestructura secundaria de unpolipéptido al plegarse sobre símisma originando unaconformación globular. Razóngpor la cual, algunos autores, amenudo, las denominanproteínas globulares.p g

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A diferencia de la estructura secundaria laA diferencia de la estructura secundaria, laestructura terciaria de la mayor parte de lasproteínas es específica de cada molécula y esdeterminante en su funcióndeterminante en su función.

Muchas proteínas globulares llevan un grupotéti lé l ñ d tprostético, moléculas pequeñas que pueden estar

enlazadas de modo covalente o no covalente a laproteína y capacitarla para que cumpla funcionesespeciales.

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El plegamiento para formar la estructura terciaria no esinmediato, primero se agrupan o combinanconformaciones α-hélice y β-plegada conformando lo quese denomina dominio, que luego se articulan para formarl t t t i i d fi itila estructura terciaria definitiva.

Dominio es una región compacta plegada localmente

Los dominios están unidos entre sí mediante una hebrade seguimientog

La mayoría de las proteínas globulares pequeñas tiendena presentar un dominio mientras que las más grandes

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a presentar un dominio, mientras que las más grandespresentan más de un dominio.

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Los residuos hidrófobos sesitúan principalmente en elinterior, mientras que losresiduos hidrófilos están en la

fi i t i t tsuperficie exterior, en contactocon el agua.

No todas las partes de lasproteínas globulares puedenclasificarse convenientementecomo hélice lamina plegada ocomo hélice, lamina plegada ogiros, a estas regiones se lesdenomina “ovillos aleatoriosEstructura terciaria de la proteína triosa

fosfato isomerasa (TPI)

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4.- Estructura cuaternaria4. Estructura cuaternariaEste nivel de organización es

i d ll t ípropio de aquellas proteínasformadas por más de una cadenapolipeptídica.

La estructura cuaternariacorresponde a agregadosespecíficos de dos o más cadenasppolipeptídicas plegadas.

Cada una de estas cadenasli tídi ib l b dpolipeptídicas recibe el nombre de

protómero o subunidad.

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Las subunidades pueden ser idénticas o muy diferentesentre si.

El número de subunidades varía desde dos como en lahexoquinasa, cuatro como en la hemoglobina, o muchoscomo la cápside del virus de la poliomielitis, que consta de60 subunidades proteicas.

La proteína más grandes, es la piruvato deshidrogenasa,que se localiza en las mitocondrias, contiene 72 cadenasq ,polipeptídicas.

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La fosfatasa alcalina totalmente funcional, mostrada abajo,contiene dos cadenas polipeptídicas, cada una con un sitioactivo capaz de hidrolizar el fosfato. Este es un ejemplo de unhomomultímero, donde ambas subunidades son idénticas.

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Las proteínas con la estructurai d biécuaternaria pueden también ser

heteromultímeros, como en elcaso de hemoglobina, cuyassubunidades no son del todosubunidades no son del todoidénticas.La hemoglobina es una proteínacon cuatro polipéptidos, dos alfa-globinas (una se muestra enblanco y la otra en verde) y dosbeta-globinas (una se muestraen azul oscuro y la otra en tonoen azul oscuro y la otra en tonopúrpura).

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Estabilización de la estructura terciaria y icuaternaria

La estabilización es responsabilidad de las fuerzas de atracción l d l l d l i á idque se generan entre las cadenas laterales de los aminoácidos

que conforman la proteína.

No Covalentes Puente de Hidrogeno y/o Van der Walls

Covalentes Puente disúlfuro

Ionicas Puente Salino

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Principalmente interacciones entre aminoácidosCARGA – CARGA oPUENTE SALINO

Principalmente interacciones entre aminoácidosácidos y básicos ionizados. Dependientes del pHdel medio

PUENTES DE HIDROGENO

Cadenas laterales dadoras o receptoras de puente-OH de Serina o Treonina-NH2 de Asparagina no ionizadoCOOH d A id Gl tá i i i d-COOH de Acido Glutámico no ionizado

-NR2 del anillo de Histidina.

FUERZAS DE VAN DER C d l t l lWAALS Cadenas laterales apolares

PUENTES DISULFURO Enlace covalente que se produce entre residuos deCisteína.

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Fuerzas de Van der Walls

--COO- +NH3-

----CH2----S----S----CH2---Puente Disúlfuro

Puente Salino

OH

OH

d idPuente de Hidrogeno

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Propiedades de las proteínasPropiedades de las proteínasDesnaturalización: Al desnaturalizarse una proteína, estapierde solubilidad en el agua y precipita se hace menos solublepierde solubilidad en el agua y precipita, se hace menos solubleo insoluble.

A la conformación fisiológicamente activa de una proteína seg pdenomina estructura nativa y es muy sensible a los cambiosque pueden ocurrir en su entorno.

La desnaturalización es un fenómeno que tiene lugarLa desnaturalización es un fenómeno que tiene lugarcuando estos cambios del entorno dan lugar a unaalteración de la estructura nativa o natural de la proteínaque provoca una pérdida de su actividad biológica, es decir,se pierde la conformación tridimensional resultando unase pierde la conformación tridimensional resultando unaestructura no nativa.

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En algunos casos las proteínasEn algunos casos, las proteínasdesnaturalizadas pueden volver a suestado original a través de unproceso llamado renaturalización.p

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AGENTES DENATURANTES DE PROTEINAS

CALOR Rompe las interacciones hidrofóbicas y los puentes dehidhidrogeno.

RADIACION DE MICROONDAS Rompe las interacciones hidrofóbicas y los puentes dehidrogeno.

RADIACION ULTRAVIOLETA Idem a las anteriores

AGITACION MECANICA VIOLENTA Provoca debilitamiento de las fuerzas de Interacción,alargando su longitud.

DETERGENTES Afecta los puentes de hidrogeno y los puentes salinos

SOLVENTES ORGÁNICOS(ETANOL, ACETONA, 2-PROPANOL)

Interfieren con los puentes de hidrogeno y lasinteracciones hidrofóbicas

ACIDOS Y BASES FUERTES Rompen puentes de hidrogeno, puentes salinos y si sup p g , p yefecto es muy prolongado puede provocar hidrólisis delenlace peptídico

SALES DE METALES PESADOS Interfieren con los puentes salinos y los puentes disulfuro

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UREA Interfiere y rompe los puentes disulfuro

Función de la proteínasFunción de la proteínasFunción ESTRUCTURAL

Al t í tit t t l lAlgunas proteínas constituyen estructuras celulares:

Ciertas glucoproteínas forman parte de las membranas celulares yactúan como receptores o facilitan el transporte de sustancias.Las histonas, forman parte de los cromosomas que regulan laexpresión de los genes.

Otras proteínas confieren elasticidad y resistencia a órganos y tejidos:p y g y j

El colágeno del tejido conjuntivo fibroso.La elastina del tejido conjuntivo elástico.La queratina de la epidermisLa queratina de la epidermis.

Las arañas y los gusanos de seda segregan fibroina para fabricar lastelas de araña y los capullos de seda, respectivamente.

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Función de TRANSPORTEEn los seres vivos son esenciales los fenómenosEn los seres vivos son esenciales los fenómenosde transporte, bien para llevar una moléculahidrofóbica a través de un medio acuoso.

Transporta de oxígeno en la sangre de losp g gvertebrados (hemoglobinaTransporte de oxígeno en la sangre en losinvertebrados (hemocianina)Transporta oxígeno en los músculos (mioglobina).T t lí id l (li t í )Transportan lípidos por la sangre (lipoproteínas)

o bien para transportar moléculas polares através de barreras hidrofóbicas

Transporte a través de la membrana plasmáticaTransportan electrones (citocromos)

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Función ENZIMATICAL t í f ióLas proteínas con funciónenzimática son las más numerosasy especializadas. Actúan comobiocatalizadores de las reaccionesquímicas del metabolismo celularquímicas del metabolismo celular.

Función CONTRACTILL ti l i i titLa actina y la miosina constituyenlas miofibrillas responsables de lacontracción muscular.La dineina está relacionada con elmovimiento de cilios y flagelomovimiento de cilios y flagelo

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Función DEFENSIVAL i l li túLas inmunoglogulinas actúan comoanticuerpos frente a posiblesantígenos.La trombina y el fibrinógenocontribuyen a la formación decontribuyen a la formación decoágulos sanguíneos para evitarhemorragias.Las mucinas tienen efecto germiciday protegen a las mucosasy protegen a las mucosas.Algunas toxinas bacterianas, como ladel botulismo, o venenos deserpientes, son proteinas fabricadascon funciones defensivas.con funciones defensivas.

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Función HORMONAL Acción hormonal en células d tAlgunas hormonas son de

naturaleza proteica, como lainsulina y el glucagón (que regulanlos niveles de glucosa en sangre)

l h d l

adyacentes

o las hormonas segregadas por lahipófisis como la del crecimiento ola adrenocorticotrópica (que regulala síntesis de corticosteroides) o lacalcitonina (que regula elcalcitonina (que regula elmetabolismo del calcio). Acción hormonal en células alejadas

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Función de RESERVAL lbú i d l l dLa ovoalbúmina de la clara dehuevo, la lactoalbúmina de laleche, la gliadina del grano detrigo y la hordeina de la cebada,constituyen la reserva deconstituyen la reserva deaminoácidos.

Función REGULADORAAlg nas proteínas reg lan laAlgunas proteínas regulan laexpresión de ciertos genes yotras regulan la división celular(como la ciclina).

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