Estructura y función de las proteínas

Las hojas ẞ y su importancia en las proteínas

Las hojas ẞ son estructuras rígidas que se encuentran en el centro de muchas proteínas.
Se forman cuando se establecen enlaces de hidrógeno entre segmentos adyacentes de una cadena polipeptídica.
Existen dos tipos de hojas ẞ:
- Hojas ẞ paralelas: Los segmentos adyacentes corren en la misma orientación (del extremo N-terminal al C-terminal).
- Hojas ẞ antiparalelas: Los segmentos adyacentes corren en direcciones opuestas.
Ambos tipos de hojas ẞ producen una estructura plegada muy rígida.
Ejemplo: La proteína de transporte bacteriana HPr contiene varias hojas ẞ.

Propiedades notables de las hojas ẞ

Confieren resistencia a la tracción a las fibras de la seda.
Forman la base de estructuras amiloides, donde las hojas ẞ se apilan en largas filas con sus cadenas laterales de aminoácidos interdigitadas.
Las estructuras amiloides pueden desempeñar un papel importante en las células, pero también pueden causar enfermedades.

Proteínas mal plegadas y estructuras amiloides en enfermedades

Cuando las proteínas se pliegan incorrectamente, pueden formar estructuras amiloides que dañan células y tejidos.
Se considera que estas estructuras contribuyen a trastornos degenerativos como el Alzheimer y la enfermedad de Huntington.
Las enfermedades neurodegenerativas infecciosas, como la scrapie en ovejas, la encefalopatía espongiforme bovina (EEB) y la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob, son causadas por proteínas mal plegadas llamadas priones.
- En un cerebro infectado, la forma priónica mal plegada puede convertir la versión correctamente plegada de la proteína en la conformación anormal.
- Los priones mal plegados forman agregados que se propagan rápidamente de célula en célula, causando la muerte del individuo afectado.
- Los priones son "infecciosos" porque pueden propagarse a través de alimentos, sangre o instrumentos quirúrgicos contaminados.

Niveles de organización de las proteínas

Estructura Primaria

La estructura de una proteína comienza con su secuencia de aminoácidos.

Estructura Secundaria

Abarca las hélices a y las hojas ẞ que se forman dentro de ciertos segmentos de la cadena polipeptídica.

Estructura Terciaria

Conformación tridimensional completa formada por una cadena polipeptídica entera, incluyendo hélices a, hojas ẞ, bucles y pliegues entre los extremos N-terminal y C-terminal.

Estructura Cuaternaria

Si la molécula proteica existe como un complejo de más de una cadena polipeptídica, estos polipéptidos interactúan para formar la estructura cuaternaria.

Dominios proteicos

Un dominio proteico es un segmento de una cadena polipeptídica que puede plegarse independientemente en una estructura compacta y estable.
Por lo general, contiene entre 40 y 350 aminoácidos.
Es la unidad modular a partir de la cual se forman muchas proteínas de mayor tamaño.
Los diferentes dominios de una proteína a menudo están asociados con diferentes funciones.

Ejemplo: Proteína activadora de catabolitos (CAP) bacteriana

Tiene dos dominios: uno pequeño que se une al DNA y uno grande que se une al AMP cíclico.
La unión del dominio grande al AMP cíclico causa un cambio conformacional en la proteína, permitiendo que el dominio pequeño se una a una secuencia específica de DNA.

Regiones no estructuradas en proteínas

Las proteínas de mayor tamaño pueden contener varios dominios conectados por segmentos relativamente cortos, no estructurados, de la cadena polipeptídica.
Estas secuencias intrínsecamente desordenadas se doblan y flexionan continuamente debido al zarandeo térmico.
Se estima que un tercio de las proteínas eucariontes poseen regiones no estructuradas más largas (más de 30 aminoácidos de longitud) en sus cadenas polipeptídicas.

Importancia de la conformación y la selección natural

En teoría, se podría formar un vasto número de cadenas polipeptídicas diferentes a partir de 20 aminoácidos distintos.
Sin embargo, las células sintetizan solo una fracción muy pequeña de este número, ya que la mayoría de las funciones biológicas dependen de proteínas con conformaciones tridimensionales bien definidas y estables.
Las proteínas funcionales deben "comportarse bien" y no establecer asociaciones no deseadas con otras proteínas de la célula.
Muchas secuencias proteicas potenciales han sido eliminadas por selección natural a través del proceso de ensayo y error que es la base de la evolución.
Gracias a la selección natural, las secuencias de aminoácidos de numerosos polipéptidos actuales han evolucionado para adoptar una conformación estable, otorgando a la proteína las propiedades químicas exactas para llevar a cabo una función particular.
Las conformaciones de muchas proteínas (y sus dominios constituyentes) son tan estables y eficaces que se han conservado durante la evolución de una diversa serie de organismos.

Familias de proteínas y serina proteasas

Una vez que una proteína ha evolucionado a una conformación estable con propiedades útiles, su estructura puede modificarse para permitirle cumplir nuevas funciones.
Muchas proteínas actuales pueden agruparse en familias de proteínas, donde cada miembro tiene una secuencia de aminoácidos y una conformación tridimensional que se parecen mucho a las de otros miembros de la familia.
Ejemplo: Las serina proteasas, una familia de enzimas que degradan proteínas (proteolíticas) y comprende las enzimas digestivas quimotripsina, tripsina y elastasa, así como varias proteasas que intervienen en la coagulación sanguínea.
La semejanza de sus conformaciones tridimensionales es aún más asombrosa, pero las diversas serina proteasas tienen actividades enzimáticas distintas.

Moléculas proteicas grandes y subunidades

El mismo tipo de enlaces no covalentes débiles que permite a una cadena polipeptídica plegarse en una conformación específica también hace posible que las proteínas se unan entre sí para formar estructuras de mayor tamaño.
Cualquier región de la superficie de una proteína que interactúa con otra molécula por medio de grupos de enlaces no covalentes se denomina sitio de unión.
Una proteína puede contener sitios de unión para diversas moléculas, grandes y pequeñas.
Si el sitio de unión reconoce la superficie de una segunda proteína, la unión estrecha de dos cadenas polipeptídicas plegadas en este sitio creará una proteína de mayor tamaño, cuya estructura cuaternaria tiene una geometría definida con precisión.
Cada cadena polipeptídica de una proteína de este tipo se denomina subunidad, y cada una de estas subunidades puede contener más de un dominio.
En el caso más simple, dos cadenas polipeptídicas plegadas, idénticas, forman un complejo simétrico de dos subunidades proteicas (denominada dímero) que se mantiene unido por interacciones entre dos sitios de unión idénticos.
Ejemplo: CAP, la proteína bacteriana analizada antes, es un dímero de este tipo.
Otras proteínas contienen dos o más cadenas polipeptídicas diferentes, como la hemoglobina.

Ensamblaje de proteínas en filamentos, hojas o esferas

Las proteínas pueden formar ensamblados aún más grandes.
La formación de una cadena de moléculas proteicas idénticas ocurre si el sitio de unión de una molécula proteica es complementario de otra región de la superficie de otra molécula proteica del mismo tipo.
Este tipo de disposición puede producir un filamento proteico extendido.
- Ejemplo: Un filamento de actina es una estructura helicoidal larga compuesta por muchas moléculas de la proteína actina.
Otros grupos de proteínas idénticas se asocian para formar tubos, como en los microtúbulos del citoesqueleto, o cubiertas esféricas semejantes a jaulas, como en las cubiertas proteicas de las partículas virales.
Muchas estructuras de gran tamaño, como los virus y los ribosomas, se forman a partir de la mezcla de uno o más tipos de proteínas con moléculas de RNA o DNA.
Toda la información necesaria para el ensamblado de la complicada estructura está contenida en las propias macromoléculas.
La mayor parte de la estructura de una célula tiene capacidad de autoorganización: si se producen las proteínas necesarias en las cantidades correctas, se formarán automáticamente las estructuras apropiadas.

Proteínas fibrosas y globulares

La mayoría de las proteínas consideradas hasta ahora son proteínas globulares, en las que la cadena polipeptídica se pliega en una forma compacta parecida a un balón de superficie irregular.
Otras proteínas desempeñan papeles en la célula que exigen que abarquen una gran distancia: proteínas fibrosas.
- Tienen una estructura tridimensional alargada relativamente simple.
Ejemplo: La a-queratina, los filamentos de queratina son sumamente estables: estructuras de vida larga, como el pelo, los cuernos y las uñas, están compuestas principalmente por esta proteína.

Colágeno y Elastina

En los tejidos animales, el colágeno es la más abundante de estas proteínas extracelulares fibrosas. La molécula de colágeno está compuesta por tres largas cadenas polipeptídicas, cada una de las cuales contiene el aminoácido no polar glicina situado cada tres posiciones.
Otra proteína de la matriz extracelular es la elastina. Las moléculas de elastina se forman a partir de cadenas polipeptídicas relativamente laxas y no estructuradas que están unidas covalentemente en una malla elástica parecida a la goma.

Estabilización de proteínas extracelulares por enlaces cruzados covalentes

Muchas moléculas proteicas están unidas a la superficie de la membrana plasmática de una célula o son secretadas como parte de la matriz extracelular, lo que las expone a condiciones extracelulares potencialmente duras.
Para ayudar a mantener sus estructuras, las cadenas polipeptídicas de estas proteínas a menudo se estabilizan mediante enlaces cruzados covalentes.

Enlaces disulfuro

Los enlaces cruzados covalentes más comunes en las proteínas son los enlaces azufre-azufre: enlaces disulfuro (también denominados enlaces S-S).
Se forman antes de que la proteína sea secretada por la acción de una enzima del retículo endoplasmático que une dos grupos -SH de las cadenas laterales de cisteína que son adyacentes en la proteína plegada.
No cambian la conformación de una proteína, sino que actúan como una especie de "grapa atómica" para reforzar su conformación más favorecida.
Por lo general, no se forman enlaces disulfuro en el citosol celular.

Cómo funcionan las proteínas: Unión y especificidad

La actividad de las proteínas depende de su capacidad de unirse específicamente con otras moléculas.
Todas las proteínas se adhieren, o unen, a otras moléculas de una manera específica. Esta unión puede ser fuerte o débil.
La unión de una proteína con otras moléculas biológicas muestra siempre gran especificidad: cada molécula proteica puede unirse solo a una o a unas pocas moléculas entre los muchos miles de diferentes moléculas con las que se encuentra.
Cualquier sustancia a la que se une una proteína se denomina ligando de esa proteína.
La capacidad de una proteína de unirse selectivamente y con alta afinidad a un ligando se debe a la formación de un grupo de enlaces no covalentes débiles sumados a interacciones hidrófobas favorables.
La región de una proteína que se asocia con un ligando, conocida como su sitio de unión, suele consistir en una cavidad en la superficie de la proteína formada por una disposición particular de las cadenas de aminoácidos.

Anticuerpos y su diversidad

Los anticuerpos son proteínas inmunoglobulinas producidas por el sistema inmunitario en respuesta a moléculas extrañas.
Cada anticuerpo se une muy estrechamente a una molécula diana particular (antígeno) y la inactiva o la marca para su destrucción.
Los seres humanos deben ser capaces de producir miles de millones de anticuerpos distintos, uno de los cuales será específico para casi cualquier antígeno imaginable.
Los anticuerpos son moléculas en forma de Y con dos sitios de unión al antígeno idénticos, formados por varios bucles de cadena polipeptídica que sobresalen de los extremos de un par de dominios proteicos estrechamente yuxtapuestos.

Enzimas como catalizadores

Las enzimas se unen a uno o más ligandos (sustratos) y los convierten en productos modificados químicamente, sin sufrir cambios ellas mismas.
Las enzimas actúan como catalizadores, permitiendo que las células formen o rompan enlaces covalentes a voluntad.
Esta catálisis enzimática de series organizadas de reacciones químicas crea y mantiene todos los componentes celulares.
Las enzimas pueden agruparse en clases funcionales sobre la base de las reacciones químicas que catalizan.
Cada tipo de enzima es muy específico, catalizando solo un tipo de reacción.
Las enzimas suelen funcionar en grupos, de manera que el producto de una enzima se convierte en el sustrato de la siguiente, resultando en una red elaborada de vías metabólicas.

Velocidad de las reacciones enzimáticas

A una baja concentración de sustrato, la cantidad de complejo enzima-sustrato dependerá solo de la concentración del sustrato.
Si la concentración de sustrato es lo bastante alta, todas las moléculas de enzima estarán ocupadas por este (Vmáx).
La afinidad de las enzimas por sus sustratos y la velocidad a la que convierten el sustrato unido en producto varían mucho.

Constante de Michaelis (KM)

Determina la concentración de sustrato a la que la enzima trabaja a la mitad de su velocidad máxima.
Una KM pequeña indica una unión muy estrecha entre el sustrato y la enzima.
Una KM grande indica una unión débil.

Lisozima como ejemplo de enzima

La lisozima corta las cadenas de polisacáridos que forman las paredes celulares de las bacterias, causando su lisis.
La reacción catalizada por la lisozima es una hidrólisis: la enzima agrega una molécula de agua a un enlace simple entre dos grupos de azúcar adyacentes de la cadena polisacárida, lo que causa la rotura del enlace.
La lisozima tiene un sitio activo que es un largo surco que aloja, al mismo tiempo, a seis de los azúcares unidos.
La lisozima mantiene su sustrato polisacárido de un modo tal que uno de los dos azúcares es distorsionado, reduciendo la energía de activación necesaria para la hidrólisis.

Inhibición de enzimas por fármacos

Muchos fármacos actúan bloqueando la actividad de una enzima particular, como las estatinas hipocolesterolemiantes o el metotrexato.
Las compañías farmacéuticas suelen desarrollar fármacos utilizando métodos automatizados para investigar bibliotecas masivas de compuestos.

Moléculas pequeñas y funciones proteicas adicionales

Las proteínas emplean pequeñas moléculas no proteicas para llevar a cabo funciones que resultarían difíciles o imposibles solo con el uso de aminoácidos.
- Ejemplo: La rodopsina detecta la luz por medio de una pequeña molécula, retinal.
Otro ejemplo es la hemoglobina, que transporta cuatro grupos hemo unidos en forma no covalente, permitiendo la unión reversible al gas oxígeno.
Algunas enzimas también utilizan moléculas no proteicas o átomos de metal estrechamente asociados con su sitio activo.
- Ejemplo: La carboxipeptidasa transporta un ion cinc estrechamente unido a su sitio activo.

Control de proteínas y regulación de enzimas

La célula controla la cantidad de proteína que contiene, la velocidad de degradación de la proteína y las actividades de las proteínas enzimáticas al restringir las proteínas participantes a determinados compartimentos subcelulares.
La actividad de una proteína individual puede ser ajustada rápidamente.
Un tipo frecuente de control se produce cuando una molécula distinta del sustrato se une específicamente a una enzima en un sitio regulador, lo que modifica la velocidad con la que la enzima convierte su sustrato en producto.

Inhibición por retroalimentación

Una enzima que actúa en pasos iniciales de una vía de reacción es inhibida por una molécula producida en pasos ulteriores de esa vía.
Donde las vías se ramifican o cruzan, suele haber múltiples puntos de control por distintos productos finales.

Regulación positiva

Una molécula reguladora estimula la actividad enzimática en lugar de inhibirla.

Enzimas alostéricas

Tienen dos o más sitios de unión que influyen entre sí.
La unión de un ligando a uno de los sitios causa un cambio en la estructura de la proteína, modificando la forma de un segundo sitio de unión.
Muchas enzimas tienen dos conformaciones que difieren en actividad, cada una de las cuales puede ser estabilizada por la unión de un ligando diferente.

Fosforilación y actividad proteica

Las células eucariontes regulan la actividad proteica mediante la unión covalente de un grupo fosfato a una o más de las cadenas laterales de los aminoácidos de la proteína.
El agregado y la eliminación de grupos fosfatos en proteínas específicas se produce, a menudo, en respuesta a señales que especifican algún cambio del estado celular.
La fosforilación proteica implica la transferencia catalizada por enzimas del grupo fosfato terminal del ATP al grupo hidroxilo de una cadena lateral de serina, treonina o tirosina de la proteína. Catalizado por una proteína cinasa. La reacción inversa es catalizada por una proteína fosfatasa.
La fosforilación puede estimular o inhibir la actividad de la proteína, dependiendo de la proteína involucrada y el sitio de fosforilación.

Proteínas de unión al GTP

Las células eucariontes regulan la actividad proteica por adición y eliminación de fosfato.
El fosfato no es transferido enzimáticamente del ATP a la proteína.
Forma parte de un nucleótido de guanina (GTP) que se une estrechamente a diversos tipos de proteínas de unión al GTP.
Estas proteínas actúan como interruptores moleculares: activas cuando se encuentran unidas al GTP, pero pueden hidrolizar este GTP a GDP y liberar a la proteína a una conformación inactiva.

Proteínas motoras e hidrólisis de ATP

Los cambios conformacionales permiten que ciertas proteínas impulsen movimientos dirigidos de las células y sus componentes.
Estas proteínas motoras generan las fuerzas responsables de la contracción muscular y de la mayor parte de los otros movimientos de las células eucariontes.
En la mayoría de las proteínas capaces de desplazarse en una sola dirección por grandes distancias, la irreversibilidad de los cambios se logra mediante el acoplamiento de uno de los cambios conformacionales a la hidrólisis de una molécula de ATP unida estrechamente a la proteína.

Maquinarias proteicas y andamiajes

Tareas más complejas llevadas a cabo por grandes ensamblados proteicos formados a partir de numerosas moléculas proteicas.
Las proteinas de andamiaje, son moléculas grandes que contienen sitios de unión reconocidos por múltiples proteínas.
Las proteínas involucradas en la replicación del DNA, la transcripción de genes, la reparación del DNA y la síntesis de proteínas forman maquinarias proteicas que llevan a cabo estas tareas complejas y cruciales con gran eficacia.
Los condensados intracelulares concentran
un determinado grupo de macromoléculas, esto crea regiones con una bioquímica
especial sin recurrir a una membrana
encapsulante.

Técnicas para estudiar proteínas

Aislamiento y purificación

Las proteínas pueden ser purificadas a partir de células o tejidos.
Ya sea que se comience con un fragmento de hígado o una cuba de bacterias, levadura o células animales que han sido genomanipuladas para producir una proteína de interés, el primer paso de cualquier procedimiento de purificación implica romper las células para liberar su contenido (homogeneizado).
El siguiente paso a purificar la proteina a través de una serie de pasos de cromatografia, que utilizan diferentes materiales para separar los componentes individuales de una mezcla compleja en porciones, en función de las propiedades de la proteína.
La cromatografía de afinidad separa los polipéptidos en función de su capacidad de unirse a una molécula particular.
En la electroforesis, se carga una mezcla de proteínas sobre un gel de polímero y se la somete a un campo eléctrico.

Determinación de la estructura

Con espectrometría de masas - determina la masa exacta de cada fragmento peptídico lo que permite identificar
la proteina a partir de una base de datos.
La forma predominante de establecer el patrón de plegamiento es mediante: cristalografía de rayos X; espectroscopia de resonancia magnética (RM); criomicroscopia electrónica (crio-ME).

Ingeniería genética y producción a gran escala

Los avances en las técnicas de ingeniería genética hacen posible la producción de grandes cantidades de casi cualquier proteína deseada por bacterias, levaduras y células de mamífero cultivadas. Por ejemplo las vacunas, los farmacos…etc

Relaciones de parentesco entre proteínas

La comparación de las secuencias de aminoácidos de todas estas proteínas revela que la mayoría pertenece a familias proteicas que comparten "patrones de secuencia" específicos: segmentos de aminoácidos que se pliegan en distintos dominios estructurales.
En muchas familias de dominio único, se conoce la estructura de, por lo menos, un miembro de la familia.
Un objetivo futuro es observar la secuencia de aminoácidos de una proteína y poder deducir su estructura y obtener información de su función.