Estructura y función de las proteínas

Estructura y función de las proteínas

Funciones biológicas de las proteínas

• Las proteínas son de "primera importancia" y cruciales en procesos biológicos.
• Son polímeros de aminoácidos.
• Funciones:
  • Enzimas: Catalizadores biológicos.
  • Anticuerpos: Proteínas de defensa.
  • Proteínas de transporte.
  • Proteínas reguladoras.
  • Proteínas estructurales.
  • Proteínas de movimiento.
  • Proteínas nutritivas.

Estructura de las proteínas: α-aminoácidos

• Contienen tanto un grupo amino como un grupo ácido.
• Cientos se forman natural y sintéticamente.
• 20 son comunes en la naturaleza; estos son α-aminoácidos, donde el grupo amino está adyacente al grupo carboxilato.
• 19 de los 20 son estereoisómeros.

Aminoácidos

• Unidos a un carbono α:
  • Grupo carboxilato.
  • Grupo amino protonado.
• A pH fisiológico:
  • Grupo carboxilo en –COO⁻.
  • Grupo amino en –NH₃⁺.
  • La molécula neutra con igual número de cargas positivas y negativas es un zwitterión.

Zwitteriones

• Los aminoácidos son sólidos cristalinos blancos con altos puntos de fusión y alta solubilidad en agua.
• La transferencia interna de protones entre el grupo amino básico y el ácido carboxílico conduce a la formación de zwitteriones.
• El pH puede afectar la carga neta de los zwitteriones.
• El punto isoeléctrico es el pH en el que no hay carga neta en los zwitteriones.

Estereoisómeros de aminoácidos

• El carbono α de los aminoácidos es quiral, excepto la glicina.
• La configuración de aminoácidos aislada de proteínas es L-.

Clases de aminoácidos

• Las diferencias entre aminoácidos dependen de sus grupos R de cadena lateral.
  • Hidrofóbicos.
  • Hidrofílicos:
    • Polares y neutros: alta afinidad por el agua, no iónicos a pH 7.
    • Cargados negativamente: grupos carboxilo ionizados en sus cadenas laterales.
    • Cargados positivamente: básicos, reaccionan con el agua liberando un anión hidróxido.

Nombres de aminoácidos comunes

• Alanina (Ala, A)
• Arginina (Arg, R)
• Asparagina (Asn, N)
• Aspartato (Asp, D)
• Cisteína (Cys, C)
• Glutamato (Glu, E)
• Glutamina (Gln, Q)
• Glicina (Gly, G)
• Histidina (His, H)
• Isoleucina (Ile, I)
• Leucina (Leu, L)
• Lisina (Lys, K)
• Metionina (Met, M)
• Fenilalanina (Phe, F)
• Prolina (Pro, P)
• Serina (Ser, S)
• Treonina (Thr, T)
• Triptófano (Trp, W)
• Tirosina (Tyr, Y)
• Valina (Val, V)

Aminoácidos hidrofóbicos

• Glicina (Gly)
• Alanina (Ala)
• Valina (Val)
• Leucina (Leu)
• Isoleucina (Ile)
• Fenilalanina (Phe)
• Prolina (Pro)
• Triptófano (Trp)
• Metionina (Met)

Aminoácidos neutros polares

• Serina (Ser)
• Treonina (Thr)
• Tirosina (Tyr)
• Cisteína (Cys)
• Asparagina (Asn)
• Glutamina (Gln)

Aminoácidos cargados

• Negativamente:
  • Aspartato (Asp)
  • Glutamato (Glu)
• Positivamente:
  • Lisina (Lys)
  • Arginina (Arg)
  • Histidina (His)

El enlace peptídico

• Las proteínas son polímeros lineales de L-α-aminoácidos.
• El grupo carboxilo de un aminoácido se une al grupo amino de otro.
• El enlace es un enlace amida o enlace peptídico.
• Es una reacción de deshidratación con liberación de agua.

Dipéptidos

• La condensación de dos aminoácidos produce un dipéptido.
• El aminoácidoamino terminal (N-terminal) tiene un grupo α-NH₃⁺ libre.
• El aminoácido carboxilo terminal (C-terminal) tiene un grupo –COO⁻ libre.
• Las estructuras se escriben con el N-terminal a la izquierda.

La estructura primaria de las proteínas

• La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos de la cadena polipeptídica, resultante del enlace covalente entre los aminoácidos (enlaces peptídicos).
• Cada proteína tiene una estructura primaria diferente.

La estructura secundaria de las proteínas

• Se forma cuando la secuencia primaria del polipéptido se pliega en estructuras que se repiten regularmente.
• Resulta del enlace de hidrógeno entre los hidrógenos de amida y los oxígenos de carbonilo de los enlaces peptídicos.
• Algunas regiones no tienen una estructura secundaria definida.

α-Hélice

• Tipo más común de estructura secundaria.
• Enrollado, helicoidal.
• Características:
  • Cada amida H y O del carbonilo participan en enlaces H que bloquean la hélice.
  • El O del carbonilo se une al H de la amida a 4 aminoácidos de distancia.
  • Los enlaces H son paralelos al eje longitudinal de la hélice.
  • Hélice es diestra.
  • La distancia de repetición o el tono es de 5.4 angstroms.
  • 3.6 aminoácidos por turno.

α-Hélices

• Las proteínas fibrosas están dispuestas en una estructura secundaria de fibras o láminas con solo 1 tipo de estructura secundaria.
• Enrollamiento repetido de hélices.

β-plegada

• La segunda estructura secundaria más común.
• Todo el O del carbonilo y el H de la amida están involucrados en los enlaces H con la cadena casi completamente extendida.
• Dos posibles orientaciones:
  • Paralelo: extremos N enfrentados.
  • Antiparalelo: extremo N de una cadena alineado con el extremo C de la otra.

Estructura terciaria

• Es la estructura tridimensional de todo el péptido.
• Se forma espontáneamente y se mantiene mediante interacciones entre las cadenas laterales o grupos R.
• Define la función biológica de las proteínas.

Tipos de interacciones que mantienen la estructura terciaria

• Puentes disulfuro entre dos residuos de cisteína.
• Puentes salinos entre cadenas laterales iónicas –COO⁻ y –NH₃⁺
• Enlaces de hidrógeno entre cadenas laterales de residuos polares.
• Interacciones hidrofóbicas: atracción mutua entre grupos no polares, impulsada por la repulsión del agua.

Estructura cuaternaria

• Es la disposición de subunidades o péptidos que forman una proteína más grande.
• Subunidad: cadena polipeptídica con estructura primaria, secundaria y terciaria.
• Se mantiene por las mismas fuerzas que la estructura terciaria.

Proteínas que requieren grupos protésicos

• Nucleoproteína: Ácidos nucleicos (ej. Virus).
• Lipoproteína: Lípidos (ej. Lipoproteínas séricas).
• Glucoproteína: Carbohidratos (ej. Mucina en saliva).
• Fosfoproteína: Grupos fosfato (ej. Caseína en leche).
• Hemoproteína: Hemo (ej. Hemoglobina, citocromos).
• Metaloproteína: Hierro, zinc (ej. Ferritina, hemoglobina).

Descripción general de la estructura y función de las proteínas

1. Estructura primaria:

   • Secuencia de aminoácidos.
   • Resulta de la formación de enlaces peptídicos covalentes entre aminoácidos.

2. Estructura secundaria:

   • α-hélice y β-plegada.
   • Enlace de hidrógeno entre hidrógenos de amida y oxígenos de carbonilo de los enlaces peptídicos.

3. Estructura terciaria:

   • Plegado general de toda la cadena polipeptídica.
   • Interacciones entre diferentes cadenas laterales de aminoácidos.

4. Estructura cuaternaria:

   • Disposición topológica y espacial de dos o más cadenas polipeptídicas.
   • Implica puentes disulfuro e interacciones no covalentes.

Las funciones de las proteínas siguen la forma

• Proteínas fibrosas:
  • Fuerza mecánica.
  • Componentes estructurales.
  • Movimiento.
• Proteínas globulares:
  • Transporte.
  • Regulación.
  • Enzimas.

Mioglobina y hemoglobina

• La hemoglobina es la proteína transportadora de oxígeno de los animales superiores.
• La mioglobina es la proteína que almacena oxígeno en el músculo esquelético.
• El oxígeno se transfiere de la hemoglobina a la mioglobina debido a la mayor afinidad de la mioglobina por el oxígeno.

Unión de grupo hemo y oxígeno

• El grupo hemo es un componente esencial de las proteínas hemoglobina y mioglobina.
• El ion $Fe^{2+}$ en el grupo hemo es el sitio de unión del oxígeno.
• Cada hemoglobina contiene un grupo hemo que puede contener 1 molécula de oxígeno.

Variantes de hemoglobina

• Un feto tiene un tipo único de hemoglobina con una afinidad ligeramente mayor por el oxígeno.
• La hemoglobina falciforme causa que los glóbulos rojos aparezcan alterados.

Proteínas en la sangre

• El plasma sanguíneo contiene 60-80 g/L de proteínas, separadas en 5 clases (α hasta γ).
• La albúmina es la más abundante, una molécula transportadora inespecífica de metabolitos poco solubles como la bilirrubina, el $Ca^{2+}$ y los ácidos grasos.
• Las α-globulinas incluyen glicoproteínas, lipoproteínas de alta y muy baja densidad, ceruloplasmina y protrombina.
• Las β-globulinas incluyen transferrina y lipoproteínas de baja densidad.

Proteínas en la sangre (continuación)

• El fibrinógeno, implicado en la coagulación de la sangre, constituye el 7% de las proteínas plasmáticas.
• Las γ-globulinas son sintetizadas por los linfocitos B.
• La mayoría de las proteínas plasmáticas restantes se sintetizan en el hígado.
• La reducción de las cantidades de una o más proteínas plasmáticas es una característica distintiva de la enfermedad hepática.

Desnaturalización de proteínas

• Temperaturas y pH extremos afectan drásticamente la conformación de las proteínas.
• Desnaturalización: pérdida de la estructura organizada de una proteína globular, sin alterar la estructura primaria.

Desnaturalización versus hidrólisis

• La estructura y la forma tridimensional son importantes en la actividad, por lo que las proteínas son susceptibles a cambios en las condiciones.
• Hidrólisis: descomposición en péptidos o aminoácidos más pequeños.
  • Cambios en el pH
  • Enzimas
  • Temperatura
• Desnaturalización: romper la forma tridimensional.
  • Temperatura
  • Metales pesados
  • Detergentes
  • Disolventes orgánicos
  • Estrés mecánico

El efecto de la temperatura sobre las proteínas

• A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad de movimiento molecular.
• A temperaturas aún más altas, los enlaces vibran más violentamente.
• Los enlaces de hidrógeno más débiles y las interacciones hidrofóbicas se rompen, desorganizando la conformación tridimensional.

El efecto del pH sobre las proteínas

• Cambios drásticos en el pH alteran la carga de la proteína.
• Esto interfiere con los puentes salinos y los enlaces de hidrógeno que estabilizan la estructura terciaria.

Otros agentes de desnaturalización

• Disolventes orgánicos
• Detergentes
• Metales pesados (Hg2+ y Pb2+)
• Estrés mecánico

Proteínas dietéticas y digestión de proteínas

• Propósitos dietéticos:
  • Oxidación para proporcionar energía.
  • Utilización de aminoácidos liberados por hidrólisis en la biosíntesis.
  • Aminoácidos esenciales: el cuerpo no puede producirlos.

Aminoácidos esenciales y no esenciales

• Esenciales: Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina, Fenilalanina, Treonina, Triptófano, Valina, Histidina (para infantes).
• No esenciales: Alanina, Arginina, Asparagina, Aspartato, Cisteína, Glutamato, Glutamina, Glicina, Prolina, Serina, Tirosina.