PROTEÍNAS

1. PROTEÍNASIntroducciónAminoácidosEstructura tridimensional de las proteínasProteínas conjugadasPropiedadesFunciones

2. ENZIMASIntroducciónEstructuraClasificaciónMecanismo de acciónCinéticaInhibiciónRegulaciónVitaminas como coenzimas

1. PROTEÍNAS

1.1. INTRODUCCIÓN

1.1.1. CaracterísticasMoléculas que contienen C, O, H y N, y la mayoría también S. A veces otros elementos (P,FE, Cu, Zn, I…)Son polímeros de compuestos sencillos, los aminoácidos, con pesos moleculares muyaltos. Estos polímeros se llaman polipéptidos.Son moléculas específicas de cada ser vivo, ya que se fabrican como resultado de laexpresión de los genes.

1.1.2. Clasificación­ Holoproteínas o proteínas simples: compuestas solamente por aminoácidos

Proteínas globularesProteínas filamentosas

­ Heteroproteínas o proteínas conjugadas: tienen una porción no aminoacídica

Porción no aminoacídica: Grupo prostéticoPorción aminoacídica: Grupo proteico

CromoproteínasGlucoproteínasLipoproteínasFosfoproteínasNucleoproteínas

1.2. AMINOÁCIDOS

Moléculas que contienen un grupo carboxilo y un grupo amino.Difieren en el radical R. Sólo 20 aminoácidos constituyen las proteínas.

El carbono del carboxilo es el C1; el carbono que lleva el grupo amino es el C2 o Cα.

1.2.1. Clasificación­ Basada en la polaridad de los grupos R

No polar o hidrofóbico: Ala, Leu, Ile, Val, Pro, Phe, Trp, MetPolar sin carga: Ser, Thr, Tyr, Asn, Gln, Cys, GlyPolar con carga +: Lys, ARg, HisPolar con carga ­: Asp, Glu

­ Basada en la estructura del grupo RAlifáticos: el grupo R es una cadena lineal o ramificada

Neutros: Gly, Ala, Val, Leu, Ser, Thr, Cys, Met, IleÁcidos: Asp, GluBásicos: Lys, Arg, Asn, Gln

Aromáticos: el grupo R contiene el anillo benceno. Phe, Tyr

Heterocíclicos: el grupo R contiene un ciclo en el que no todos los vértices estánocupados por átomos de carbono Pro, Trp, His

1.2.2. Propiedades ácido­básicasLos aminoácidos cristalizan a partir de disoluciones acuosas neutras en forma de ionesdipolares, llamados también iones híbridos, no como moléculas disociadas. A ello sedeben sus puntos de fusión o descomposición altos y sus constantes dieléctricas.La forma dipolar, en un medio ácido, capta protones y se comporta como una base y en un medio básico libera protones y se comporta como un ácido.Estas sustancias se llaman anfóteras.El pH en el cual el aminoácido tiende a adoptar una forma dipolar neutra, con tantas cargas positivas como negativas, se denomina punto isoeléctrico.El carácter anfótero de los aminoácidos permite la regulación del pH, ya que se comporta como un ácido o como una base según le convenga al organismo.

1.2.3. EstereoquímicaExcepto la glicina, todos los aminoácidos muestran actividad óptica.El Cα es asimétrico, son por tanto compuestos quirales. Pueden ser dextro o levorrotatorios.La configuración D o L se establece tomando como referencia el gliceraldhído. Los aminoácidos de la naturaleza son formas L.

1.2.4. Enlace peptídicoEnlace covalente que une dos aminoácidos, entre el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxilo de otro.

El enlace peptídico es un enlace muy resistente y estable y además es rígido que no permite la rotación. Tiene características de doble enlace. Impone restricciones acerca del número de conformaciones que puede adoptar la cadena proteica.

Todos los átomos del dipéptido quedan en un plano, excepto los radicales, que se disponen por encima y por debajo del plano.

1.3. ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL

1.3.1. Estructura primariaCorresponde a la secuencia de aminoácidos que componen la proteína. La secuenciaviene determinada por el código genético. El extremo NH2 marca el aminoácido nº 1.Cambios en la secuencia determinarán cambios en los siguientes niveles estructurales.

1.3.2. Estructura secundariaOrdenación en el espacio de las cadenas polipeptídicas a lo largo de una dirección.

­ Hélice αEstructura helicoidal con 3.6 aminoácidos por vuelta. Los grupos r se proyectan hacia elexterior de la hélice. Se forman enlaces de hidrógeno intracatenarios entre vueltasconsecutivas ­N­H...O=CLa hélice más estable se arrolla en sentido dextro.Ejemplo de proteína con estructura de hélice α: Queratina

­Hélice de colágenoHélice más alargada que la hélice α, con abundancia de prolina e hidroxiprolina. Losradicales de estos aminoácidos dificultan la formación de puentes de H y se forma unahélice distendida con sólo 3 aminoácidos por vuelta.El colágeno es una proteína formada por 3 hélices arrolladas en una superhélice.

­ Conformación β o lámina plegadaAdopta una disposición en zig­zag con los grupos R por encima y por debajo del plano.Varias láminas plegadas se unen por puentes de hidrógeno.

­ Proteínas filamentosasLas proteínas que no llegan a formar estructuras terciarias dan lugar a proteínasfilamentosas.Ejemplos: colágeno, α­queratina, β­queratina o fibroína, elastina.

1.3.3. Estructura terciariaDisposición de la estructura secundaria en el espacio plegándose sobre sí misma yadoptando una conformación globular. Los radicales apolares se sitúan en el interior y lospolares en el exterior.Esta conformación se mantiene estable gracias a los radicales entre los enlaces de losaminoácidos.Enlaces: puentes de H entre grupos peptídicos

interacciones hidrofóbicas entre grupos no polaresenlaces iónicos entre grupos cargados eléctricamentepuentes disulfuro

­ Dominios estructuralesDeterminados tramos de las proteínas presentan estructuras secundarias hélice α, láminaplegada y zonas de giro o “codos” sin estructura secundaria.Se llaman dominios estructurales combinaciones de hélices α y láminas plegadas que se

repiten en una misma proteína. Los dominios se unen entre sí por zonas estrechas queposibilitan cierto movimiento entre unos y otros.

1.3.4. Estructura cuaternariaProteínas globulares con dos o más cadenas polipeptídicas. Son proteínas oligoméricas.

1.4. PROTEÍNAS CONJUGADASCromoproteínas: grupo prostético una sustancia coloreada (pigmento)

Pigmento derivado de la profirina con un catión metálico en el centroHemoglobina (Fe)Citocromos (Fe)Clorofila (Mg)Vitamina B12 (Co)

Pigmento derivado no porfirínicoHemocianina (Cu)

Glucoproteínas: grupo prostético glucídicoHormonasInmunoglobulinasMucoproteínas: sustancias que confieren características lubricantes

Lipoproteínas: grupo prostético ácidos grasosComponentes de membranas plasmáticasProteínas transportadoras de lípidos en líquidos orgánicos

Fosfoproteínas: grupo prostético ácido ortofosfórico H3PO4Caseína en la lecheVitelina en el huevo

Nucleoproteínas: asociadas a ácidos nucleicosProtaminas e histonas

1.5. PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS1.5.1. Desnaturalización

Al someter una proteína a cambios de pH o temperaturas mayores de 60­70ºC, se estiranperdiendo la conformación globular y, por tanto, su actividad biológica. Este proceso sellama desnaturalización. Al volver a las condiciones iniciales se puede volver a recuperarla conformación inicial (renaturalización) o bien la desnaturalización puede ser irreversible.

1.5.2. Especificidad­Especificidad de especieProteínas con las mismas funciones son diferentes en cada especie, tanto más distintascuanto más alejadas están las especies filogenéticamente

­Especificidad de individuoTambién dentro de una misma especie existen pequeñas diferencias, base del fenómenode rechazo. Esto se debe a la íntima relación entre la secuencia de aminoácidos y elcódigo genético.

1.6. FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS1.6.1. Enzimas

Actividad catalítica. Son las proteínas más variadas y más altamente especializadas.Todas las reacciones químicas de las células están catalizadas por enzimas

1.6.2. TransporteRegulación del paso de sustancias a través de membranas y transporte a través delíquidos orgánicos.Hemoglobina que transporta oxígeno.Lipoproteínas que transportan lípidos, proteínas de la membrana plasmática y de lasmembranas intracelulares.

1.6.3. Nutrientes y de reservaProteínas de las semillas para su crecimiento durante la germinación.Ovoalbúmina de la clara de huevo.Caseína de la leche.

Ferritina que almacena hierro

1.6.4. Contráctiles y de movimientoActina y miosina de músculos esqueléticos y de otras células no musculares.Tubulina de los microtúbulos para formar cilios y flagelos.

1.6.5. EstructuralesFilamentos de soporte, cables u hojas para conferir fuerza o protección a estructurasbiológicas.Colágeno en los tendones y cartílagos y en la piel.Elastina en los ligamentos.Queratina en el pelo, uñas y plumas.Fibroína en la seda de las telarañas.

1.6.6. DefensaInmunoglobulinas o anticuerpos, fabricadas por los linfocitos para reconocer y neutralizarorganismos invasores.Fibrinógeno y trombina para coagular la sangre en las hemorragias.Venenos de serpientes, escorpiones, etc. y toxinas de bacterias y plantas.

1.6.7. ReguladorasHormonas como la insulina o la hormona del crecimiento.Proteínas G que regulan la respuesta celular a señales hormonales.Proteínas que se fijan al DNA y regulan la síntesis de RNA y la biosíntesis de otrasproteínas.

2. ENZIMAS

2.1. INTRODUCCIÓN

Las enzimas son proteínas globulares especializadas en la catálisis de las reaccionesbiológicas. Un catalizador acelera la reacción química sin participar en la reacción global,debido a que disminuye la energía de activación.Catalizan las reacciones químicas de los seres vivos permitiendo que se desarrollen losuficientemente rápido a las temperaturas propias de los seres vivos. Favorecen elencuentro de las sustancias que van a reaccionar, debilitando los enlaces que han deromperse o poniendo en contacto las partes de las moléculas que han de unirse.

2.2. ESTRUCTURALos enzimas pueden estar constituidos por:

Holoproteínas: enzima completo constituido por una molécula proteicaHeteroproteínas: Parte del enzima compuesto por moléculas no proteicas

Grupo proteico (Apoenzima): especifica el tipo de sustratoAminoácidos no esencialesAA. estructuralesAA. de fijaciónAA. catalíticos (Sitio catalítico)

AA. catalíticos + AA. de fijación = Centro activoGrupo prostético (Cofactor): especifica el tipo de reacción

Activadores inorgánicos (ion metálico)Molécula orgánica no proteica (Coenzima)

2.3. CLASIFICACIÓNÓxido­reductasas: reacciones redoxTransferasas:transfieren grupos funcionalesHidrolasas: reacciones de hidrólisisLiasas: adición a los dobles enlacesIsomerasas: reacciones de isomerizaciónLigasas: formación de enlaces con escisión de ATP

2.4. MECANISMO DE ACCIÓNFormación de una estructura intermedia que es el complejo enzima­sustrato (ES) a partirdel cual se forman los productos de la reacción y se libera el enzima sin cambios.E + S → ES → E + P

Existen dos hipótesis que explican la formación del complejo ES:Hipótesis llave­cerradura de Fischer: los sustratos encajan en el centro activo delenzima como la llave dentro de su cerradura. La estructura del centro activo escomplementaria de la estructura geométrica del sustratoHipótesis de la adaptación conformacional de Koshland: la unión de los sustratos alcentro activo del enzima provoca unos cambios conformacionales en la estructuraespacial del enzima de modo que se fuerzan determinados enlaces hasta que se rompeny se forman otros nuevos, consiguiéndose así los productos de la reacción.En la formación del complejo ES intervienen enlaces de varios tipos: interaccioneshidrofóbicas, enlaces de hidrógeno, covalentes e iónicos.

2.4.1. Cómo se explica el poder catalítico y la especificidad de los enzimasLos aumentos de velocidad conseguidos por los enzimas son de 7 a 14 órdenes demagnitud. Los enzimas son también muy específicos, discriminando fácilmente entresustratos con estructuras muy similares.Parte de la explicación reposa en reacciones químicas entre el sustrato y gruposfuncionales de los enzimas (cadenas laterales de aminoácidos específicos, ionesmetálicos y coenzimas), que interaccionan de forma transitoria con el sustrato activándolopara la reacción. Estos grupos disminuyen la energía de activación al proporcionar unaruta de reacción de menor energía.La energía requerida para disminuir la energía de activación proviene generalmente deinteracciones débiles no covalentes entre el sustrato y el enzima. La diferencia concatalizadores no enzimáticos es la formación de un complejo ES específico. La formaciónde cada interacción débil en el complejo ES viene acompañada de una pequeñaliberación de energía que proporciona un cierto grado de estabilidad. Esta energía sedenomina energía de fijación y es la principal fuente de energía libre utilizada paradisminuir la energía de activación de las reacciones.Además las interacciones débiles son óptimas en el estado de transición de la reacción.Los sitios activos de los enzimas son complementarios no a los sustratos per se, sino alos estados de transición de las reacciones que catalizan.

Consideremos una reacción imaginaria, la rotura de una vara metálica. La reacción nocatalizada se muestra en la imagen a. Los enzimas utilizarían fuerzas magnéticas comosimulación de la energía de activación real.En la imagen b el enzima es perfectamente complementario al sustrato, el sitio activo esuna bolsa forrada de imanes; para reaccionar (romperse) la vara debe alcanzar el estadode transición , pero se fija tan fuertemente al sitio activo que no puede doblarse ya quetendrían que eliminarse algunas de las interacciones magnéticas entre la vara y el enzima.Un enzima así impide la reacción ya que estabiliza el sustrato (ver gráfica b). El complejoES correspondería a un pozo energético del que sería muy difícil salir.La noción moderna de catálisis enzimática propuesta por Haldane (1930) y Pauling(1946) asume que el enzima debe ser complementario al estado de transición de lareacción. Las interacciones óptimas entre sustrato y enzima sólo pueden tener lugar en elestado de transición (figura c). Sólo se utilizan unas cuantas interacciones para formar elcomplejo ES. El sustrato ligado aún ha de experimentar un aumento de energía librenecesario para alcanzar el estado de transición; sin embargo, este incremento de energíapara llevar la vara a una conformación curva, es “pagado” por las interaccionesmagnéticas que se forman entre enzima y sustrato en el estado de transición,interacciones que se dan en partes no reactivas del sustrato y que proporcionan parte dela energía necesaria para catalizar su rotura, traduciéndose en una energía de activación

neta inferior y una mayor velocidad de reacción.

2.5. CINÉTICA ENZIMÁTICAUn rasgo característico de las reacciones catalizadas enzimáticamente es la saturacióncon sustrato. Cuando la velocidad de reacción se aproxima a una velocidad constante elenzima se halla saturado con sustrato, es decir, todos los centros activos están ocupadospor sustrato y aunque se añada mayor cantidad de sustrato la velocidad de reacción(medida como cantidad de producto obtenido) no aumentará.La constante de Michaelis (KM) es la concentración de sustrato con la cual se alcanza lamitad de la velocidad máxima y representa la afinidad del enzima por el sustrato. Si KM esgrande la afinidad es menor (se necesita más sustrato para alcanzar la mitad de la VMAX.

2.5.1. Efecto del pH y la temperatura

2.6. INHIBICIÓN ENZIMÁTICALos inhibidores enzimáticos son moléculas que se unen a enzimas y disminuyen suactividad.

2.6.1. Inhibición reversible­ CompetitivaEl inhibidor compite con el sustrato por el mismo lugar del enzima. Aumenta la KM. Secontrarresta con el aumento de la concentración de sustrato.

­ No competitivaEl inhibidor se une al enzima en otro sitio distinto que el sustrato. Disminuye la VMAX.

­ AcompetitivaEl inhibidor se une al complejo ES. Aumenta la KM y disminuye la VMAX

2.6.2. Inhibición irreversibleAgentes capaces de unirse covalentemente que modifican permanentemente un grupofuncional necesario para la catálisis.

2.7. REGULACIÓN ENZIMÁTICA2.6.1. Enzimas modulados covalentemente

Formas activas e inactivas interconvertibles por otros enzimas

2.6.2. Activación de zimógenosActivación catalizada enzimáticamente de precursores inactivos de los enzimas(zimógenos). Por ejemplo pepsinógeno y pepsina o tripsinógeno y tripsina en el intestino.

2.6.3. Enzimas alostéricosEnzimas oligoméricos que poseen un centro activo (al que se une el sustrato) y uncentro regulador (al que se une el modulador).Los moduladores pueden ser:

Positivos o activadores: aumentan la velocidad de reacciónNegativos o inhibidores: disminuyen la velocidad de reacción

El control de los enzimas puede ser:Heterotrópico: sustrato y modulador son químicamente distintosHomotrópico: el modulador es el sustratoMixto: hay centro activo, sitio alostérico para el sustrato y sitiosalostéricos para otros moduladores

La unión de un activador al centro regulador de una subunidad cambia la conformación detodos los monómeros, aumentando la afinidad por el sustrato. La unión de un inhibidorrealiza el proceso inverso.

2.6.4. RetroinhibiciónEl último producto de una vía metabólica actúa como inhibidor del primer enzima de la vía

2.7. VITAMINAS COMO COENZIMASLas vitaminas son compuestos orgánicos relativamente sencillos de composición químicavariada. No sirven como combustibles para obtener energía. Actúan como catalizadores ysuelen ser coenzimas o componentes de coenzimas.Son producidas por vegetales o bacterias, los animales no pueden sintetizarlas.Su deficiencia o exceso ocasiona graves trastornos. Son sustancias lábiles que se alterancon facilidad ante cambios de temperatura o almacenamiento prolongado.