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Proteínas

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PROTEINAS<br />

CLASIFICACION DE LAS PROTEINAS<br />

Las proteínas son polímeros lineales de α-aminoácidos con amplia variabilidad<br />

estructural y funciones biológicas muy diversas. La veriedad de proteínas es elevadísima,<br />

y para su clasificación se puede recurrir a criterios físicos, químicos, estructurales o<br />

funcionales.<br />

El criterio físico más utilizado es la solubilidad. Así se distinguen (1) las<br />

albúminas (proteínas que son solubles en agua o en disoluciones salinas diluídas), (2) las<br />

globulinas (que requieren concentraciones salinas más elevadas para permanecer en<br />

disolución), (3) las prolaminas (solubles en alcohol), (4) las glutelinas (sólo se<br />

disuelven en disoluciones ácidas o básicas), y (5) las escleroproteínas (son insolubles en<br />

la gran mayoría de los disolventes).<br />

Desde un punto de vista químico, existen dos grandes grupos de proteínas: (1)<br />

las proteínas simples, formadas exclusivamente por α-aminoácidos, y (2) las proteínas<br />

conjugadas, que contienen además una proporción significativa de otros componentes.<br />

La fracción no aminoacídica se llama grupo prostético, y puede ser un azúcar, un lípido,<br />

un ácido nucleico o una sustancia inorgánica. La proteína en ausencia de su grupo<br />

prostético se llama apoproteína, y en presencia de él se llama holoproteína. Así,<br />

holoproteína = apoproteína + grupo prostético. Son proteínas conjugadas la hemoglobina,<br />

la mioglobina, los citocromos, etc.<br />

En cuanto a su forma molecular, las proteínas son globulares cuando la cadena<br />

polipeptídica aparece enrollada sobre sí misma dando lugar a una estructura más o menos<br />

esférica y compacta. Cuando hay una dimensión que predomina sobre las demás, se dice<br />

que la proteína es fibrosa. Las proteínas fibrosas, por lo general, tienen funciones<br />

estructurales.<br />

Algunas proteínas constan de una sola cadena polipeptídica, y se llaman proteínas<br />

monoméricas, mientras que otras constan de varias cadenas polipeptídicas, y se llaman<br />

proteínas oligoméricas. Las distintas cadenas polipeptídicas que componen una proteína<br />

oligomérica se llaman subunidades, y pueden ser iguales o distintas entre sí.<br />

Dada la gran variedad de estructuras a que puede dar lugar una secuencia<br />

aperiódica de 20 α-aminoácidos distintos es difícil hacer una clasificación más<br />

descriptiva o conceptual. Sin embargo, los criterios que hemos descrito son muy útiles<br />

desde el punto de vista práctico, y nos permiten definir al colágeno como una proteína<br />

simple, fibrosa y oligomérica, y al citocromo c como una proteína conjugada, globular y<br />

monomérica.<br />

<strong>Proteínas</strong> 1


FUNCIONES BIOLOGICAS DE LAS PROTEINAS<br />

La gran hetereogeneidad estructural de las proteínas les permite cumplir<br />

múltiples funciones en el ser vivo. Así como los polisacáridos se reducen a ser<br />

sustancias de reserva o moléculas estructurales, las proteínas, además de abarcar estas<br />

funciones, asumen otras muy variadas. Describir las funciones de las proteínas equivale a<br />

describir en términos moleculares todos los fenómenos biológicos.<br />

La gran mayoría de las reacciones metabólicas tienen lugar gracias a la presencia<br />

de un catalizador de naturaleza proteica específico para cada reacción. Estos<br />

biocatalizadores de naturaleza proteica reciben el nombre de enzimas. La gran mayoría<br />

de las proteínas son enzimas.<br />

Las estructuras encargadas del reconocimiento de señales químicas de cualquier<br />

tipo son proteínas. Así, los receptores hormonales y los receptores de neurotransmisores<br />

son estructuras proteicas, que por lo general, interaccionan con sus ligandos por<br />

complementariedad entre sus estructuras. Muchos de estos ligandos (hormonas y<br />

neurotransmisores) son, a su vez, de naturaleza proteica.<br />

En los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte, bien para llevar<br />

una molécula hidrofóbica a través de un medio acuoso (transporte de oxígeno o lípidos a<br />

través de la sangre) o bien para transportar moléculas polares a través de barreras<br />

hidrofóbicas (transporte a través de la membrana plasmática). Los transportadores<br />

biológicos son siempre proteínas.<br />

Hay proteínas cuya principal función es estructural. Las células poseen un<br />

citoesqueleto de naturaleza proteica que constituye un armazón alrededor del cual se<br />

organizan todos sus componentes, y que dirige fenómenos tan importantes como el<br />

transporte intracelular o la división celular. En los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo,<br />

cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colágeno son las encargadas de conferir<br />

resistencia mecánica tanto a la tracción como a la compresión<br />

La propiedad fundamental de los mecanismos de defensa es la de discriminar lo<br />

propio de lo extraño. Así, tanto en los sistemas de restricción bacteriana como en las<br />

defensas de los vertebrados superiores (sistema inmunitario), las proteínas juegan un<br />

papel fundamental. En bacterias, las llamadas endonucleasas de restricción se encargan<br />

de identificar y destruir moléculas de DNA que no identifica como propias, y en los<br />

vertebrados superiores, las immunoglobulinas reconocen moléculas extrañas y se unen a<br />

ellas para facilitar su destrucción por las células del sistema immunitario.<br />

Todas las funciones de motilidad de los seres vivos están relacionadas con las<br />

proteínas. Así, la contracción del músculo resulta de la interacción entre dos proteínas, la<br />

actina y la miosina. El movimiento de la célula mediante cilios y flagelos está<br />

relacionado con las proteínas que forman los microtúbulos.<br />

Los fenómenos de transducción (cambio en la naturaleza físico-química de<br />

señales) están mediados por proteínas. Así, la rodopsina de la retina convierte (o mejor<br />

<strong>Proteínas</strong> 2


dicho, transduce) un fotón luminoso (una señal física) en un impulso nervioso (una señal<br />

eléctrica), y un receptor hormonal convierte una señal química (una hormona) en una<br />

serie de modificaciones en el estado funcional de la célula.<br />

No se debe olvidar que muchas proteínas ejercen a la vez más de una de las<br />

funciones enumeradas: Las proteínas de membrana tienen tanto función estructural<br />

como enzimática; la ferritina es una proteína que transporta y, a la vez, almacena el<br />

hierro; la miosina interviene en la contracción muscular, pero también funciona como un<br />

enzima capaz de hidrolizar el ATP, y así se podrían poner muchos ejemplos más.<br />

ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS<br />

Clásicamente, se distinguen cinco niveles de estructuración en las proteínas, que<br />

se denominan estructura primaria, secundaria, terciaria, cuaternaria y quinaria (Figura 1).<br />

La estructura primaria viene determinada por la secuencia de AA en la cadena<br />

proteica, es decir, el número de AA presentes y el orden en que están enlazados. Las<br />

posibilidades de estructuración a nivel primario son prácticamente ilimitadas. Como en<br />

casi todas las proteínas existen 20 AA diferentes, el número de estructuras posibles viene<br />

dado por las variaciones con repetición de 20 elementos tomados de n en n, siendo n el<br />

número de AA que componen la molécula proteica, que generalmente oscila entre 80 y<br />

300.<br />

La secuencia lineal de AA puede adoptar multiples conformaciones en el<br />

espacio. La conformación espacial de una proteína se analiza en términos de estructura<br />

secundaria y terciaria. La estructura secundaria es el plegamiento que la cadena<br />

polipeptídica experimenta gracias al establecimiento de puentes de hidrógeno entre los<br />

átomos que forman el enlace peptídico. Con o sin estructura secundaria, la proteína<br />

presenta un plegamiento tridimensional que adopta una forma determinada en el espacio,<br />

que constituye la estructura terciaria, concepto equiparable al de conformación absoluta<br />

en otras moléculas. La estructura terciaria de una proteína es única y siempre la misma en<br />

igualdad de condiciones, y es la responsable directa de sus propiedades biológicas, ya<br />

que es la disposición espacial de los distintos grupos funcionales la que determina su<br />

interacción con los diversos ligandos.<br />

Por último, varias moléculas con secuencia y conformación establecidas pueden<br />

asociarse, originando estructuras de orden superior. Cuando se asocian varias cadenas<br />

polipeptídicas (iguales o distintas) para formar una unidad funcional, se habla de<br />

estructura cuaternaria, y si se asocian proteínas con otra clase de biomoléculas para<br />

formar asociaciones supramacromoleculares (ribosomas, nucleosomas, virus, membranas,<br />

etc), se habla de estructura quinaria.<br />

Los enlaces que determinan la estructura primaria son covalentes (enlace amida o<br />

enlace peptídico), mientras que la mayoría de los enlaces que determinan la<br />

conformación (estructuras secundaria y terciaria) y la asociación (estructura cuaternaria y<br />

quinaria) son de tipo no covalente.<br />

<strong>Proteínas</strong> 3


ESTRUCTURA PRIMARIA<br />

La secuencia de una proteína viene determinada por el tipo de AA que contiene<br />

y el orden en que están ensamblados (Figura 2). Los enlaces que participan en la<br />

estructura primaria de una proteína son covalentes: son los enlaces peptídicos. El enlace<br />

peptídico (Figura 3) es un enlace amida que se forma entre el grupo carboxilo de una AA<br />

con el grupo amino de otro, con eliminación de una molécula de agua.<br />

Independientemente de la longitud de la cadena polipeptídica, siempre hay un extremo<br />

amino terminal y un extremo carboxilo terminal que permanecen intactos. Por<br />

convención, la secuencia de una proteína se lee siempre a partir de su extremo amino.<br />

Como consecuencia del establecimiento de enlaces peptídicos entre los distintos<br />

AA que forman la proteína se origina una cadena principal o "esqueleto" a partir del<br />

cual emergen las cadenas laterales de los AA (Figura 4). Los átomos que componen la<br />

cadena principal de la proteína son el N del grupo amino (condensado con el AA<br />

precedente), el Cα (a partir del cual emerge la cadena lateral) y el C del grupo carboxilo<br />

(que se condensa con el AA siguiente). Por lo tanto, la unidad repetitiva básica que<br />

aparece en la cadena principal de una proteína es: ( -NH-Cα-CO-)<br />

Como la estructura primaria es la que determina los niveles superiores de<br />

organización, el conocimiento de la secuencia de AA es del mayor interés para el estudio<br />

de la estructura y función de una proteína. Clásicamente, la secuenciación de una<br />

proteína se realizaba mediante métodos químicos (que se estudiarán más adelante). Hoy<br />

en día, los avances de la Biología Molecular permiten conocer la secuencia de un gen<br />

mucho antes de que se haya podido purificar la proteína que codifica. El análisis de la<br />

secuencia del DNA permite secuenciar una proteína sin que se haya purificado<br />

previamente, ya que cada grupo de tres bases de la secuencia del DNA especifican un<br />

aminoácido. El Código Genético establece la relación entre cada grupo de tres<br />

nucleótidos (codón) y el AA que codifica (Figura 5). El Código Genético es de validez<br />

universal, ya que es el mismo para todos los seres vivos.<br />

La comparación de la estructura primaria de una misma proteína en especies<br />

diversas tiene un enorme interés desde los puntos de vista funcional y filogenético.<br />

Cuanto más alejadas estén las especies analizadas en el árbol filogenético, más<br />

diferencias se podrán observar en la estructura primaria de proteínas análogas. Sin<br />

embargo, a menudo se encuentra que el mismo aminoácido aparece siempre en idéntica<br />

posición en todas las especies estudiadas. Estos AA reciben el nombre de AA<br />

invariantes o AA conservados, y suelen ser indispensables para la función y estructura<br />

correcta de la proteína. Cualquier mutación en estas posiciones es letal para el organismo,<br />

y por tanto hay una fortísima selección en contra.<br />

<strong>Proteínas</strong> 4


ESTRUCTURA SECUNDARIA<br />

A primera vista podría pensarse en las proteínas como polímeros lineales de AA<br />

unidos entre sí por medio del enlace peptídicos. Sin embargo, la posibilidad de establecer<br />

puentes de hidrógeno entre los grupos -CO- y -NH- del enlace peptídico (el primero<br />

como aceptor, y el segundo como dador) permite adoptar conformaciones de menor<br />

energía libre, y por tanto, más estables. Así, se pueden distinguir varios tipos de<br />

conformaciones que determinan la estructura secundaria de una proteína:<br />

1.- CONFORMACION AL AZAR: En algunas proteínas, o en ciertas regiones de la<br />

misma, no existen interacciones de suficiente consideración como para que se pueda<br />

distinguir un nivel de organización superior a la estructura primaria. En estos casos se<br />

habla de conformación al azar.<br />

2.- HELICE α: Cuando la cadena principal de un polipéptido se pliega en el espacio en<br />

forma de helicoide dextrógiro se adopta una conformación denominada hélice α. Esta<br />

estructura es periódica y en ella cada enlace peptídico puede establecer dos puentes de<br />

hidrógeno (Figura 6). Un puente de hidrógeno se forma entre el grupo -NH- del enlace<br />

peptídico del AA en posición n y el grupo -CO- del enlace peptídico del AA situado en<br />

posición n-4. El otro puente de hidrógeno se forma entre el grupo -CO- del enlace<br />

peptídico del AA en posición n y el grupo -NH- del enlace peptídico del AA situado en<br />

posición n+4. Cada vuelta de la hélice implica 3,6 AA, con una translación media por<br />

residuo de 0,15 nm, lo que indica que la hélice tiene un paso de rosca de 0,54 nm (Figura<br />

7). Dicho con otras palabras, una vuelta completa de la hélice α representa una distancia<br />

de 0,54 nm y contiene 3,6 residuos de AA. Las cadenas laterales de los AA se sitúan en la<br />

parte externa del helicoide, lo que evita problemas de impedimentos estéricos (Figura 8).<br />

En consecuencia, esta estructura puede albergar a cualquier AA, a excepción de la<br />

prolina, cuyo Cα no tiene libertad de giro, por estar integrado en un heterociclo. Por este<br />

motivo, la prolina suele determinar una interrupción en la conformación en hélice<br />

α (Figura 9). Los AA muy polares (Lys, Glu) también desestabilizan la hélice α porque<br />

los enlaces de hidrógeno pierden importancia frente a las interacciones electrostáticas de<br />

atracción o repulsión. Por este motivo, la estructura en hélice α es la que predomina a<br />

valores de pH en los que los grupos ionizables no están cargados. En caso contrario,<br />

adoptan la conformación al azar.<br />

3.- HOJA β: Cuando la cadena principal de un polipéptido se estira al máximo que<br />

permiten sus enlaces covalentes se adopta una configuración espacial denominada<br />

estructura β (Figura 10). Las estructuras β de distintas cadenas polipeptídicas o bien las<br />

estructuras β de distintas zonas de una misma cadena polipeptídica pueden interaccionar<br />

entre sí mediante puentes de hidrógeno, dando lugar a estructuras laminares llamadas por<br />

su forma hojas plegadas u hojas β. Cuando las estructuras β tienen el mismo sentido<br />

NC, la hoja plegada resultante es paralela, y si las estructuras β tienen sentidos<br />

opuestos, la hoja plegada resultante es antiparalela (Figura 11). Esta conformación es<br />

típica de proteínas fibrosas como la fibroína de la seda o las β-queratinas de las plumas de<br />

ave, pero también aparece en proteínas globlulares como las inmunoglobulinas.<br />

<strong>Proteínas</strong> 5


4.- GIROS β: Secuencias de la cadena polipeptídica con estructura α o β a menudo están<br />

conectadas entre sí por medio de los llamados giros β (Figura 12). Son secuencias cortas,<br />

con una conformación característica que impone un brusco giro de 180 o a la cadena<br />

principal de un polipéptido. AA como Asn, Gly y Pro, que se acomodan mal en<br />

estructuras de tipo α o β, aparecen con frecuencia en este tipo de estructura. La<br />

conformación de los giros β está estabilizada por medio de puentes de hidrógeno entre los<br />

residuos 1 y 4 (Figura 12).<br />

5.- CONFORMACION DEL COLAGENO: El colágeno es una imporante proteína<br />

fibrosa, con función estructural. Presenta una secuencia típica compuesta por la<br />

repetición periódica de grupos de tres AA. El primer AA de cada grupo es Gly, y los<br />

otros dos son Pro (o hidroxiprolina) y un AA cualquiera. La frecuencia periódica de la<br />

Pro condiciona el enrollamiento peculiar del colágeno en forma de hélice levógira. La<br />

glicina, sin cadena lateral, permite la aproximación entre distintas hélices, de forma que<br />

tres hélices levógiras se asocian para formar un helicoide dextrógiro. El tercer AA<br />

refuerza la estructura mediante enlaces covalentes intercatenarios (Figura 13).<br />

6.- ESTRUCTURAS SUPERSECUNDARIAS: En proteínas con estructura terciaria<br />

globular es frecuente encontrar combinaciones de estructuras al azar, α y β, con una<br />

disposición característica que es igual en distintas proteínas. Estas combinaciones de<br />

elementos de estructura secundaria que se repiten en distintos tipos de proteínas reciben<br />

el nombre de estructuras supersecundarias. Una de las más notables es el meandro β,<br />

formado por varias hojas β antiparalelas conectadas por segmentos con conformación al<br />

azar. La unidad βαβ consiste en varias estructuras β paralelas y yuxtapuestas, conectadas<br />

por un segmento al azar o en hélice α. La estructura de Rossman consta de hélices α y<br />

hojas β en disposicón paralela y alternante (Figura 14).<br />

ESTRUCTURA TERCIARIA<br />

Se llama estructura terciaria a la disposición tridimensional de todos los átomos<br />

que componen la proteína. Se trata de un concepto análogo al de configuración absoluta<br />

en moléculas pequeñas. Para las proteínas que constan de una sola cadena polipeptídica<br />

(carecen de estructura cuaternaria), la estructura terciaria es la máxima información<br />

estructural que se puede obtener (Figura 15).<br />

La estructura terciaria es una disposición precisa y única en el espacio, y que<br />

surge a medida que se sintetiza la proteína. En otras palabras, la estructura terciaria está<br />

determinada por la secuencia de AA (estructura primaria). Las fuerzas que estabilizan<br />

la estructura terciaria de una proteína globular se establecen entre las distintas cadenas<br />

laterales de los AA que la componen. Los enlaces propios de la estructura terciaria<br />

globular pueden ser de dos tipos: covalentes y no covalentes.<br />

Los enlaces covalentes pueden deberse a (1) la formación de un puente disulfuro<br />

entre dos cadenas laterales de Cys, o a (2) la formación de un enlace amida (-CO-NH-)<br />

entre las cadenas laterales de la Lys y un AA dicarboxílico (Glu o Asp).<br />

<strong>Proteínas</strong> 6


Los enlaces no covalentes pueden ser de cuatro tipos: (1) fuerzas electrostáticas<br />

entre cadenas laterales ionizadas, con cargas de signo opuesto, (2) puentes de<br />

hidrógeno, entre las cadenas laterales de AA polares (3) interacciones hidrofóbicas<br />

entre cadenas laterales apolares y (4) fuerzas de polaridad debidas a interacciones<br />

dipolo-dipolo.<br />

No todas estas interacciones contribuyen por igual al mantenimiento de la<br />

estructura terciaria. Obviamente, el enlace que aporta más estabilidad es el de tipo<br />

covalente, y entre los no covalentes, las interacciones más importantes son las de tipo<br />

hidrofóbico, ya que exigen una gran proximidad entre los grupo apolares de los AA.<br />

Se distinguen dos tipos de estructura terciaria: la de tipo fibroso y la de tipo<br />

globular. En las proteínas con estructura terciaria de tipo fibroso (como pueden ser el<br />

colágeno, la queratina del cabello o la fibroína de la seda), una de las dimensiones es<br />

mucho mayor que las otras dos. En este caso, los elementos de estructura secundaria<br />

(hélices α u hojas β) pueden mantener su ordenamiento sin recurrir a grandes<br />

modificaciones, tan sólo introduciendo ligeras torsiones longitudinales, como en las<br />

hebras de una cuerda. En las proteínas con estructura terciaria de tipo globular, más<br />

frecuentes, la cadena polipeptídica sufre un nuevo plegamiento, en el que no existe una<br />

dimensión que predomine sobre las demás, y su forma es aproximadamente esférica. En<br />

este tipo de estructuras se suceden regiones con estructuras al azar, hélice α hoja β,<br />

acodamientos y estructuras supersecundarias.<br />

Como resultado de estas interacciones, las moléculas con estructura terciaria<br />

globular suelen contener un interior compacto de carácter hidrofóbico, con las cadenas<br />

laterales más polares orientadas hacia la superficie, interaccionando con el agua y<br />

permitiendo que la proteína permanezca en disolución.<br />

Recientemente, se han descrito regiones diferenciadas dentro de la estructura<br />

terciaria de las proteínas globulares. Estas regiones, que constituyen un nivel estructural<br />

intermedio entre las estructuras secundaria y terciaria reciben el nombre de dominios.<br />

Los dominios (Figura 16) son unidades de plegamiento, y también la unidad de<br />

desnaturalización de las proteínas globulares. Parece ser que a medida que se sintetizan<br />

las cadenas polipeptídicas, los distintos dominios se pliegan por separado, y es la<br />

asociación de los distintos dominios la que origina la estructura terciaria. La<br />

desnaturalización consiste en la pérdida total o parcial de los niveles de estructuración<br />

superiores al primario. Esta pérdida puede ser reversible o irreversible.<br />

ESTRUCTURA CUATERNARIA<br />

Cuando una proteína consta de más de una cadena polipeptídica, es decir, cuando<br />

se trata de una proteína oligomérica, decimos que tiene estructura cuaternaria. La<br />

estructura cuaternaria debe considerar: (1) el número y la naturaleza de las distintas<br />

subunidades o monómeros que integran el oligómero y (2) la forma en que se asocian en<br />

el espacio para dar lugar al oligómero.<br />

<strong>Proteínas</strong> 7


En proteínas con estructura terciaria de tipo fibroso, la estructura cuaternaria<br />

resulta de la asociación de varias hebras para formar una fibra o soga. La miosina o la<br />

tropomiosina constan de dos hebras con estructura de hélice α enrolladas en una fibra<br />

levógira. La α-queratina del cabello y el fibrinógeno de la sangre presentan tres hebras en<br />

cada fibra levógira (Figura 17). El colágeno consta de tres hebras helicoidales levógiras<br />

que forman una fibra dextrógira (Figura 13). La β-queratina (fibroína) de la seda presenta<br />

varias hebras con estructura de hoja β orientadas de forma antiparalela (Figura 18).<br />

Cuando varias proteínas con estructura terciaria de tipo globular se asocian<br />

para formar una estructura de tipo cuaternario, los monómeros pueden ser exactamente<br />

iguales (como en el caso de la fosfoglucoisomerasa o de la hexoquinasa) o muy<br />

parecidos (como en el caso de la lactato deshidrogenasa). También puede ocurrir que los<br />

monómeros tengan una misma función aunque estructuralmente sean distintos (como<br />

en el caso de la hemoglobina), o que los monómeros sean estructural y funcionalmente<br />

distintos, que una vez asociados forman una unidad funcional. Este es el caso de la<br />

aspartato transcarbamilasa, un enzima alostérico donde existen unas subunidades con<br />

actividad catalítica y otras con actividad reguladora (Figura 19).<br />

Las fuerzas que mantienen unidas las distintas cadenas polipeptídicas son, en<br />

líneas generales, las mismas que estabilizan la estructura terciaria. Las más abundantes<br />

son las interacciones débiles (hidrofóbicas, polares, electrostáticas y puentes de<br />

hidrógeno), aunque en algunos casos, como en las inmunoglobulinas, la estructura<br />

cuaternaria se mantiene mediante puentes disulfuro. El ensamblaje de los monómeros se<br />

realiza de forma espontánea, lo que indica que el oligómero presenta un mínimo de<br />

energía libre con respecto a los monómeros. La estructura cuaternaria modula la<br />

actividad biológica de la proteína y la separación de las subunidades a menudo conduce a<br />

la pérdida de funcionalidad.<br />

ASOCIACIONES SUPRAMOLECULARES<br />

En muchos casos, las proteínas se agrupan bien entre sí, bien con otros grupos de<br />

biomoléculas para formar estructuras de orden superior y que tienen un carácter<br />

permanente. Este nivel de asociación recibe el nombre de estructura quinaria. Así, las<br />

proteínas α y β-tubulina forman unos filamentos huecos enormemente largos llamados<br />

microtúbulos, cuya función es fundamentalmente estructural, ya que forman parte del<br />

citoesqueleto de las células. La fibrina es otra proteína que forma una asociación<br />

supramolecular. Los monómeros de fibrina se unen mediante enlaces covalentes para<br />

formar la malla tridimensional característica del trombo o coágulo sanguíneo. En otros<br />

casos, las proteínas se unen a otras biomoléculas para formar asociaciones<br />

supramoleculares. Así, cuando se unen con azúcares se forman los proteoglicanos y los<br />

peptidoglicanos, cuando se unen con lípidos forman las membranas biológicas y cuando<br />

se unen con ácidos nucleicos forman ribosomas, nucleosomas o virus.<br />

<strong>Proteínas</strong> 8


PROPIEDADES DE LAS PROTEINAS<br />

Desde el punto de vista bioquímico, las propiedades de las proteínas son: (1) la<br />

posibilidad de precipitación selectiva (reversible o irreversible) por medio de diversos<br />

procedimientos, (2) la capacidad amortiguadora y (3) las propiedades osmóticas.<br />

1.- PRECIPITACION SELECTIVA<br />

El agua es el disolvente biológico por excelencia. En disolución acuosa, los<br />

residuos hidrofóbicos de las proteínas se acumulan en el interior de la estructura,<br />

mientras que en la superficie aparecen diversos grupos con carga eléctrica, en función<br />

del pH del medio. En torno a los grupos cargados, los dipolos del agua se orientan<br />

conforme a la carga eléctrica de cada grupo, de tal manera que la proteína presenta una<br />

capa de solvatación formada por el agua de hidratación, que es el agua retenida por las<br />

cargas eléctricas de la superficie de las proteínas. Los AA polares sin carga también se<br />

disponen en la superficie, donde interaccionan con el agua mediante puentes de<br />

hidrógeno.<br />

Cualquier factor que modifique la interacción de la proteína con el disolvente<br />

disminuirá su estabilidad en disolución y provocará la precipitación. Así, la desaparición<br />

total o parcial de la envoltura acuosa, la neutralización de las cargas eléctricas de tipo<br />

repulsivo o la ruptura de los puentes de hidrógeno facilitará la agregación intermolecular<br />

y provocará la precipitación. La precipitación suele ser consecuencia del fenómeno<br />

llamado desnaturalización.<br />

Se llama desnaturalización de las proteínas a la pérdida de las estructuras de<br />

orden superior (secundaria, terciaria y cuaternaria), quedando la cadena polipeptídica<br />

reducida a un polímero estadístico sin ninguna estructura tridimensional fija (Figura 20).<br />

Cuando la proteína no ha sufrido ningún cambio en su interacción con el<br />

disolvente, se dice que presenta una estructura nativa. Cualquier alteración de la<br />

estructura nativa que modifique su interacción con el disolvente y que provoque su<br />

precipitación dará lugar a una estructura desnaturalizada. En una proteína cualquiera,<br />

la estructura nativa y la desnaturalizada tan sólo tienen en común la estructura primaria,<br />

es decir, la secuencia de AA que la componen. Los demás niveles de organización<br />

estructural desaparecen en la estructura desnaturalizada.<br />

La desnaturalización provoca diversos efectos en la proteína: (1) una drástica<br />

disminución de su solubilidad, ya que los residuos hidrofóbicos del interior aparecen en<br />

la superficie; (2) cambios en las propiedades hidrodinámicas de la proteína: aumenta<br />

la viscosidad y disminuye el coeficiente de difusión y (3) pérdida de las propiedades<br />

biológicas.<br />

Una proteína desnaturalizada cuenta únicamente con su estructura primaria. Por<br />

este motivo, en muchos casos, la desnaturalización es reversible, ya que es la estructura<br />

primaria la que contiene la información necesaria y suficiente para adoptar niveles<br />

superiores de estructuración. Esta propiedad es de gran utilidad durante los procesos de<br />

<strong>Proteínas</strong> 9


aislamiento y purificación de proteínas, ya que no todas la proteínas reaccionan de igual<br />

forma ante un cambio en el medio donde se encuentra disuelta.<br />

En algunos casos, la desnaturalización conduce a la pérdida total de la<br />

solubilidad, con lo que la proteína precipita. La formación de agregados fuertemente<br />

hidrofóbicos impide su renaturalización, y hacen que el proceso sea irreversible.<br />

Los agentes que provocan la desnaturalización de una proteína se llaman agentes<br />

desnaturalizantes. Se distinguen agentes físicos (calor) y químicos (detergentes,<br />

disolventes orgánicos, pH, fuerza iónica).<br />

Como en algunos casos el fenómeno de la desnaturalización es reversible, es<br />

posible precipitar proteínas de manera selectiva mediante cambios en (1) la polaridad<br />

del disolvente, (2) la fuerza iónica, (3) el pH o (4) la temperatura.<br />

La polaridad del disolvente disminuye cuando se le añaden sustancias menos<br />

polares que el agua como el etanol o la acetona. Con ello disminuye el grado de<br />

hidratación de los grupos iónicos superficiales de la molécula proteica, provocando la<br />

agregación y precipitación. Los disolventes orgánicos interaccionan con el interior<br />

hidrofóbico de las proteínas y desorganizan la estructura terciaria, provocando su<br />

desnaturalización y precipitación. La acción de los detergentes es similar a la de los<br />

disolventes orgánicos.<br />

Un aumento de la fuerza iónica del medio (por adición de sulfato amónico,<br />

urea o hidrocloruro de guanidinio, por ejemplo) también provoca una disminución en<br />

el grado de hidratación de los grupos iónicos superficiales de la proteína, ya que estos<br />

solutos (1) compiten por el agua y (2) rompen los puentes de hidrógeno o las<br />

interacciones electrostáticas, de forma que las moléculas proteicas se agregan y<br />

precipitan. En muchos casos, la precipitación provocada por el aumento de la fuerza<br />

iónica es reversible. Mediante una simple diálisis se puede eliminar el exceso de soluto y<br />

recuperar tanto la estructura como la función original. A veces es una disminución en la<br />

fuerza iónica la que provoca la precipitación. Así, las proteínas que se disuelven en<br />

medios salinos pueden desnaturalizarse al dializarlas frente a agua destilada, y se<br />

renaturalizan cuando se restaura la fuerza iónica original.<br />

Los iones H + y OH - del agua provocan efectos parecidos, pero además de afectar<br />

a la envoltura acuosa de las proteínas también afectan a la carga eléctrica de los grupos<br />

ácidos y básicos de las cadenas laterales de los aminoácidos. Esta alteración de la carga<br />

superficial de las proteínas elimina las interacciones electrostáticas que estabilizan la<br />

estructura terciaria y a menudo provoca su precipitación. La solubilidad de una proteína<br />

es mínima en su punto isoeléctrico, ya que su carga neta es cero y desaparece cualquier<br />

fuerza de repulsión electrostática que pudiera dificultar la formación de agregados.<br />

Cuando la temperatura es elevada aumenta la energía cinética de las moléculas<br />

con lo que se desorganiza la envoltura acuosa de las proteínas, y se desnaturalizan.<br />

Asímismo, un aumento de la temperatura destruye las interacciones débiles y desorganiza<br />

<strong>Proteínas</strong> 10


la estructura de la proteína, de forma que el interior hidrofóbico interacciona con el<br />

medio acuoso y se produce la agregación y precipitación de la proteína desnaturalizada.<br />

2.- CAPACIDAD AMORTIGUADORA<br />

Esta propiedad se debe a la existencia de (1) los grupos ionizables de las cadenas<br />

laterales de los aminoácidos Asp, Glu, Lys, Arg, His, Tyr, Cys; y (2) a la existencia de<br />

los grupos COOH y NH2 terminales. Por este motivo, las proteínas poseen un<br />

considerable poder amortiguador en una amplia zona de pH. Aunque cada AA tiene unos<br />

grupos ionizables con unas constantes de ionización (pKa) características, el valor de<br />

dichas constantes puede verse ligeramente modificado por el entorno proteico. El<br />

grupo imidazol del AA histidina es el principal responsable del poder amortiguador de<br />

las proteínas a pH fisiológico, ya que su pKa está próximo a 7.<br />

Cuando el pH es bajo, los grupos ionizables están protonados, y la carga neta de<br />

la proteína es de signo positivo. Cuando el pH es alto, los grupos ionizables están<br />

desprotonados, y la carga neta es de signo negativo. Entre ambas zonas, habrá un pH en<br />

el cual la carga neta de la proteína es nula. Es el pH isoeléctrico o punto isoeléctrico, y<br />

es característico de cada proteína. A valores de pH por debajo del pH isoeléctrico la carga<br />

neta de la proteína es positiva, y a valores de pH por encima del pH isoeléctrico, la carga<br />

neta de la proteína es negativa. La mayoría de las proteínas intracelulares tienen carga<br />

negativa, ya que su pH isoeléctrico es menor que el pH fisiológico (que está proximo a<br />

7). Se llaman proteínas ácidas a aquellas que tienen un punto isoeléctrico bajo (como la<br />

pepsina), y proteínas básicas a las que tienen un punto isoeléctrico alto (como las<br />

histonas).<br />

3.- PROPIEDADES OSMOTICAS<br />

Como todo soluto molecular o iónico, las proteínas ejercen un efecto osmótico<br />

cuando existen barreras que limitan su libre difusión. Si tenemos dos compartimentos<br />

acuosos separados por una membrana semipermeable y uno de estos compartimentos<br />

contiene proteínas, éstas tienden a captar agua del compartimento vecino. Este efecto<br />

osmótico es proporcional al número de partículas dispersas. El valor de la presión<br />

osmótica se puede calcular mediante la fórmula de Van't Hoff (π = mRT).<br />

En el caso de las proteínas, el efecto osmótico se ve amplificado por otros dos<br />

factores. Por un lado, el agua de hidratación que forma la envoltura acuosa de las<br />

proteínas contribuye a la presión osmótica. Por otro lado, las proteínas se comportan<br />

como polianiones, cuyas cargas están neutralizadas por iones Cl - , Na + o K + . Las<br />

membranas biológicas son algo permeables a estos iones, con lo cual su concentración a<br />

ambos lados de la membrana se equilibra. Sin embargo, la existencia de proteínas en sólo<br />

uno de los compartimentos provoca la retención permanente de iones difusibles en ese<br />

lado de la membrana (efecto Donnan), lo que incrementa el efecto osmótico (Figura 21).<br />

<strong>Proteínas</strong> 11


Se denomina presión coloidosmótica o presión oncótica al efecto osmótico<br />

conjunto de las proteínas y que es el resultado de: (1) la presión osmótica (que sólo<br />

depende del número de partículas), (2) la presión provocada por el agua de hidratación, y<br />

(3) la presión provocada por el exceso de iones debido al efecto Donnan. La mayor parte<br />

del agua en el sistema circulatorio está retenida por el efecto osmótico de las proteínas<br />

del plasma. Cuando por cualquier circunstancia patológica disminuye la concentración de<br />

proteínas en el plasma, el agua puede fluir libremente hacia los tejidos, provocando un<br />

edema.<br />

<strong>Proteínas</strong> 12

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