Proteínas

PROTEINAS
CLASIFICACION DE LAS PROTEINAS
Las proteínas son polímeros lineales de α-aminoácidos con amplia variabilidad
estructural y funciones biológicas muy diversas. La veriedad de proteínas es elevadísima,
y para su clasificación se puede recurrir a criterios físicos, químicos, estructurales o
funcionales.
El criterio físico más utilizado es la solubilidad. Así se distinguen (1) las
albúminas (proteínas que son solubles en agua o en disoluciones salinas diluídas), (2) las
globulinas (que requieren concentraciones salinas más elevadas para permanecer en
disolución), (3) las prolaminas (solubles en alcohol), (4) las glutelinas (sólo se
disuelven en disoluciones ácidas o básicas), y (5) las escleroproteínas (son insolubles en
la gran mayoría de los disolventes).
Desde un punto de vista químico, existen dos grandes grupos de proteínas: (1)
las proteínas simples, formadas exclusivamente por α-aminoácidos, y (2) las proteínas
conjugadas, que contienen además una proporción significativa de otros componentes.
La fracción no aminoacídica se llama grupo prostético, y puede ser un azúcar, un lípido,
un ácido nucleico o una sustancia inorgánica. La proteína en ausencia de su grupo
prostético se llama apoproteína, y en presencia de él se llama holoproteína. Así,
holoproteína = apoproteína + grupo prostético. Son proteínas conjugadas la hemoglobina,
la mioglobina, los citocromos, etc.
En cuanto a su forma molecular, las proteínas son globulares cuando la cadena
polipeptídica aparece enrollada sobre sí misma dando lugar a una estructura más o menos
esférica y compacta. Cuando hay una dimensión que predomina sobre las demás, se dice
que la proteína es fibrosa. Las proteínas fibrosas, por lo general, tienen funciones
estructurales.
Algunas proteínas constan de una sola cadena polipeptídica, y se llaman proteínas
monoméricas, mientras que otras constan de varias cadenas polipeptídicas, y se llaman
proteínas oligoméricas. Las distintas cadenas polipeptídicas que componen una proteína
oligomérica se llaman subunidades, y pueden ser iguales o distintas entre sí.
Dada la gran variedad de estructuras a que puede dar lugar una secuencia
aperiódica de 20 α-aminoácidos distintos es difícil hacer una clasificación más
descriptiva o conceptual. Sin embargo, los criterios que hemos descrito son muy útiles
desde el punto de vista práctico, y nos permiten definir al colágeno como una proteína
simple, fibrosa y oligomérica, y al citocromo c como una proteína conjugada, globular y
monomérica.
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FUNCIONES BIOLOGICAS DE LAS PROTEINAS
La gran hetereogeneidad estructural de las proteínas les permite cumplir
múltiples funciones en el ser vivo. Así como los polisacáridos se reducen a ser
sustancias de reserva o moléculas estructurales, las proteínas, además de abarcar estas
funciones, asumen otras muy variadas. Describir las funciones de las proteínas equivale a
describir en términos moleculares todos los fenómenos biológicos.
La gran mayoría de las reacciones metabólicas tienen lugar gracias a la presencia
de un catalizador de naturaleza proteica específico para cada reacción. Estos
biocatalizadores de naturaleza proteica reciben el nombre de enzimas. La gran mayoría
de las proteínas son enzimas.
Las estructuras encargadas del reconocimiento de señales químicas de cualquier
tipo son proteínas. Así, los receptores hormonales y los receptores de neurotransmisores
son estructuras proteicas, que por lo general, interaccionan con sus ligandos por
complementariedad entre sus estructuras. Muchos de estos ligandos (hormonas y
neurotransmisores) son, a su vez, de naturaleza proteica.
En los seres vivos son esenciales los fenómenos de transporte, bien para llevar
una molécula hidrofóbica a través de un medio acuoso (transporte de oxígeno o lípidos a
través de la sangre) o bien para transportar moléculas polares a través de barreras
hidrofóbicas (transporte a través de la membrana plasmática). Los transportadores
biológicos son siempre proteínas.
Hay proteínas cuya principal función es estructural. Las células poseen un
citoesqueleto de naturaleza proteica que constituye un armazón alrededor del cual se
organizan todos sus componentes, y que dirige fenómenos tan importantes como el
transporte intracelular o la división celular. En los tejidos de sostén (conjuntivo, óseo,
cartilaginoso) de los vertebrados, las fibras de colágeno son las encargadas de conferir
resistencia mecánica tanto a la tracción como a la compresión
La propiedad fundamental de los mecanismos de defensa es la de discriminar lo
propio de lo extraño. Así, tanto en los sistemas de restricción bacteriana como en las
defensas de los vertebrados superiores (sistema inmunitario), las proteínas juegan un
papel fundamental. En bacterias, las llamadas endonucleasas de restricción se encargan
de identificar y destruir moléculas de DNA que no identifica como propias, y en los
vertebrados superiores, las immunoglobulinas reconocen moléculas extrañas y se unen a
ellas para facilitar su destrucción por las células del sistema immunitario.
Todas las funciones de motilidad de los seres vivos están relacionadas con las
proteínas. Así, la contracción del músculo resulta de la interacción entre dos proteínas, la
actina y la miosina. El movimiento de la célula mediante cilios y flagelos está
relacionado con las proteínas que forman los microtúbulos.
Los fenómenos de transducción (cambio en la naturaleza físico-química de
señales) están mediados por proteínas. Así, la rodopsina de la retina convierte (o mejor
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dicho, transduce) un fotón luminoso (una señal física) en un impulso nervioso (una señal
eléctrica), y un receptor hormonal convierte una señal química (una hormona) en una
serie de modificaciones en el estado funcional de la célula.
No se debe olvidar que muchas proteínas ejercen a la vez más de una de las
funciones enumeradas: Las proteínas de membrana tienen tanto función estructural
como enzimática; la ferritina es una proteína que transporta y, a la vez, almacena el
hierro; la miosina interviene en la contracción muscular, pero también funciona como un
enzima capaz de hidrolizar el ATP, y así se podrían poner muchos ejemplos más.
ESTRUCTURA DE LAS PROTEINAS
Clásicamente, se distinguen cinco niveles de estructuración en las proteínas, que
se denominan estructura primaria, secundaria, terciaria, cuaternaria y quinaria (Figura 1).
La estructura primaria viene determinada por la secuencia de AA en la cadena
proteica, es decir, el número de AA presentes y el orden en que están enlazados. Las
posibilidades de estructuración a nivel primario son prácticamente ilimitadas. Como en
casi todas las proteínas existen 20 AA diferentes, el número de estructuras posibles viene
dado por las variaciones con repetición de 20 elementos tomados de n en n, siendo n el
número de AA que componen la molécula proteica, que generalmente oscila entre 80 y
300.
La secuencia lineal de AA puede adoptar multiples conformaciones en el
espacio. La conformación espacial de una proteína se analiza en términos de estructura
secundaria y terciaria. La estructura secundaria es el plegamiento que la cadena
polipeptídica experimenta gracias al establecimiento de puentes de hidrógeno entre los
átomos que forman el enlace peptídico. Con o sin estructura secundaria, la proteína
presenta un plegamiento tridimensional que adopta una forma determinada en el espacio,
que constituye la estructura terciaria, concepto equiparable al de conformación absoluta
en otras moléculas. La estructura terciaria de una proteína es única y siempre la misma en
igualdad de condiciones, y es la responsable directa de sus propiedades biológicas, ya
que es la disposición espacial de los distintos grupos funcionales la que determina su
interacción con los diversos ligandos.
Por último, varias moléculas con secuencia y conformación establecidas pueden
asociarse, originando estructuras de orden superior. Cuando se asocian varias cadenas
polipeptídicas (iguales o distintas) para formar una unidad funcional, se habla de
estructura cuaternaria, y si se asocian proteínas con otra clase de biomoléculas para
formar asociaciones supramacromoleculares (ribosomas, nucleosomas, virus, membranas,
etc), se habla de estructura quinaria.
Los enlaces que determinan la estructura primaria son covalentes (enlace amida o
enlace peptídico), mientras que la mayoría de los enlaces que determinan la
conformación (estructuras secundaria y terciaria) y la asociación (estructura cuaternaria y
quinaria) son de tipo no covalente.
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ESTRUCTURA PRIMARIA
La secuencia de una proteína viene determinada por el tipo de AA que contiene
y el orden en que están ensamblados (Figura 2). Los enlaces que participan en la
estructura primaria de una proteína son covalentes: son los enlaces peptídicos. El enlace
peptídico (Figura 3) es un enlace amida que se forma entre el grupo carboxilo de una AA
con el grupo amino de otro, con eliminación de una molécula de agua.
Independientemente de la longitud de la cadena polipeptídica, siempre hay un extremo
amino terminal y un extremo carboxilo terminal que permanecen intactos. Por
convención, la secuencia de una proteína se lee siempre a partir de su extremo amino.
Como consecuencia del establecimiento de enlaces peptídicos entre los distintos
AA que forman la proteína se origina una cadena principal o "esqueleto" a partir del
cual emergen las cadenas laterales de los AA (Figura 4). Los átomos que componen la
cadena principal de la proteína son el N del grupo amino (condensado con el AA
precedente), el Cα (a partir del cual emerge la cadena lateral) y el C del grupo carboxilo
(que se condensa con el AA siguiente). Por lo tanto, la unidad repetitiva básica que
aparece en la cadena principal de una proteína es: ( -NH-Cα-CO-)
Como la estructura primaria es la que determina los niveles superiores de
organización, el conocimiento de la secuencia de AA es del mayor interés para el estudio
de la estructura y función de una proteína. Clásicamente, la secuenciación de una
proteína se realizaba mediante métodos químicos (que se estudiarán más adelante). Hoy
en día, los avances de la Biología Molecular permiten conocer la secuencia de un gen
mucho antes de que se haya podido purificar la proteína que codifica. El análisis de la
secuencia del DNA permite secuenciar una proteína sin que se haya purificado
previamente, ya que cada grupo de tres bases de la secuencia del DNA especifican un
aminoácido. El Código Genético establece la relación entre cada grupo de tres
nucleótidos (codón) y el AA que codifica (Figura 5). El Código Genético es de validez
universal, ya que es el mismo para todos los seres vivos.
La comparación de la estructura primaria de una misma proteína en especies
diversas tiene un enorme interés desde los puntos de vista funcional y filogenético.
Cuanto más alejadas estén las especies analizadas en el árbol filogenético, más
diferencias se podrán observar en la estructura primaria de proteínas análogas. Sin
embargo, a menudo se encuentra que el mismo aminoácido aparece siempre en idéntica
posición en todas las especies estudiadas. Estos AA reciben el nombre de AA
invariantes o AA conservados, y suelen ser indispensables para la función y estructura
correcta de la proteína. Cualquier mutación en estas posiciones es letal para el organismo,
y por tanto hay una fortísima selección en contra.
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ESTRUCTURA SECUNDARIA
A primera vista podría pensarse en las proteínas como polímeros lineales de AA
unidos entre sí por medio del enlace peptídicos. Sin embargo, la posibilidad de establecer
puentes de hidrógeno entre los grupos -CO- y -NH- del enlace peptídico (el primero
como aceptor, y el segundo como dador) permite adoptar conformaciones de menor
energía libre, y por tanto, más estables. Así, se pueden distinguir varios tipos de
conformaciones que determinan la estructura secundaria de una proteína:
1.- CONFORMACION AL AZAR: En algunas proteínas, o en ciertas regiones de la
misma, no existen interacciones de suficiente consideración como para que se pueda
distinguir un nivel de organización superior a la estructura primaria. En estos casos se
habla de conformación al azar.
2.- HELICE α: Cuando la cadena principal de un polipéptido se pliega en el espacio en
forma de helicoide dextrógiro se adopta una conformación denominada hélice α. Esta
estructura es periódica y en ella cada enlace peptídico puede establecer dos puentes de
hidrógeno (Figura 6). Un puente de hidrógeno se forma entre el grupo -NH- del enlace
peptídico del AA en posición n y el grupo -CO- del enlace peptídico del AA situado en
posición n-4. El otro puente de hidrógeno se forma entre el grupo -CO- del enlace
peptídico del AA en posición n y el grupo -NH- del enlace peptídico del AA situado en
posición n+4. Cada vuelta de la hélice implica 3,6 AA, con una translación media por
residuo de 0,15 nm, lo que indica que la hélice tiene un paso de rosca de 0,54 nm (Figura
7). Dicho con otras palabras, una vuelta completa de la hélice α representa una distancia
de 0,54 nm y contiene 3,6 residuos de AA. Las cadenas laterales de los AA se sitúan en la
parte externa del helicoide, lo que evita problemas de impedimentos estéricos (Figura 8).
En consecuencia, esta estructura puede albergar a cualquier AA, a excepción de la
prolina, cuyo Cα no tiene libertad de giro, por estar integrado en un heterociclo. Por este
motivo, la prolina suele determinar una interrupción en la conformación en hélice
α (Figura 9). Los AA muy polares (Lys, Glu) también desestabilizan la hélice α porque
los enlaces de hidrógeno pierden importancia frente a las interacciones electrostáticas de
atracción o repulsión. Por este motivo, la estructura en hélice α es la que predomina a
valores de pH en los que los grupos ionizables no están cargados. En caso contrario,
adoptan la conformación al azar.
3.- HOJA β: Cuando la cadena principal de un polipéptido se estira al máximo que
permiten sus enlaces covalentes se adopta una configuración espacial denominada
estructura β (Figura 10). Las estructuras β de distintas cadenas polipeptídicas o bien las
estructuras β de distintas zonas de una misma cadena polipeptídica pueden interaccionar
entre sí mediante puentes de hidrógeno, dando lugar a estructuras laminares llamadas por
su forma hojas plegadas u hojas β. Cuando las estructuras β tienen el mismo sentido
NC, la hoja plegada resultante es paralela, y si las estructuras β tienen sentidos
opuestos, la hoja plegada resultante es antiparalela (Figura 11). Esta conformación es
típica de proteínas fibrosas como la fibroína de la seda o las β-queratinas de las plumas de
ave, pero también aparece en proteínas globlulares como las inmunoglobulinas.
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4.- GIROS β: Secuencias de la cadena polipeptídica con estructura α o β a menudo están
conectadas entre sí por medio de los llamados giros β (Figura 12). Son secuencias cortas,
con una conformación característica que impone un brusco giro de 180 o a la cadena
principal de un polipéptido. AA como Asn, Gly y Pro, que se acomodan mal en
estructuras de tipo α o β, aparecen con frecuencia en este tipo de estructura. La
conformación de los giros β está estabilizada por medio de puentes de hidrógeno entre los
residuos 1 y 4 (Figura 12).
5.- CONFORMACION DEL COLAGENO: El colágeno es una imporante proteína
fibrosa, con función estructural. Presenta una secuencia típica compuesta por la
repetición periódica de grupos de tres AA. El primer AA de cada grupo es Gly, y los
otros dos son Pro (o hidroxiprolina) y un AA cualquiera. La frecuencia periódica de la
Pro condiciona el enrollamiento peculiar del colágeno en forma de hélice levógira. La
glicina, sin cadena lateral, permite la aproximación entre distintas hélices, de forma que
tres hélices levógiras se asocian para formar un helicoide dextrógiro. El tercer AA
refuerza la estructura mediante enlaces covalentes intercatenarios (Figura 13).
6.- ESTRUCTURAS SUPERSECUNDARIAS: En proteínas con estructura terciaria
globular es frecuente encontrar combinaciones de estructuras al azar, α y β, con una
disposición característica que es igual en distintas proteínas. Estas combinaciones de
elementos de estructura secundaria que se repiten en distintos tipos de proteínas reciben
el nombre de estructuras supersecundarias. Una de las más notables es el meandro β,
formado por varias hojas β antiparalelas conectadas por segmentos con conformación al
azar. La unidad βαβ consiste en varias estructuras β paralelas y yuxtapuestas, conectadas
por un segmento al azar o en hélice α. La estructura de Rossman consta de hélices α y
hojas β en disposicón paralela y alternante (Figura 14).
ESTRUCTURA TERCIARIA
Se llama estructura terciaria a la disposición tridimensional de todos los átomos
que componen la proteína. Se trata de un concepto análogo al de configuración absoluta
en moléculas pequeñas. Para las proteínas que constan de una sola cadena polipeptídica
(carecen de estructura cuaternaria), la estructura terciaria es la máxima información
estructural que se puede obtener (Figura 15).
La estructura terciaria es una disposición precisa y única en el espacio, y que
surge a medida que se sintetiza la proteína. En otras palabras, la estructura terciaria está
determinada por la secuencia de AA (estructura primaria). Las fuerzas que estabilizan
la estructura terciaria de una proteína globular se establecen entre las distintas cadenas
laterales de los AA que la componen. Los enlaces propios de la estructura terciaria
globular pueden ser de dos tipos: covalentes y no covalentes.
Los enlaces covalentes pueden deberse a (1) la formación de un puente disulfuro
entre dos cadenas laterales de Cys, o a (2) la formación de un enlace amida (-CO-NH-)
entre las cadenas laterales de la Lys y un AA dicarboxílico (Glu o Asp).
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Los enlaces no covalentes pueden ser de cuatro tipos: (1) fuerzas electrostáticas
entre cadenas laterales ionizadas, con cargas de signo opuesto, (2) puentes de
hidrógeno, entre las cadenas laterales de AA polares (3) interacciones hidrofóbicas
entre cadenas laterales apolares y (4) fuerzas de polaridad debidas a interacciones
dipolo-dipolo.
No todas estas interacciones contribuyen por igual al mantenimiento de la
estructura terciaria. Obviamente, el enlace que aporta más estabilidad es el de tipo
covalente, y entre los no covalentes, las interacciones más importantes son las de tipo
hidrofóbico, ya que exigen una gran proximidad entre los grupo apolares de los AA.
Se distinguen dos tipos de estructura terciaria: la de tipo fibroso y la de tipo
globular. En las proteínas con estructura terciaria de tipo fibroso (como pueden ser el
colágeno, la queratina del cabello o la fibroína de la seda), una de las dimensiones es
mucho mayor que las otras dos. En este caso, los elementos de estructura secundaria
(hélices α u hojas β) pueden mantener su ordenamiento sin recurrir a grandes
modificaciones, tan sólo introduciendo ligeras torsiones longitudinales, como en las
hebras de una cuerda. En las proteínas con estructura terciaria de tipo globular, más
frecuentes, la cadena polipeptídica sufre un nuevo plegamiento, en el que no existe una
dimensión que predomine sobre las demás, y su forma es aproximadamente esférica. En
este tipo de estructuras se suceden regiones con estructuras al azar, hélice α hoja β,
acodamientos y estructuras supersecundarias.
Como resultado de estas interacciones, las moléculas con estructura terciaria
globular suelen contener un interior compacto de carácter hidrofóbico, con las cadenas
laterales más polares orientadas hacia la superficie, interaccionando con el agua y
permitiendo que la proteína permanezca en disolución.
Recientemente, se han descrito regiones diferenciadas dentro de la estructura
terciaria de las proteínas globulares. Estas regiones, que constituyen un nivel estructural
intermedio entre las estructuras secundaria y terciaria reciben el nombre de dominios.
Los dominios (Figura 16) son unidades de plegamiento, y también la unidad de
desnaturalización de las proteínas globulares. Parece ser que a medida que se sintetizan
las cadenas polipeptídicas, los distintos dominios se pliegan por separado, y es la
asociación de los distintos dominios la que origina la estructura terciaria. La
desnaturalización consiste en la pérdida total o parcial de los niveles de estructuración
superiores al primario. Esta pérdida puede ser reversible o irreversible.
ESTRUCTURA CUATERNARIA
Cuando una proteína consta de más de una cadena polipeptídica, es decir, cuando
se trata de una proteína oligomérica, decimos que tiene estructura cuaternaria. La
estructura cuaternaria debe considerar: (1) el número y la naturaleza de las distintas
subunidades o monómeros que integran el oligómero y (2) la forma en que se asocian en
el espacio para dar lugar al oligómero.
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En proteínas con estructura terciaria de tipo fibroso, la estructura cuaternaria
resulta de la asociación de varias hebras para formar una fibra o soga. La miosina o la
tropomiosina constan de dos hebras con estructura de hélice α enrolladas en una fibra
levógira. La α-queratina del cabello y el fibrinógeno de la sangre presentan tres hebras en
cada fibra levógira (Figura 17). El colágeno consta de tres hebras helicoidales levógiras
que forman una fibra dextrógira (Figura 13). La β-queratina (fibroína) de la seda presenta
varias hebras con estructura de hoja β orientadas de forma antiparalela (Figura 18).
Cuando varias proteínas con estructura terciaria de tipo globular se asocian
para formar una estructura de tipo cuaternario, los monómeros pueden ser exactamente
iguales (como en el caso de la fosfoglucoisomerasa o de la hexoquinasa) o muy
parecidos (como en el caso de la lactato deshidrogenasa). También puede ocurrir que los
monómeros tengan una misma función aunque estructuralmente sean distintos (como
en el caso de la hemoglobina), o que los monómeros sean estructural y funcionalmente
distintos, que una vez asociados forman una unidad funcional. Este es el caso de la
aspartato transcarbamilasa, un enzima alostérico donde existen unas subunidades con
actividad catalítica y otras con actividad reguladora (Figura 19).
Las fuerzas que mantienen unidas las distintas cadenas polipeptídicas son, en
líneas generales, las mismas que estabilizan la estructura terciaria. Las más abundantes
son las interacciones débiles (hidrofóbicas, polares, electrostáticas y puentes de
hidrógeno), aunque en algunos casos, como en las inmunoglobulinas, la estructura
cuaternaria se mantiene mediante puentes disulfuro. El ensamblaje de los monómeros se
realiza de forma espontánea, lo que indica que el oligómero presenta un mínimo de
energía libre con respecto a los monómeros. La estructura cuaternaria modula la
actividad biológica de la proteína y la separación de las subunidades a menudo conduce a
la pérdida de funcionalidad.
ASOCIACIONES SUPRAMOLECULARES
En muchos casos, las proteínas se agrupan bien entre sí, bien con otros grupos de
biomoléculas para formar estructuras de orden superior y que tienen un carácter
permanente. Este nivel de asociación recibe el nombre de estructura quinaria. Así, las
proteínas α y β-tubulina forman unos filamentos huecos enormemente largos llamados
microtúbulos, cuya función es fundamentalmente estructural, ya que forman parte del
citoesqueleto de las células. La fibrina es otra proteína que forma una asociación
supramolecular. Los monómeros de fibrina se unen mediante enlaces covalentes para
formar la malla tridimensional característica del trombo o coágulo sanguíneo. En otros
casos, las proteínas se unen a otras biomoléculas para formar asociaciones
supramoleculares. Así, cuando se unen con azúcares se forman los proteoglicanos y los
peptidoglicanos, cuando se unen con lípidos forman las membranas biológicas y cuando
se unen con ácidos nucleicos forman ribosomas, nucleosomas o virus.
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PROPIEDADES DE LAS PROTEINAS
Desde el punto de vista bioquímico, las propiedades de las proteínas son: (1) la
posibilidad de precipitación selectiva (reversible o irreversible) por medio de diversos
procedimientos, (2) la capacidad amortiguadora y (3) las propiedades osmóticas.
1.- PRECIPITACION SELECTIVA
El agua es el disolvente biológico por excelencia. En disolución acuosa, los
residuos hidrofóbicos de las proteínas se acumulan en el interior de la estructura,
mientras que en la superficie aparecen diversos grupos con carga eléctrica, en función
del pH del medio. En torno a los grupos cargados, los dipolos del agua se orientan
conforme a la carga eléctrica de cada grupo, de tal manera que la proteína presenta una
capa de solvatación formada por el agua de hidratación, que es el agua retenida por las
cargas eléctricas de la superficie de las proteínas. Los AA polares sin carga también se
disponen en la superficie, donde interaccionan con el agua mediante puentes de
hidrógeno.
Cualquier factor que modifique la interacción de la proteína con el disolvente
disminuirá su estabilidad en disolución y provocará la precipitación. Así, la desaparición
total o parcial de la envoltura acuosa, la neutralización de las cargas eléctricas de tipo
repulsivo o la ruptura de los puentes de hidrógeno facilitará la agregación intermolecular
y provocará la precipitación. La precipitación suele ser consecuencia del fenómeno
llamado desnaturalización.
Se llama desnaturalización de las proteínas a la pérdida de las estructuras de
orden superior (secundaria, terciaria y cuaternaria), quedando la cadena polipeptídica
reducida a un polímero estadístico sin ninguna estructura tridimensional fija (Figura 20).
Cuando la proteína no ha sufrido ningún cambio en su interacción con el
disolvente, se dice que presenta una estructura nativa. Cualquier alteración de la
estructura nativa que modifique su interacción con el disolvente y que provoque su
precipitación dará lugar a una estructura desnaturalizada. En una proteína cualquiera,
la estructura nativa y la desnaturalizada tan sólo tienen en común la estructura primaria,
es decir, la secuencia de AA que la componen. Los demás niveles de organización
estructural desaparecen en la estructura desnaturalizada.
La desnaturalización provoca diversos efectos en la proteína: (1) una drástica
disminución de su solubilidad, ya que los residuos hidrofóbicos del interior aparecen en
la superficie; (2) cambios en las propiedades hidrodinámicas de la proteína: aumenta
la viscosidad y disminuye el coeficiente de difusión y (3) pérdida de las propiedades
biológicas.
Una proteína desnaturalizada cuenta únicamente con su estructura primaria. Por
este motivo, en muchos casos, la desnaturalización es reversible, ya que es la estructura
primaria la que contiene la información necesaria y suficiente para adoptar niveles
superiores de estructuración. Esta propiedad es de gran utilidad durante los procesos de
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aislamiento y purificación de proteínas, ya que no todas la proteínas reaccionan de igual
forma ante un cambio en el medio donde se encuentra disuelta.
En algunos casos, la desnaturalización conduce a la pérdida total de la
solubilidad, con lo que la proteína precipita. La formación de agregados fuertemente
hidrofóbicos impide su renaturalización, y hacen que el proceso sea irreversible.
Los agentes que provocan la desnaturalización de una proteína se llaman agentes
desnaturalizantes. Se distinguen agentes físicos (calor) y químicos (detergentes,
disolventes orgánicos, pH, fuerza iónica).
Como en algunos casos el fenómeno de la desnaturalización es reversible, es
posible precipitar proteínas de manera selectiva mediante cambios en (1) la polaridad
del disolvente, (2) la fuerza iónica, (3) el pH o (4) la temperatura.
La polaridad del disolvente disminuye cuando se le añaden sustancias menos
polares que el agua como el etanol o la acetona. Con ello disminuye el grado de
hidratación de los grupos iónicos superficiales de la molécula proteica, provocando la
agregación y precipitación. Los disolventes orgánicos interaccionan con el interior
hidrofóbico de las proteínas y desorganizan la estructura terciaria, provocando su
desnaturalización y precipitación. La acción de los detergentes es similar a la de los
disolventes orgánicos.
Un aumento de la fuerza iónica del medio (por adición de sulfato amónico,
urea o hidrocloruro de guanidinio, por ejemplo) también provoca una disminución en
el grado de hidratación de los grupos iónicos superficiales de la proteína, ya que estos
solutos (1) compiten por el agua y (2) rompen los puentes de hidrógeno o las
interacciones electrostáticas, de forma que las moléculas proteicas se agregan y
precipitan. En muchos casos, la precipitación provocada por el aumento de la fuerza
iónica es reversible. Mediante una simple diálisis se puede eliminar el exceso de soluto y
recuperar tanto la estructura como la función original. A veces es una disminución en la
fuerza iónica la que provoca la precipitación. Así, las proteínas que se disuelven en
medios salinos pueden desnaturalizarse al dializarlas frente a agua destilada, y se
renaturalizan cuando se restaura la fuerza iónica original.
Los iones H + y OH - del agua provocan efectos parecidos, pero además de afectar
a la envoltura acuosa de las proteínas también afectan a la carga eléctrica de los grupos
ácidos y básicos de las cadenas laterales de los aminoácidos. Esta alteración de la carga
superficial de las proteínas elimina las interacciones electrostáticas que estabilizan la
estructura terciaria y a menudo provoca su precipitación. La solubilidad de una proteína
es mínima en su punto isoeléctrico, ya que su carga neta es cero y desaparece cualquier
fuerza de repulsión electrostática que pudiera dificultar la formación de agregados.
Cuando la temperatura es elevada aumenta la energía cinética de las moléculas
con lo que se desorganiza la envoltura acuosa de las proteínas, y se desnaturalizan.
Asímismo, un aumento de la temperatura destruye las interacciones débiles y desorganiza
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la estructura de la proteína, de forma que el interior hidrofóbico interacciona con el
medio acuoso y se produce la agregación y precipitación de la proteína desnaturalizada.
2.- CAPACIDAD AMORTIGUADORA
Esta propiedad se debe a la existencia de (1) los grupos ionizables de las cadenas
laterales de los aminoácidos Asp, Glu, Lys, Arg, His, Tyr, Cys; y (2) a la existencia de
los grupos COOH y NH2 terminales. Por este motivo, las proteínas poseen un
considerable poder amortiguador en una amplia zona de pH. Aunque cada AA tiene unos
grupos ionizables con unas constantes de ionización (pKa) características, el valor de
dichas constantes puede verse ligeramente modificado por el entorno proteico. El
grupo imidazol del AA histidina es el principal responsable del poder amortiguador de
las proteínas a pH fisiológico, ya que su pKa está próximo a 7.
Cuando el pH es bajo, los grupos ionizables están protonados, y la carga neta de
la proteína es de signo positivo. Cuando el pH es alto, los grupos ionizables están
desprotonados, y la carga neta es de signo negativo. Entre ambas zonas, habrá un pH en
el cual la carga neta de la proteína es nula. Es el pH isoeléctrico o punto isoeléctrico, y
es característico de cada proteína. A valores de pH por debajo del pH isoeléctrico la carga
neta de la proteína es positiva, y a valores de pH por encima del pH isoeléctrico, la carga
neta de la proteína es negativa. La mayoría de las proteínas intracelulares tienen carga
negativa, ya que su pH isoeléctrico es menor que el pH fisiológico (que está proximo a
7). Se llaman proteínas ácidas a aquellas que tienen un punto isoeléctrico bajo (como la
pepsina), y proteínas básicas a las que tienen un punto isoeléctrico alto (como las
histonas).
3.- PROPIEDADES OSMOTICAS
Como todo soluto molecular o iónico, las proteínas ejercen un efecto osmótico
cuando existen barreras que limitan su libre difusión. Si tenemos dos compartimentos
acuosos separados por una membrana semipermeable y uno de estos compartimentos
contiene proteínas, éstas tienden a captar agua del compartimento vecino. Este efecto
osmótico es proporcional al número de partículas dispersas. El valor de la presión
osmótica se puede calcular mediante la fórmula de Van't Hoff (π = mRT).
En el caso de las proteínas, el efecto osmótico se ve amplificado por otros dos
factores. Por un lado, el agua de hidratación que forma la envoltura acuosa de las
proteínas contribuye a la presión osmótica. Por otro lado, las proteínas se comportan
como polianiones, cuyas cargas están neutralizadas por iones Cl - , Na + o K + . Las
membranas biológicas son algo permeables a estos iones, con lo cual su concentración a
ambos lados de la membrana se equilibra. Sin embargo, la existencia de proteínas en sólo
uno de los compartimentos provoca la retención permanente de iones difusibles en ese
lado de la membrana (efecto Donnan), lo que incrementa el efecto osmótico (Figura 21).
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Se denomina presión coloidosmótica o presión oncótica al efecto osmótico
conjunto de las proteínas y que es el resultado de: (1) la presión osmótica (que sólo
depende del número de partículas), (2) la presión provocada por el agua de hidratación, y
(3) la presión provocada por el exceso de iones debido al efecto Donnan. La mayor parte
del agua en el sistema circulatorio está retenida por el efecto osmótico de las proteínas
del plasma. Cuando por cualquier circunstancia patológica disminuye la concentración de
proteínas en el plasma, el agua puede fluir libremente hacia los tejidos, provocando un
edema.
Proteínas 12