proteinas

FISIOLOGA GENERAL Jess Merino Prez y Mara Jos Noriega Borge

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BIOMOLCULAS. PROTENAS

BIOMOLCULAS

Los bioelementos se unen para formar biomolculas, tambin denominadas principios inmedia-

tos. En los seres vivos las molculas se caracterizan por presentar una gran diversidad, a dife-

rencia del mundo inorgnico que es mucho ms uniforme y montono.

La clasificacin de las molculas se realiza tambin segn mltiples criterios, uno de los cuales

es que su presencia sea exclusiva de los seres vivos, biomolculas orgnicas: glcidos, lpidos,

protenas y cidos nucleicos; o bien que carezcan de dicha exclusividad y formen tambin

parte del mundo mineral, biomolculas inorgnicas, como el agua y sales inorgnicas como

fosfatos, carbonatos, sulfatos, etc.

Del conjunto de molculas que forman parte de los seres vivos, el agua es sin duda la mayori-

taria y aparte de ella, el resto de las biomolculas, porcentualmente relevantes, son las orgni-

cas, que son compuestos derivados del carbono.

Biomolculas % peso celular total Tipos de molculas

Agua 70 % 1

Metabolitos 0,2 % 300

Monmeros 2,8 % 550

Macromolculas 26% ~ 3000

Desde el punto de vista de su tamao, las biomolculas son denominadas como:

1) Precursores: Molculas de peso molecular bajo, tales como el H2O, o el CO2.

2) Metabolitos: Molculas de peso molecular intermedio, de vida corta e intermediarios de

las reacciones metablicas.

3) Monmeros estructurales: Molculas de peso molecular intermedio, que son unidades de

construccin de las macromolculas, como los monosacridos, aminocidos, etc.,

4) Macromolculas o supramolculas: Molculas de elevado peso molecular, como las pro-

tenas, cidos nucleicos, etc. que presentan una gran variabilidad estructural (Tabla 1) y

consecuentemente de funcin. Las propiedades de estas macromolculas dan lugar a las

caractersticas que definen y diferencian a los seres vivos como son: el autoensamblaje,

la utilizacin de energa y la autopropagacin.

Las biomolculas desarrollan funciones muy variadas, desde un papel estructural o arquitect-

nico, consistente en el mantenimiento de la morfologa del organismo; a una funcin energti-

ca, para sostener las funciones vitales, o bien una actividad reguladora o de control ajustando

todos los requerimientos de materia, energa e informacin para el organismo.


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PROTENAS

Las protenas son las biomolculas ms abundantes, ms variadas y con mayor diversidad de

funciones dentro del organismo. Desempean papeles fundamentales tanto en el interior de la

clula como en el espacio extracelular. El conocimiento del funcionamiento del organismo exi-

ge un estudio detallado de la estructura y propiedades de las protenas.

Todos los tipos conocidos de protenas estn formados por tan slo 20 aminocidos, denomi-

nados aminocidos comunes, que al unirse forman polmeros. Con tan slo veinte unidades

elementales de construccin se puede realizar tal variedad de combinaciones, que pueden con-

tarse por miles las estructuras distintas diseadas para desarrollar multitud de actividades bio-

lgicas.

1. AMINOCIDOS

Desde el punto de vista qumico, se definen como cidos orgnicos con un grupo funcional amino.

Estructura general de los aminocidos

Los aminocidos comunes tienen una estructura general similar para to-

dos, formada por un tomo de carbono central o tomo de carbono alfa

(), unido de forma covalente a un grupo cido o carboxlico (-COOH), un

grupo bsico o amino (-NH2) y un tomo de hidrgeno. Su cuarta valen-

cia se encuentra saturada por una cadena lateral (R), que es el elemento

que diferencia cada uno de los 20 aminocidos.

La existencia de los dos grupos funcionales cido y amino, adems de para obtener su denomi-

nacin, caracteriza a estas molculas qumicamente, y proporciona a las mismas una serie de

propiedades que les permitir la formacin de grandes polmeros.


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Clasificacin de los aminocidos

Las estructuras de las cadenas la-

terales son muy variadas y sus pro-

piedades qumicas sirven para cla-

sificar a los aminocidos en cuatro

grupos, dependiendo de la carga o

polaridad que presentan a pH fisio-

lgico. Esta carga determina su re-

lacin con las molculas de agua,

existiendo aminocidos hidrfobos

o insolubles en agua y aminocidos

hidrfilos muy solubles en agua. Los

cuatro grupos son los siguientes:

1) Aminocidos apolares o hidrfobos.

Constituyen el mayor grupo

de aminocidos, y se distin-

guen porque su cadena late-

ral no presenta carga, ya que

est formada por una cadena

hidrocarbonada ms o menos

larga e insoluble en agua.

Dentro de este grupo y de me-

nor a mayor complejidad esta-

ran: Glicina o glicocola, alani-

na, valina, leucina, isoleucina,

prolina, fenilalanina, triptfa-

no y metionina.

2) Aminocidos polares con carga neutra o sin carga. Este grupo de aminocidos tiene en sus cadenas laterales grupos hidroflicos que forman

puentes de hidrgeno con las molculas de agua, aumentando su solubilidad, seran: Se-

rina, treonina y tirosina (con un grupo hidroxilado -OH), cisteina (con un grupo sulfhidrilo

-SH) y asparragina y glutamina (con un grupo amida -NH2).

3) Aminocidos aninicos o cidos, con carga negativa. Presentan en su cadena lateral un grupo carboxilo que al disociarse a pH 7,0, les propor-

ciona carga neta negativa y propiedades cidas. Son: Acido asprtico (o aspartato) y ci-

do glutmico (o glutamato).

Twenty-One Amino Acids ( Dan Cojocari).


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4) Aminocidos catinicos o bsicos, con carga positiva. Este grupo al contrario que el anterior tiene en su cadena lateral un grupo nitrogenado o

amino que le da carga neta positiva y propiedades bsicas. Son: Histidina, lisina y arginina.

Las propiedades polares y apolares de los aminocidos tienen una gran importancia para la

comprensin del papel jugado por cada uno de ellos en la estructura y propiedades de las pro-

tenas. Los ms hidrofbicos tienden a plegarse situndose en el centro de la molcula protei-

ca, lejos de las molculas de agua; mientras que, por el contrario, los aminocidos polares tien-

den a situarse en el exterior de las molculas proteicas.

Aminocidos derivados

Adems de los aminocidos comunes, en algunas protenas hay aminocidos derivados. Cada

uno de stos se obtiene por una reaccin qumica en la cadena lateral. Las modificaciones que

se observan son muy variadas, y se producen despus de constituida la protena con el objeto

de mejorar la funcin de la misma.

Dentro de las modificaciones ms frecuentes se encuentran las incorporaciones de diferentes

grupos o radicales como los metilo, acetilo, hidroxilo, fosfato, carboxilo, etc. O bien las cicla-

ciones, las dimerizaciones como es el caso de la cistina formada por un puente disulfuro entre

las dos cadenas laterales de dos cisteinas.

Algunos aminocidos no se encuentran formando parte de protenas; comparativamente son

muy minoritarios, y puede apreciarse en ellos pequeos cambios respecto a los aminocidos

comunes. En algunos casos, desarrollan funciones claramente diferenciadas, como es, por

ejemplo, el cido gamma-amino-butrico (GABA) que acta como neurotransmisor; la creatina

que deriva de la glicocola y es un importante metabolito de reserva energtica de las clulas

musculares, o la taurina que unida a los cidos biliares es un componente de las sales biliares.


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2. EL ENLACE PEPTDICO

Para construir un pptido o una protena, los aminocidos deben unirse a travs de un enlace

covalente que permita su estabilidad y, como se podr observar, tambin su amplia versatili-

dad.

El enlace se establece entre un grupo carboxilo de un aminocido y un grupo amino de un se-

gundo aminocido mediante una condensacin que provoca la liberacin de una molcula de

agua, quedando formado un enlace amida. La formacin de un nico enlace da lugar al pptido

ms pequeo, o dipptido, constituido tan slo por dos aminocidos. Las uniones de sucesivos

aminocidos da lugar a tripptidos, tetrapptidos, oligopptidos, polipptidos y en ltimo ex-

tremo protenas.

El enlace peptdico es la base para

justificar todas las caractersticas

tanto estructurales como funciona-

les de las protenas. La posicin que

adoptan los electrones del nitrgeno

con respecto al carbono le propor-

cionan algunas caractersticas de los

enlaces dobles, entre ellas la imposi-

bilidad de rotacin de un tomo con

respecto al otro, obligando a situar-

se a dichos tomos y sus sustituyen-

tes en un mismo plano.

Sin embargo los enlaces que esta-

blece el tomo de carbono , con el N del grupo amino (enlace ) y con el C del grupo carboxi-

lo (enlace ), s presentan posibilidades de giro, ya que son enlaces sencillos que permiten

una gran libertad de rotacin a los lados del rgido plano del enlace peptdico.


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3. PPTIDOS

Con el nombre de pptidos se definen las mo-

lculas formadas por menos de 100 residuos

de aminocidos, mientras que las molculas de

mayor tamao son descritas como protenas.

Existe un ilimitado nmero de pptidos posi-

bles, que se pueden formar con los 20 amino-

cidos comunes, sin embargo en el organismo

su nmero es bastante ms concreto.

Estructura y denominacin

de los pptidos

La estructura simplificada de un pptido podra resumirse en un esqueleto formado por los en-

laces peptdicos y los carbonos . Las cadenas laterales unidas a estos carbonos forman rami-

ficaciones que cuelgan de dicho esqueleto, designndoselas residuos o restos aminoacdicos.

La denominacin en sentido estricto de un pptido vendra dada por la descripcin de sus ami-

nocidos constituyentes, comenzando por convenio por el aminocido que tiene su grupo ami-

no libre, y terminando por el que tiene el grupo carboxilo libre, (2 HN-Glu-Asn-Pro-Met-Gly-His-

Leu-COOH); a pesar de esta regla, los pptidos de inters fisiolgico tienen nombres comunes

mantenidos por el uso.

Entre los pptidos con funcin biolgica bien caracterizada merecen destacarse:

a) Glutation (GSH). Tripptido (-glutamil-cisteinil-glicina) que acta como antioxidante y

destoxificante en el interior celular por su capacidad de unirse entre s formando dmeros

a travs de la cistena.

b) Oxitocina y Vasopresina: Dos nonapptidos muy parecidos entre s, que producidos en la

hipfisis, desarrollan diferentes acciones hormonales.

c) Encefalinas: Pentapptidos producidos en el sistema nervioso central que al unirse a de-

terminadas neuronas inducen analgesia (eliminacin de las sensaciones de dolor). Met-

encefalina (2 HN-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COOH) y Leu-encefalina (2 HN-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-

COOH).

d) Bradiquinina: Nonapptido que inhibe la inflamacin tisular (2 HN- Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-

Ser-Pro-Phe-Arg-COOH)


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Propiedades de los pptidos

Sus propiedades derivan en buena parte de las propiedades de los aminocidos que los com-

ponen; as, su solubilidad depende del nmero de aminocidos hidrfilos que contengan, y

tambin de la longitud de la cadena peptdica, ya que cuanto ms larga sea tendrn menor so-

lubilidad.

Su polaridad depende de sus grupos carboxilo y amino terminales, y de la carga de las cade-

nas laterales de los aminocidos componentes de su estructura, y al igual que en los aminoci-

dos tienen pKs caractersticos que son utilizados en mltiples procedimientos bioqumicos para

lograr su aislamiento o separacin.


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4. CONFORMACIN DE LAS PROTENAS

Las protenas son molculas, en general, muy grandes pudiendo llegar a tener miles de aminoci-

dos, y por lo tanto sus miles de tomos pueden adoptar una variedad de posiciones en el espacio

extremadamente amplia.

Cada protena presenta una estructura

espacial caracterstica y nica, que se

denomina estructura o conformacin na-

tiva, y que resulta absolutamente nece-

saria para que pueda desarrollar su fun-

cin. Por ello, la descripcin de esta es-

tructura permite un conocimiento prcti-

camente completo de la molcula. Sin

embargo, desde el punto de vista prcti-

co resulta una tarea costosa y difcil, de

ah que en la actualidad, tan slo se co-

nozca ntegramente una pequea parte

de todas las protenas existentes.

Para llevar a cabo el estudio estructural

de las protenas se parcela el anlisis en

cuatro escalones o niveles, de menor a

mayor complejidad, que se denominan:

Estructura primaria, secundaria, terciaria

y cuaternaria, yuxtaponindose uno so-

bre otro para completar la imagen tridi-

mensional o arquitectnica de la mol-

cula.

Main protein structures levels (Mariana Ruiz Villarreal).


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Estructura primaria

Consiste en la determinacin de la secuencia de aminocidos de una protena, es el nivel de

conocimiento ms bsico y ms importante. Las protenas se diferencian entre s porque cada

una tiene un nmero de aminocidos y una secuencia de los mismos distinta. Una serie deter-

minada de aminocidos dar lugar a una configuracin espacial tambin nica y determinada,

lo que llevar en ltimo extremo a una funcin especfica y concreta.

Estructura secundaria

Define las posiciones regulares y repetitivas de aminocidos adyacen-

tes en una cadena peptdica. Podra suponerse que las posibilidades de

colocacin en el espacio, que tiene un residuo aminoacdico con res-

pecto a sus vecinos ms prximos, son infinitas; sin embargo, la rigi-

dez del plano del enlace peptdico y las limitadas posibilidades de giro

alrededor del carbono , reducen en gran medida las estructuras esta-

bles que pueden existir en la realidad. Las rotaciones posibles se miden

mediante ngulos de rotacin denominados por convencin ngulo

(phi) al enlace N-C , y (psi) al enlace C -C. Y aunque las posibili-

dades tericas permitiran valores entre -180 y +180, en la realidad

muchas de las mismas son imposibles, debido a las interferencias es-

paciales entre los tomos del esqueleto peptdico y los tomos de las

cadenas laterales. Por dicho motivo, las dos estructuras ms importan-

tes y abundantes en las protenas son: La hlice y la conformacin .

(Estudio individual de ambas).


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Estructura terciaria

Describe las relaciones espaciales entre todos los aminocidos de la cadena peptdica, propor-

ciona una imagen tridimensional completa de la molcula. En este nivel se analizan las posicio-

nes en el espacio de aminocidos que no son consecutivos.

A lo largo de una cadena peptdica existen zonas de cambio que estn determinadas por la

presencia de un nmero y posicin de aminocidos concretos como son habitualmente Pro,

Ser, Thr y Gly. Una protena grande normalmente contiene varios tipos de estructura secunda-

ria, el plegamiento de la cadena en las zonas de cambio da lugar a que residuos muy alejados

en la secuencia primaria aparezcan juntos.

Los segmentos de la cadena peptdica plegada se

mantienen en posicin mediante una serie de enla-

ces, de naturaleza dbil en su mayora, que se esta-

blecen entre residuos aminoacdicos y entre stos y

el entorno. Los enlaces pueden ser puentes de hi-

drgeno, interacciones hidrofbicas, fuerzas de Van

der Waals, e incluso enlaces covalentes a travs de

puentes disulfuro.

La frontera entre estructura secundaria y terciaria

resulta a veces muy difuminada, dependiendo del

tipo de molcula que se est analizando. Existe una

clasificacin morfolgica de las protenas en dos gru-

pos denominadas protenas fibrosas y protenas globulares. Dentro de las fibrosas se encontra-

ran el colgeno, la queratina o la elastina, protenas todas ellas que aportan resistencia y/o

elasticidad a los medios donde se encuentran. En estas protenas la conformacin queda des-

crita analizando los dos niveles iniciales de estructura, ya que sus cadenas polipeptdicas tie-

nen una secuencia nica y repetitiva de hlice alfa.

En cambio las protenas globulares, que son las ms abundantes, disponen de nivel de estructu-

racin terciaria donde se describe la posicin y estructura de cada segmento con una estructura

secundaria caracterstica. En stas se describen diferentes regiones denominadas Dominios,

que son cadenas de 50 a 350 aminocidos, formadas por una combinacin de hlices alfa y lmi-

nas beta, que adoptando diversas posiciones en el espacio dan lugar a una unidad globular.


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Estructura cuaternaria

Cuando una protena est formada por varias cadenas polipeptdicas, cada una recibe el nom-

bre de monmero o subunidad, y la descripcin de sus posiciones espaciales y su forma de

asociarse determina este ltimo nivel de estructuracin. Las interacciones entre los monme-

ros son del mismo tipo que las que estabilizan las estructuras terciarias, en general interaccio-

nes de tipo no covalente.

Los monmeros que componen una protena pueden ser iguales, o anlogos, como es el caso

de la molcula de hemoglobina formada por cuatro subunidades o monmeros muy parecidos,

iguales dos a dos (dos cadenas y dos cadenas , 22); o bien ser totalmente diferentes.

Existe un nivel de estructuracin que estara por encima del nivel molecular y que corresponde

a las grandes estructuras formadas por autoensamblamiento, que dan lugar a tubos, filamen-

tos, lminas, anillos, etc. Una de estas estructuras complejas sera, por ejemplo, el ribosoma,

orgnulo intracelular construido por dos tipos de macromolculas que son los cidos nucleicos

y las protenas, su formacin se realiza de manera automtica al acoplarse sus elementos

constituyentes.

5. CLASIFICACIN DE LAS PROTENAS

Adems de su clasificacin morfolgica en protenas fibrosas y globulares, existen otros crite-

rios para su clasificacin.

Desde el punto de vista qumico se las cataloga en dos grupos:

1) Protenas simples, formadas nicamente por aminocidos.

2) Protenas conjugadas, en las que adems de los aminocidos, contienen otro tipo de mol-

culas denominados grupos prostticos, recibiendo la fraccin peptdica el nombre de apo-

protena. Dependiendo de la naturaleza del grupo prosttico, las protenas conjugadas se

clasifican en:

a) Glicoprotenas, si es de naturaleza glucdica.

b) Lipoprotenas, si es de naturaleza lipdica.

c) Nucleoprotenas, asociadas a los cidos nucleicos.

d) Cromoprotenas, el grupo prosttico es una molcula orgnica, porfirina, asociada

normalmente con un tomo metlico.

e) Fosfoprotenas: Su grupo prosttico es un ster fosfato.

f) Otras, con grupos muy variados, metales, vitaminas o derivados de las mismas, etc.

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