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Tema 5. Proteínas Bioquímica

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TEMA 5

PROTEÍNAS

1. Clasificación de las proteínas y niveles estructurales 2. Proteínas Fibrosas. Queratinas 4. Proteínas Globulares. Mioglobina, Hemoglobina, Inmunoglobulinas 1. Clasificación de las proteínas y niveles estructurales Las proteínas son cadenas polipeptídicas que se diferencian de los oligopéptidos en el número de aminoácidos que contienen, en su carácter funcional y sobre todo en que son el resultado del proceso de expresión genética. La conformación de una proteína hace referencia a la disposición espacial de la misma, aspecto de vital importancia, pues va a estar directamente relacionado con la función que desempeñan. Según su conformación las proteínas pueden clasificarse en fibrosas y globulares. Las proteínas fibrosas poseen las cadenas polipeptídicas ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje, forman materiales físicamente resistentes e insolubles en agua, siendo elementos básicamente estructurales como por ejemplo la α-queratina del pelo, la fibroina de la seda o el colágeno de los tendones. Por su parte, las proteínas globulares, están constituidas por una o varias cadenas polipeptídicas plegadas de modo que puedan adoptar una conformación esférica o globular, desempeñando diferentes funciones, entre ellas:

• proteínas transportadoras (mioglobina) • catalizadores (enzimas) • protectora (anticuerpos) • receptoras de señal (rodopsina) • reserva (albumina)

La conformación que presenta una proteína va a depender directamente de los distintos niveles estructurales que posee, pudiéndose observar hasta cuatro nivels estructurales, denominados estructura primaria, secundaría, terciaria y cuaternaria, niveles que se muestran para el caso de la hemoglobina en la figura 1.


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Como se indicó estudió en el tema anterior, la estructura primaria hace referencia a la posición que ocupa cada aminoácido en la cadena polipeptídica, es decir nos indica la secuencia de la proteína. La importancia de este nivel radica en que la posición que ocupa cada aminoácido dentro de la cadena va a condicionar enormemente el resto de los niveles estructurales y en último término la función que desempeña la proteína. Las proteínas no son sólo polipéptidos: son polipéptidos de secuencia definida, cualquier alteración de la secuencia puede provocar cambios en el resto de niveles e impedir el correcto funcionamiento de la proteína. La Estructura secundaria: hace referencia a la ordenación regular y periódica de la cadena polipeptídica en una dirección determinada. Los conocimientos sobre la estructura secundaria tienen su origen en los estudios realizados por Linus Pauling, de tal forma que trabajando básicamente con modelos estructurales, Pauling y sus colaboradores pudieron llegar a un pequeño número de conformaciones regulares que cumplían todos los criterios derivados de los estudios de difracción de rayos X. Básicamente, se establecen dos tipos de estructura secundaria, la hélice-α y la conformación-ß.

• En la Hélice-α (Fig.2) la cadena polipeptídica adopta una conformación helicoidal. Las estructuras helicoidales se caracterizan por el numero de aminoácidos por vuelta (n) (3,6 restos en la Hélice-α) y por su paso de rosca (p), o distancia entre vuelta (5,4 Å para la Hélice-α). Esta conformación se estabiliza por puentes de hidrógeno (R-C=O ●●●● H-N-R) intracatenarios

Figura 1. Esquema de los cuatro niveles de estructura de las proteínas.


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(dentro de la hélice) entre el grupo amino y el carbonilo de enlaces peptídicos enfrentados. Además, los restos -R de los aminoácidos se disponen hacia fuera de la hélice evitando las interacciones estéricas (por grupos voluminosos) y estabilizando la conformación. Por otro lado, la hélice-α puede distorsionarse o perder la conformación cuando en la secuencia aparece una prolina, único aminoácido ciclado por su grupo α-amino.

Aunque la hélice-α es la conformación más común, es posible encontrar en algunas proteínas hélices 310 (con 3 residuos por vuelta), e incluso es estéricamente posible la denominada hélice π (4,4 residuos por vuelta) si bien aun no se ha observado en las proteínas. En la conformación-ß (Fig.3) la cadena adopta una ordenación lineal en la que los restos -R, de los aminoácidos, se van alternando por encima y por debajo (zig-zag) del plano del enlace peptídico. Esta conformación se estabiliza con puentes de hidrógeno entre varias cadenas de proteínas con conformación-ß, dando lugar a una hoja plegada ß, que puede presentar un plegamiento paralelo, (en el que las cadenas vecinas se desarrollan en la misma dirección), o bien un plegamiento antiparalelo con cadenas vecinas en direcciones opuestas.

Figura 2. Esquema de la hélice-α


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La Estructura Terciaria hace referencia al modo en que se curvan o pliegan en el espacio los segmentos de hélice-α y/o conformación-ß, que presenta una cadena polipeptídica de las proteínas globulares. El plegamiento de una proteína globular hasta alcanzar su conformación espacial es un proceso claramente favorecido termodinámicamente, es decir el cambio de energía libre global que se produce con el plegamiento es negativo. Dicho proceso, que implicaría una reorganización espacial y por lo tanto una disminución de entropía, se ve favorecido por interacciones que se producen entre los residuos de os aminoácidos, entre ellas, interacciones electrostáticas, puentes de hidrógeno, fuerzas de van der Waals, interacciones hidrofóbicas y puentes disulfuro. La estructura terciaria depende lógicamente de su estructura primaria, así las cadenas laterales de los aminoácidos en las proteínas globulares se hallan distribuidas espacialmente de acuerdo con sus polaridades, de tal forma que:

• Los restos no polares aparecen, casi siempre, en el interior de la proteína, para no entrar en contacto con el disolvente acuoso que la envuelve, creando un ambiente hidrofóbico.

• Los residuos polares con carga se hallan situados, normalmente en la

zona externa, interaccionando con el medio acuoso. A veces, se requiere de estos centros en la parte interna de la proteína y en estos casos

Figura 3. Esquema de la hoja plegada-β. En conformación antiparalela (a) y paralela (b)


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también ocurre que están directamente implicados en alguna funcionalidad de la proteína, bien a nivel estructural o bien a nivel catalítico.

• Los grupos polares sin carga, aparecen distribuidos por la totalidad de la

cadena, si bien mayoritariamente, también aparecen en las partes externas, en contacto con la disolución acuosa.

Como consecuencia de esta distribución de restos, las proteínas globulares son muy compactas, hay poco espacio en el interior, de modo que el agua difícilmente accede a dicho espacio. La figura 4 muestra para el caso de la mioglobina la distribución espacial de los residuos de aminoácidos polares y apolares. Estructura cuaternaria. Muchas proteínas globulares son oligoméricas, es decir están formadas por más de una cadena polipeptídica (subunidad). La posición espacial que ocupa cada una de estas subunidades respecto a las otras queda determinada por la estructura cuaternaria. De nuevo surgen interacciones entre los residuos de los aminoácidos, de la misma naturaleza que las indicadas en la estructura terciaria, y que, en este caso, además se producen entre las cadenas polipeptídicas que conforman la proteína. Un ejemplo claro ocurre con la hemoglobina (que se estudiará más adelante), proteína formada por 4 subunidades.

Aminoácidos (general)• polares cargados, hacia fuera• apolares, hacia dentro• polares, distribuidos

K = lysE = Glu

V = val

Aminoácidos (general)• polares cargados, hacia fuera• apolares, hacia dentro• polares, distribuidos

K = lysE = Glu

V = valFig. 4


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2. Proteínas Fibrosas. Queratinas La α-queratina es una proteína que aparece en todos los vertebrados superiores y es el componente principal del pelo, la lana, las uñas o los cuernos. El pelo (Fig. 5) está constituido por células muertas, cada una de las cuales contiene macrofibrillas empaquetadas que se orientan paralelamente a la fibra del pelo. Éstas están formadas por microfifrillas, que es una asociación de protofibrillas que continúen dos cadenas de hélice-αque se retuercen en un arrollamiento hacia la izquierda. Las α-queratinas poseen un alto contenido de Cys (R= -CH2-SH) de tal manera que las interacciones entre las hebras se producen a través de puentes disulfuro (-S-S-) dando una gran resistencia e insolubilidad al conjunto. Aunque la insolubilidad de las α-queratinas impide que la mayor parte de los animales la puedan digerir, la polilla, posee una concentración elevada de mercaptanos, que rompen los puentes disulfuro en su tracto digestivo y por lo tanto pueden digerir la lana. Por su parte, la Fibroína (Fig.6) de la seda es una agrupación de ß-queratinas en conformación hoja plegada-ß antiparalela unidas por enlaces de hidrógeno intracatenarios. La fibroina y otras ß-queratinas son muy ricas en aminoácidos poco voluminosos (gly y ala), lo que facilita que las hojas se apilen unas sobre otras, de tal modo que se alternan zonas de contacto entre glicinas y zonas de contacto entre alaninas, interaccionando mediante fuerzas débiles de van der Waals. Este hecho hace posible que la seda pueda extenderse en fibras fácilmente separables (separando hojas) pero relativamente difíciles de romper (implicaría romper los enlaces peptídicos).

Fig.5 α-queratina del pelo


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Por otro lado, existe la posibilidad de transformar la α-queratina en ß-queratina. Así, cuando el pelo o la lana se someten a la acción del vapor (calor + humedad) pueden incluso duplicar su longitud. Lo que ocurre es que se rompen los puentes de hidrógeno de la hélice-α y las cadenas polipeptídicas adoptan una conformación-ß; no obstante los grupos -R de las α-queratinas son voluminosos, lo que hace que la conformación-ß se desestabilice y al poco tiempo adopte de nuevo la conformación en α-hélice con lo que el pelo o la lana recuperan su longitud original. 4. Proteínas Globulares. Mioglobina, Hemoglobina, Inmunoglobulinas Algunas proteínas, como le ocurre a la mioglobina (Fig.7) están constituidas solo por hélices-α. La mioglobina es una proteína globular que contiene una sola cadena polipeptídica, constituida por ocho segmentos de hélice-α . La mioglobina se halla, principalmente en las células de los músculos esqueléticos y es especialmente abundante en los mamíferos buceadores, en los que no sólo actúa almacenando oxígeno, sino también contribuyendo al aumento de la velocidad de difusión del oxígeno.

Figura 6. Hoja plegada-β de la fibroina de la seda.


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La proteína, además, contiene un componente no proteico (grupo prostético), denominado grupo hemo que permite la oxigenación y desoxigenación de forma reversible. El grupo hemo (Fig.9) es un sistema de anillos tetrapirrólico denomina protoporfirina IX que contiene hierro (II), este grupo está unido de forma no covalente en una hendidura hidrofóbica de la molécula de mioglobina. El Fe (II) presenta una coordinación octaédrica, cuatro ligandos corresponden al sistema tetrapirrólico, otro lo realiza con una residuo de histidina (His F8) y el octavo ligando lo realiza con el oxígeno cuando la mioglobina está oxigenada, a su vez el oxígeno se coordina con otra histidina (His E7).

MioglobinaMioglobinaFig.12. Fig.8. Estructura de la Mioglobina, donde se aprecia el grupo hemo (en rojo) y los 8 segmentos en hélice-α

Figura 9


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El grupo hemo aparece también como grupo prostético de la molécula de hemoglobina (Fig. 10), una proteína que posee una estructura cuaternaria formada por cuatro subunidades. Estas subunidades, iguales dos a dos, se denominan α y β, y cada una contiene un grupo hemo, implicado también en el transporte de oxígeno. En la oxigenación de la hemoglobina ocurre un fenómeno denominado cooperatividad positiva, de tal manera que la entrada de la primera molécula de oxígeno, acelera la entrada de la segunda, ocurriendo lo mismo con la tercera y cuarta molécula de oxigeno que puede transportar. Aunque existen varios modelos que tratan de explicar el proceso que tiene lugar, en general todos se basan en cambios conformacionales que tiene lugar en las distintas subunidades al enlazar la molécula de oxígeno, cambios que facilitan la entrada de la siguiente. Por otro lado, la liberación del dióxido de carbono por parte de los tejidos que respiran reduce la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, en este caso el CO2 se convierte en bicarbonato, parte del cual reacciona directamente con la hemoglobina, uniéndose a los grupos amino N-terminales de las cadenas que la forman. Existen mutaciones de las moléculas de hemoglobina en las que la secuencia de aminoácidos difiere un poco de la secuencia de la hemoglobina normal (conocida

Fig.10 Estructura cuaternaria de la hemoglobina


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Fig.11a Glóbulos rojos con HbA

Fig.11b Glóbulos rojos con HbS

como HbA). La mayoría de estas mutaciones son inofensivas, pero algunas causan graves enfermedades, como es el caso de la Hb de las células falciformes (HbS). La diferencia entre la HbA y la HbS (Fig.11a y 11b) radica sólo en que en la secuencia una molécula de ac. glutámico (polar con carga) es sustituida por una Val (apolar). Este pequeño cambio (1 de los 146 aas de las cadenas- ß) tiene un profundo efecto sobre el resto de

niveles estructurales, pues la apolaridad de la Val (situada en un extremo exterior) interacciona de modo hidrofóbico con partes apolares de las subunidades a de otras HbS. Esto hace que las moléculas se agreguen y precipiten en las células. Como consecuencia, los glóbulos rojos (normalmente con forma de disco) adoptan una forma de media luna, obstruyendo los capilares más delgados, restringiendo el flujo sanguíneo y provocando entre otras complicaciones dolores severos y sudoración. La mioglobina y la hemoglobina son dos ejemplos de proteína trasportadoras, en las que la estructura secundaria básica es de hélices-α, también existen proteínas que mayoritariamente están formada por regiones extensas de hoja plegada-ß, como es el caso de la concanavalina A (Fig.12a) (lectina de soja) una proteína vegetal (con cuatro subunidades) capaz de fijar específicamente mono- u oligosacáridos de receptores celulares de superficie, desencadenando en la célula determinadas acciones. Por su parte, la anhidrasa carbónica (encargada de hidratar el CO2, para producir bicabonato) es un ejemplo de proteína que posee cantidades significativas de ambos tipos de estructura secundaria, (Fig.12b).


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Las inmunoglobulinas (Ig) o anticuerpos son proteínas de bajo peso molecular (≈ 150 kDa), que, con una función protectora, están especializadas en el reconocimiento de otras moléculas, denominadas antígenos. Los anticuerpos o inmunoglobulinas son producidos por células especializas en la respuesta inmune, denominadas linfocitos B. Existen cinco clases de moléculas de anticuerpos (Tabla 1) que desempeñan distinta funciones en el sistema inmunitario (IgG, IgM, IgA, IgD e IgE).

Tabla 1, las cinco clases de inmunoglobulinas Las IgM se producen durante la respuesta inicial contra en antígeno. Es la inmunoglobulina más grande y contiene 5 unidades, en forma de Y, que se mantiene unidas con un componente, denominado cadena J. El tamaño relativamente grande limita su existencia en el torrente sanguíneo. Las IgG son los anticuerpos más abundantes en la sangre. Una variante se fija a la superficie de las células B. Están formadas por una sola unidad en forma de Y y pueden atravesar con facilidad las paredes de los vasos sanguíneos y (en su caso) la placenta. Las IgA se encuentran en las secreciones corporales (saliva, sudor y lágrimas) y en las paredes del intestino, además es el principal anticuerpo del calostro y de la leche. Se presentan como monómeros o dímeros. Las IgD e IgE son las menos conocidas. Se presentan como monómeros. Las IgD se encuentran en la superficie de los células B (no se sabe mucho sobre su función) y las IgE parecen implicas en las respuestas alérgicas.

Todas las clases de Ig se construyen a partir del mismo patrón de inmunoglobulina básico que se presenta en la siguiente figura (Fig.13).

Fig.12. Estructura de la concanavalina A (a) y la anhidrasa carbónica (b)

a b


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El estudio de sus niveles estructurales muestra regiones de hojas plegadas-β, formando dos cadenas polipeptídicas pesadas (cadenas H) y dos cadenas ligeras (cadenas L) unidas mediante enlace disulfuro (-S-S-), cada cadena contiene dominios constantes (C) y dominios variables (V). Además también presentan en su estructura dos carbohidratos (-CHO) unidos a las cadenas pesadas, que facilitan la determinación de los destinos de los anticuerpos y estimulan la respuesta de los macrófagos. Los dominios constantes son idénticos para todos los anticuerpos de una clase determinada, y además de su función estructural, actúan de señal localizadora de los macrófagos (leucocitos, células especializas en engullir y digerir sustancias extrañas) del sistema circulatorio para que ataquen a las partículas que han sido señaladas con los anticuerpos. Los dominios variables son los que crean la enorme diversidad de especificidades de los antígenos, en base a la síntesis de distintas secuencias de aminoácidos en las cadenas, que pueden llegar a producir más de un billón de combinaciones distintas. El lugar de unión del anticuerpo al antígeno se encuentra en el final del extremo de los dominios variables y en él participan aminoácidos de las dos cadenas. Si el antígeno (partícula invasora) es grande, como una célula, un virus o una proteína, puede provocar la formación de muchos anticuerpos diferentes, cada uno de los cuales se une específicamente a un determinante antigénico (o epítopo) dado en la superficie de la partícula. Estos determinantes antigénicos (Fig.14) pueden ser, por ejemplo, aminoácidos de la superficie de la proteína o

Fig.13

Figura 14. Anticuerpos y epítopos


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incluso residuos de azúcares de un hidrato de carbono. Cuando una sustancia el antígeno invade los tejidos de un vertebrado superior, el organismo se defiende mediante la respuesta inmune. Esta defensa tiene dos vertientes, respuesta inmunitaria humoral y respuesta inmunitaria celular. En la respuesta inmunitaria humoral los linfocitos B sintetizan moléculas de inmunoglobulinas específicas que son liberadas y se unen a la sustancia invasora, para posteriormente ser fagocitada por acción de los macrógafos. En la respuesta inmunitaria celular, interviene los linfocitos T, que llevan moléculas similares a las inmunoglobulinas en su superficie y son capaces de identificar y destruir a las células extrañas. En este apartado examinaremos la respuesta humoral ligada a los linfocitos B. La forma en la que puede actuar el sistema inmune se describe en la teoría de la selección clonal, cuyos postulados básicos (Figura 15) son:

Figura 15. Teoría de la selección clonal 1. Las células madre B de la médula osea se diferencian para hacer linfocitos B,

cada uno de los cuales produce un único tipo de moléculas de anticuerpo (con un lugar de unión que reconocerá una forma molecular específica). Estos anticuerpos están unidos a la superficie externa de los linfocitos B.

2. La unión de un antígeno a uno de estos anticuerpos estimula a las células

portadoras para que se repliquen, generando un clon (un conjunto de células con la misma información genética). Esta respuesta primara se facilita por una clase especial de células denominadas células T colaboradoras. Así, si una célula T


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colaboradora identifica a un antígeno ligado a un anticuerpo, se une al linfocito B adecuado y produce una proteína señal que estimula la reproducción del linfocito B.

3. En este proceso se producen dos tipos de

células B clonadas (Fig.16), los linfocitos B efectores, que generan y liberan anticuerpos solubles que pasan al torrente sanguíneo y que se une directamente al agente extraño, y además se producen linfocitos B memoria que persistirán durante cierto tiempo, aun después de que el antígeno haya desaparecido (esto permite una respuesta secundaria rápida ante el mismo antígeno).

Figura 16. Los dos tipos de linfocitos B La Teoría de la selección clonal explica muchas de las características de la respuesta inmune. Entre ellas ¿por qué no encontramos clones de linfocitos B que produzcan anticuerpos contra nuestras propias proteínas y tejidos?. La respuesta es fascinante, así, cuando las células B inmaduras del feto se encuentran con antígenos que se unen a sus anticuerpos de superficie, no se estimulan para replicarse, en su lugar, estas células fetales son destruidas. Ello hace que las células B que producen anticuerpos contra todos los posibles antígenos “propios” con los que podrían reaccionar se eliminen antes del nacimiento. Las únicas células B que maduran son las que producen anticuerpos contra las sustancias no propias. A veces, el sistema inmunitario se altera y produce anticuerpos contra los tejidos normales de un adulto. Las causas de esta autoinmunidad no se conocen del todo, pero las enfermedades producidas pueden ser devastadoras. Un ejemplo es la enfermedad del lupus eritematoso, en ella son los propios ácidos nucleicos, los que sufren el ataque de los anticuerpos en las personas que padecen la enfermedad. Así pues, el cuerpo posee una capacidad inherente para producir una inmensa diversidad de anticuerpos con distintas secuencias de aminoácidos que son capaces de unirse a una enorme gama de antígenos, protegiendo de esta forma al organismo, de hecho la respuesta inmune constituye la primera barrera de protección frente a infecciones, y probablemente también frente las células cancerosas. Así, es la inhabilitación del sistema inmune producida por el virus del SIDA la que hace que sea una enfermedad tan devastadora. Las víctimas del SIDA no fallecen por efecto directo del virus, sino que mueren a causa de enfermedades infecciosas o cánceres, de los que el sistema inmunitario no es capaz ya de defenderles.

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