LAS PROTEINAS

TEMA 8: PROTEÍNAS. 1.-INTRODUCCIÓN. El término proteína deriva del griego "proteos" (lo primero, lo principal) y habla de su gran importancia para los seres vivos. La importancia de las proteínas es, en un primer análisis, cuantitativa: constituyen el 50% del peso seco de la célula (15% del peso total) por lo que representan la categoría de biomoléculas más abundante después del agua. Sin embargo su gran importancia biológica reside, más que en su abundancia en la materia viva, en el elevado número de funciones biológicas que desempeñan, en su gran versatilidad funcional y sobre todo en la particular relación que las une con los ácidos nucleicos, ya que constituyen el vehículo habitual de expresión de la información genética contenida en éstos últimos. 2.-COMPOSICIÓN DE LAS PROTEÍNAS. Desde el punto de vista de su composición elemental todas las proteínas contienen carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, mientras que casi todas contienen además azufre (Cabe resaltar que en azúcares y lípidos el nitrógeno sólo aparece en algunos de ellos). Hay otros elementos que aparecen solamente en algunas proteínas (fósforo, cobre, zinc, hierro, etc.). Las proteínas son biomoléculas de elevado peso molecular (macromoléculas) y presentan una estructura química compleja. Sin embargo, cuando se someten a hidrólisis ácida, se descomponen en una serie de compuestos orgánicos sencillos de bajo peso molecular: los α- aminoácidos. Este rasgo lo comparten las proteínas con otros tipos de macromoléculas: todas son polímeros complejos formados por la unión de unos pocos monómeros o sillares estructurales de bajo peso molecular. Existen 20 α-aminoácidos diferentes que forman parte de las proteínas. En las moléculas proteicas los sucesivos restos aminoácidos se hallan unidos covalentemente entre sí formando largos polímeros no ramificados. El tipo de enlace que los une recibe el nombre de enlace peptídico. Las cadenas de aminoácidos de las proteínas no son polímeros al azar, de longitud indefinida, cada una de ellas posee una determinada composición química, un peso molecular y una secuencia ordenada de aminoácidos. 3.-CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS. Las proteínas se clasifican en dos clases principales atendiendo a su composición. Las proteínas simples u holoproteínas son las que están compuestas exclusivamente por aminoácidos. Las proteínas conjugadas o heteroproteínas son las que están compuestas por aminoácidos y otra sustancia de naturaleza no proteica que recibe el nombre de grupo prostético. Las proteínas conjugadas pueden a su vez clasificarse en función de la naturaleza de su grupo prostético. Así, se habla de glucoproteínas, cuando el grupo prostético es un glúcido, lipoproteínas cuando es un lípido, metaloproteínas cuando es un ion metálico, fosfoproteínas cuando es un grupo fosfato, etc. Otro criterio de clasificación de las proteínas es la forma tridimensional de su molécula. Las proteínas fibrosasson de forma alargada, generalmente son insolubles en agua y suelen tener una función estructural, mientras que las proteínas globulares forman arrollamientos compactos 2 de forma globular y suelen tener funciones de naturaleza dinámica (catalíticas, de transporte, etc). 4.-TAMAÑO DE LAS MOLÉCULAS PROTEICAS. Las proteínas presentan tamaños moleculares muy variables (desde unos pocos miles de daltons a más de un millón) (ver Figura 8.1). Algunas proteínas están formadas por una sola cadena de aminoácidos, mientras que otras, llamadas proteínas oligoméricas, están formadas por varias cadenas individuales denominadas protómeros o subunidades. Se ha podido comprobar que en la mayor parte de los casos las cadenas individuales de aminoácidos presentan pesos moleculares que oscilan entre los 12.000 y los 36.000 daltons, lo que se corresponde con una longitud de entre 100 y 300 restos aminoácidos. Sin embargo existen moléculas proteicas más pequeñas como la insulina (51 aminoácidos y 5.700 daltons) y mucho más grandes como la apolipoproteína B, una proteína transportadora de colesterol, con 4.536 aminoácidos y 513.000 daltons, que representa la cadena individual de aminoácidos más grande conocida hasta la fecha. Las proteínas de mayor tamaño están formadas invariablemente por varias cadenas de aminoácidos. 5.-AMINOÁCIDOS: LOS SILLARES ESTRUCTURALES. 5.1.-CONCEPTO. Los aminoácidos son compuestos orgánicos que poseen un grupo carboxilo y un grupo amino. Pueden ser α, β, γ, δ....aminoácidos, según el grupo amino esté unido respectivamente al primero, segundo, tercero, cuarto... átomo de carbono contando a partir del átomo de carbono del grupo carboxilo. En la naturaleza existen distintos tipos de aminoácidos que desempeñan diferentes funciones, sin embargo, los aminoácidos que forman parte de las proteínas son todos ellos α-aminoácidos. Existen 20 α-aminoácidos diferentes que forman parte de las proteínas. Todos ellos tienen 3 una parte de su molécula en común (formada por el átomo de carbono α unido a los grupos amino y carboxilo) y difieren entre sí en la naturaleza de la cadena lateral (habitualmente llamada grupo R). En la Figura 8.2 aparece la fórmula estructural de un α-aminoácido; en ella "R" representa la cadena lateral que difiere entre los distintos aminoácidos. 5.2.-ESTEREOISOMERÍA DE LOS AMINOÁCIDOS. Los α-aminoácidos son compuestos quirales. En todos ellos, con la única excepción de la glicocola, el átomo de carbono α (el contiguo al grupo carboxilo) es un carbono asimétrico, es decir, un átomo de carbono unido a cuatro sustituyentes distintos. Debido a esta circunstancia, cada α-aminoácido puede existir en dos formas estereoisómeras cada una de ellas con una diferente ordenación espacial de los cuatro sustituyentes que rodean, en disposición tetraédrica, al carbono α (Figura 8.3). Estas dos formas estereoisómeras son además enantiómeros (imágenes especulares no superponibles una de la otra). La nomenclatura de las formas estereoisómeras de los α-aminoácidos se establece por convenio relacionando sus fórmulas en proyección de Fisher con la de un compuesto de referencia que es el gliceraldehido. Así, la forma D de un α- aminoácido es la que, en la fórmula en proyección de Fisher, tiene el grupo amino hacia la derecha (por analogía con el grupo hidroxilo del D-gliceraldehido), mientras que la forma L es la que lo tiene hacia la izquierda (ver Figura 8.3). Aunque existen en la naturaleza aminoácidos con configuración D que desempeñan diferentes funciones en las células, todos los aminoácidos presentes en las proteínas presentan configuración L. Los α-aminoácidos, como todos los compuestos quirales, presentan actividad óptica, es decir, hacen girar en uno u otro sentido el plano de vibración de la luz polarizada. Así, algunos α-aminoácidos en disolución hacen girar dicho plano de vibración hacia la derecha, y se dice que son dextrógiros(+), mientras que otros lo hacen hacia la izquierda, y se dice que son levógiros(- ). El carácter dextrógiro o levógiro de un α-aminoácido es independiente de la configuración D o L que presente. 5.3.-COMPORTAMIENTO ÁCIDO-BASE. Los aminoácidos son compuestos sólidos, cristalinos, que presentan un punto de fusión y una solubilidad en agua muy superiores a lo que cabría esperar dado su peso molecular. Ello se debe a que los aminoácidos existen en disolución, y cristalizan a partir de las disoluciones, en 4 forma de iones dipolares (Figura 8.4). A pH neutro el grupo carboxilo cede un protón y queda cargado negativamente y el grupo amino capta un protón y queda cargado positivamente. Así, los aminoácidos pueden comportarse como ácidos o como bases según el pH del medio; se dice que son sustancias anfóteras. Existe un valor de pH llamado punto isoeléctrico (pI) para el cual el aminoácido está compensado eléctricamente (carga neta = 0). Las curvas de titulación de los aminoácidos son más complejas que las de los pares conjugados ácido-base corrientes. Esto se debe a que cada aminoácido posee dos grupos funcionales capaces de aceptar o ceder protones (amino y carboxilo), cada uno de los cuales tiene su propio pK y comportamiento ácidobase característico. Por otra parte, algunos aminoácidos presentan cadenas laterales (R) con grupos funcionales que son potenciales dadores o aceptores de protones, y que por lo tanto también influyen de manera determinante en sus propiedades ácido-base. El comportamiento ácido-base de los aminoácidos reviste una gran importancia biológica, ya que influye a su vez en las propiedades de las proteínas de las que forman parte. Además, las técnicas para separar y analizar los aminoácidos componentes de una proteína se basan en gran medida en su comportamiento ácido-base. 5.4.-CLASIFICACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS. Existen distintos criterios para clasificar los α-aminoácidos de las proteínas. Sin embargo, el más utilizado, dada su relación con la determinación de la estructura tridimensional de las mismas, es el que se basa en la naturaleza polar o no polar, con carga eléctrica o sin ella de su cadena lateral o grupo R. Así se distinguen: a) Aminoácidos con grupo R no polar (alifáticos y aromáticos). b) Aminoácidos con grupo R polar sin carga . c) Aminoácidos con grupo R con carga positiva. d) Aminoácidos con grupo R con carga negativa. En la Tabla 8.1 se representan las fórmulas estructurales de los 20 α-aminoácidos presentes en las proteínas en las formas iónicas en las que aparecen a pH fisiológico. Todos los α- aminoácidos tienen, además de sus nombres sistemáticos, nombres simplificados apropiados para su uso común, que, en algunos casos, provienen de la fuente biológica de la cual fueron aislados inicialmente; así, la asparagina se encontró por primera vez en el espárrago, el ácido glutámico se aisló del gluten de trigo, la tirosina fue identificada en el queso (del griego tyros = queso), y la glicocola debe su nombre a su sabor dulce (del griego glycos = dulce). Además de los 20 α-aminoácidos que son comunes a todas las proteínas existen en algunas de ellas otros aminoácidos, denominados aminoácidos no estándar. Todos ellos derivan de alguno de los 20 aminoácidos estándar través de transformaciones químicas sencillas que se operan una vez el aminoácido de origen ha sido incorporado a la proteína. Entre ellos cabe citar la hidroxiprolina, la N-metil-lisina y la desmosina. Por otra parte, se han encontrado en las células vivas alrededor de otros 300 aminoácidos 5 que desempeñan diferentes funciones pero que no forman parte de las proteínas. Algunos de ellos presentan configuración D y no todos son α-aminoácidos. 6.-EL ENLACE PEPTÍDICO. LOS PÉPTIDOS. Los aminoácidos se enlazan para formar proteínas mediante enlace peptídico. Los péptidos son compuestos formados por la unión de aminoácidos mediante enlace peptídico. El enlace peptídico es una unión covalente tipo amida sustituida que se da al reaccionar el grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de otro aminoácido con desprendimiento de una molécula de agua (Figura 8.5) Cuando dos aminoácidos reaccionan para formar un enlace peptídico el compuesto resultante recibe el nombre de dipéptido. Por ser el enlace peptídico una unión "cabeza-cola" (grupo amino con grupo carboxilo) un dipéptido conserva siempre un grupo amino libre, que puede reaccionar con el grupo carboxilo de otro aminoácido, y un grupo carboxilo libre, que puede reaccionar con el grupo amino de otro aminoácido. Esta circunstancia permite que mediante enlaces peptídicos se puedan enlazar un número elevado de aminoácidos formando largas cadenas que siempre tendrán en un extremo un grupo amino libre (extremo amino terminal) y en el otro un grupo carboxilo libre (extremo carboxi-terminal). Los péptidos se clasifican según el número de restos de aminoácidos que los forman. Así los péptidos formados por 2, 3, 4,.... aminoácidos se denominan respectivamente dipéptidos, tripéptidos, tetrapéptidos... En general cuando el número de aminoácidos implicados es menor o 6 igual a 10 decimos que se trata de un oligopéptido, cuando es mayor que 10 decimos que se trata de un polipéptido. Es también frecuente el uso del la expresión cadena polipeptídica en lugar de polipéptido. Cuando una cadena polipeptídica tiene más de 100 restos de aminoácidos (es un límite arbitrario y que no hay que tomar al pie de la letra) decimos que se trata de una proteína. Sin embargo hay que tener en cuenta que existen proteínas, llamadas oligoméricas, que están formadas por varias cadenas polipeptídicas, por lo que los términos cadena polipeptídica y proteína no pueden considerarse sinónimos en todos los casos. Aunque en los sucesivo nos ocuparemos fundamentalmente de proteínas formadas por centenares de residuos de aminoácidos, es conveniente resaltar que algunos péptidos cortos presentan actividades biológicas importantes. Entre ellos cabe citar algunas hormonas como la oxitocina (nueve residuos aminoácidos), que estimula las contracciones del útero durante el parto, o la bradiquinina (nueve residuos), que inhibe la inflamación de los tejidos. También son dignas de mención las encefalinas, péptidos cortos sintetizados en el sistema nervioso central que actúan sobre el cerebro produciendo analgesia (eliminación del dolor). Los venenos extremadamente tóxicos producidos por algunas setas como Amanita phaloides también son péptidos, al igual que muchos antibióticos. 7.-PROTEÍNAS: CONFORMACIÓN TRIDIMENSIONAL. Las proteínas, como ya se dijo anteriormente, no son polímeros al azar de longitud indefinida, sino que cada una de ellas tiene una determinada composición en aminoácidos y estos 7 están ordenados en una determinada secuencia. Hay que añadir a ello que en las células vivas las cadenas polipeptídicas de las proteínas no se encuentran extendidas ni plegadas al azar adoptando estructuras caprichosas o variables, sino que cada una de ellas se encuentra plegada de un modo característico, que es igual para todas las moléculas de una misma proteína, y que recibe el nombre de estructura o conformación tridimensional nativa de la proteína. Una clara evidencia en favor de esta idea la constituye el hecho de que las proteínas puedan cristalizar, ya que la disposición ordenada de la materia cristalina sólo es posible cuando las unidades moleculares individuales que componen el cristal son idénticas. Desde que en 1926 James Sumner consiguió obtener cristales del enzima ureasa, centenares de proteínas han sido obtenidas en estado cristalino. El plegamiento de una cadena polipeptídica se realiza mediante rotaciones de los enlaces simples del esqueleto. En principio, los sustituyentes de los átomos que se encuentran a ambos lados de un enlace simple pueden adoptar infinitas posiciones (conformaciones) mediante simples rotaciones de dicho enlace. Dado que el esqueleto de una cadena polipeptídica consta de centenares de enlaces simples, cabría esperar que dicha cadena pudiera adoptar un número elevadísimo de conformaciones diferentes. Sin embargo, existen una serie de restricciones a la libertad de giro de estos enlaces (la mayoría de ellas derivadas de la interacción de la cadena polipeptídica con las moléculas de agua que la rodean) las cuales determinan que sólo sea posible una conformación tridimensional estable. La conformación tridimensional de una proteína es un hecho biológico de una gran complejidad: existen distintos niveles de plegamiento que se superponen unos a otros. Debido a ello, para sistematizar el conocimiento acerca de este fenómeno, se establecen una serie de niveles dentro de la estructura de la proteína que se conocen como estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria (Figura 8.6). Los continuos avances en la comprensión de la 8 estructura y el plegamiento de las proteínas han hecho necesaria en los últimos años la definición de dos niveles estructurales adicionales: la estructura supersecundaria y el dominio.