Proteínas.
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Las proteínas son polímeros formados por la unión de aminoácidos mediante enlaces peptídicos. Son moléculas complejas compuestas principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno que cumplen funciones estructurales, enzimáticas, de transporte y hormonales en los seres vivos. Los aminoácidos son las unidades estructurales de las proteínas y existen 20 tipos diferentes que se clasifican en apolares, polares no ionizables y polares ionizables ácidos o básicos.
Proteínas.
- 1. I) Biomoléculas 6) Proteínas I-6 PROTEÍNAS CONCEPTO Y CARACTERÍSTICAS Concepto: Se pueden definir como polímeros formados por la unión, mediante enlaces peptídicos, de unidades de menor masa molecular llamadas aminoácidos. Son moléculas muy complejas. Su masa molecular es muy elevada, normalmente está comprendida entre 6000 da y 106 da, son macromoléculas. Algunas proteínas están constituidas por la unión de varios polímeros proteicos que en ocasiones pueden también contener otras moléculas orgánicas (lípidos, glúcidos, etc). En este último caso reciben el nombre genérico de prótidos. Las proteínas son las moléculas orgánicas más abundantes en las células, más del 50% del peso seco de la célula son proteínas. Están constituidas, fundamentalmente, por C, H, O y N y casi todas tienen también azufre. Algunas tienen, además, otros elementos químicos y en particular: P, Fe, Zn o Cu. El elemento más característico de las proteínas es el nitrógeno. Son los compuestos nitrogenados por excelencia de los seres vivos. Las proteínas son moléculas específicas que marcan la individualidad de cada ser vivo. Son además de una gran importancia porque a través de ellas se va a expresar la información genética, de hecho el dogma central de la genética molecular nos dice: DNA────RNA────Proteína FUNCIONES GENERALES Las proteínas están entre las sustancias que realizan las funciones más importantes en los seres vivos. De entre todas pueden destacarse las siguientes: - De reserva. En general las proteínas no tienen función de reserva, pero pueden utilizarse con este fin en algunos casos especiales como por ejemplo en el desarrollo embrionario: ovoalbúmina del huevo, caseína de la leche y gliadina del trigo. - Estructural. Las proteínas constituyen muchas estructuras de los seres vivos. Las membranas celulares contienen proteínas. En el organismo, en general, ciertas estructuras -cartílago, hueso- están formadas, entre otras sustancias, por proteínas. J. L. Sánchez Guillén Página I-6-1
- 2. I) Biomoléculas 6) Proteínas - Enzimática. Todas las reacciones que se producen en los organismos son catalizadas por moléculas orgánicas. Las enzimas son las moléculas que realizan esta función en los seres vivos. Todas las reacciones químicas que se producen en los seres vivos necesitan su enzima y todas las enzimas son proteínas. - Homeostática. Ciertas proteínas mantienen el equilibrio osmótico del medio celular y extracelular. - Transporte, de gases, como es el caso de la hemoglobina, o de lípidos, como la seroalbúmina. Ambas proteínas se encuentran en la sangre. Las permeasas, moléculas que realizan los intercambios entre la célula y el exterior, son tambiénproteínas. - Movimiento. Actúan como elementos esenciales en el movimiento. Así, la actina y la miosina, proteínas de las células musculares, son las responsables de la contracción de la fibra muscular. - Hormonal. Las hormonas son sustancias químicas que regulan procesos vitales. Algunas proteínas actúan como hormonas, por ejemplo: la insulina, que regula la concentración de la glucosa en la sangre. - Inmunológica. Los anticuerpos, sustancias que intervienen en los procesos de defensa frente a de los agentes patógenos, son proteínas. LOS AMINOÁCIDOS Son las unidades estructurales que constituyen las proteínas. Todos los aminoácidos que se encuentran en las proteínas, salvo la prolina, responden a la fórmula general que se observa en la figura. A partir de ahora nos referiremos exclusivamente a los aminoácidos presentes en las proteínas de los seres vivos. Estos, como indica su nombre, tienen dos grupos funcionales característicos: el grupo carboxilo o grupo ácido (-COOH), y el grupo amino (-NH2). La cadena carbonada de los aminoácidos se numera comenzando por el grupo ácido, siendo el carbono que tiene esta función el carbono número 1, el grupo amino se encuentra siempre en el carbono 2 o carbono α. J. L. Sánchez Guillén Página I-6-2 Fig. 1 Fórmula general de un amino-ácido. Fig. 2 L-prolina; aminoácido polar no ionizable. Es el único aminoácido que no responde a la fórmula general. COOH HN C H COOH HN C H
- 3. I) Biomoléculas 6) Proteínas Por lo tanto, los aminoácidos tienen en común los carbonos 1 (grupo carboxilo) y 2 (el del grupo amino) diferenciándose en el resto (R) de la molécula. En la fórmula general de la Fig. 1, R representa el resto de la molécula. R puede ser desde un simple H- , como en el aminoácido glicocola, a una cadena carbonada más o menos compleja en la que puede haber otros grupos aminos o carboxilo y también otras funciones (alcohol, tiol, etc.). Las proteínas delos seres vivos sólo tienen unos 20 aminoácidos diferentes, por lo que habrá únicamente 20 restos distintos. Es de destacar el hecho de que en todos los seres vivos sólo se encuentren los mismos 20 aminoácidos. En ciertos casos muy raros, por ejemplo en los venenos de algunas serpientes, podemos encontrar otros aminoácidos diferentes de estos 20 e incluso aminoácidos que no siguen la fórmula general. La mayoría de los aminoácidos pueden sintetizarse unos a partir de otros, pero existen otros, aminoácidos esenciales, que no pueden ser sintetizados y deben obtenerse en la dieta habitual. Los aminoácidos esenciales son diferentes para cada especie, en la especie humana, por ejemplo, los aminoácidos esenciales son diez: Thr, Lys, Arg, His, Val, Leu, Ileu, Met, Phe y Trp. CLASIFICACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS En función de sus características químicas, los aminoácidos se clasifican en: Grupo I: Aminoácidos apolares. Aminoácidos cuyo resto R no es polar. Esto es, no posee cargas eléctricas en R al tener en éllargas cadenas hidrocarbonadas. Estos aminoácidos, si están en gran abundancia en una proteína, la hacen insoluble en agua. Grupo II: Aminoácidos polares no ionizables. Poseen restos con cortas cadenas hidrocarbonadas en las que hay funciones polares (alcohol, tiol o amida). Contrariamente al grupo anterior si una proteína los tiene en abundancia será soluble en agua. J. L. Sánchez Guillén Página I-6-3 Fig. 3 L-leucina; aminoácido no polar. COOH H2N C CH2 CH H CH3 CH3 COOH H2N C CH2 CH H CH3 CH3 Fig. 4 L-tirosina; aminoácido polar no ionizable. COOH H2N C CH2 H OH COOH H2N C CH2 H OH Fig. 5 L-Glutámico; aminoácido polar ionizable ácido. COOH H2N C CH2 CH2 COOH H COOH H2N C CH2 CH2 COOH H Fig. 6 L-Arginina; aminoácido polar ionizable básico. COOH H2N C CH2 CH2 COOH H COOH H2N C CH2 CH2 COOH H
- 4. I) Biomoléculas 6) Proteínas Grupo III: Aminoácidos polares ácidos. Pertenecen a este grupo aquellos aminoácidos que tienen más de un grupo carboxilo. En las proteínas, si el pH es básico o neutro, estos grupos se encuentran cargados negativa- mente. Grupo IV: Aminoácidos polares básicos. Son aquellos aminoácidos que tienen otro u otros grupos aminos. En las proteínas, estos grupos amino, si el pH es ácido o neutro, están cargados positivamente. ASIMETRÍA DE LOS AMINOÁCIDOS Excepto en la glicocola, en el resto de los aminoácidos el carbono α (el carbono que lleva la función amino) es asimétrico. La molécula será ópticamente activa y existirán dos configuraciones: D y L. Normalmente en los seres vivos sólo encontramos uno de los isómeros ópticos. Por convenio se considera que los aminoácidos presentes en los seres vivos pertenecen todos ellos a la serie L. No obstante, en los microorganismos (paredes bacterianas, antibióticos generados por bacterias) existen aminoácidos no proteicos pertenecientes a la serie D. J. L. Sánchez Guillén Página I-6-4 Fig. 8 Ionización del grupo amino suplementario de un aminoácido polar ionizable ácido. Fig. 9 Ionización del grupo amino suplementario de un aminoácido polar ionizable básico. H2O OH- COOH H2N C CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 H COOH H2N C CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 H COOH H2N C CH2 CH2 CH2 CH2 NH3 H COOH H2N C CH2 CH2 CH2 CH2 NH3 H COOH H2N C CH2 COOH H COOH H2N C CH2 COOH H COOH H2N C CH2 COO H COOH H2N C CH2 COO H H2O H3O+ Fig. 10 Asimetría de los aminoácidos. Todos los aminoácidos, excepto la glicocola, son asimétricos. De las dos formas, la D y la L, en los seres vivos sólo existe, normalmente, la L. C C N O OH H R H2 C C O OH H R NH2 L aminoácidoD aminoácido
- 5. I) Biomoléculas 6) Proteínas J. L. Sánchez Guillén Página I-6-5 COOH H2N-C-CH3 H COOH H2N-C-CH3 H COOH H2N C CH2 CH H CH3 CH3 COOH H2N C CH2 CH H CH3 CH3 COOH H2N C CH H CH3 CH3 COOH H2N C CH H CH3 CH3 COOH H2N C CH CH2 H CH3 CH3 COOH H2N C CH CH2 H CH3 CH3 COOH H2N C CH2 H COOH H2N C CH2 H COOH H2N C CH2 CH2 H S CH3 COOH H2N C CH2 CH2 H S CH3 Alanina-Ala Leucina-Leu Valina-Val Isoleucina-Ile Fenilalanina-Phe Metionina-Met Aminoácidos del Grupo I (apolares) COOH HN C H COOH HN C H Prolina-Pro COOH H2N C CH2 H N H COOH H2N C CH2 H N H Triptófano-Trp COOH H2N C CH2 COOH H COOH H2N C CH2 COOH H COOH H2N C CH2 CH2 COOH H COOH H2N C CH2 CH2 COOH H COOH H2N C CH2 H N H N COOH H2N C CH2 H N H N COOH H2N C CH2 CH2 CH2 NH C NH2 H NH COOH H2N C CH2 CH2 CH2 NH C NH2 H NH COOH H2N C CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 H COOH H2N C CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 H Aminoácidos del Grupo III (polares ionizables ácidos) Aminoácidos del Grupo IV (polares ionizables básicos) Aspártico-Asp Glutámico-Glu Histidina-His Arginina-Arg Lisina-Lys Glicocola-Gly Aminoácidos del Grupo II (polares no ionizables) COOH H2N C H H COOH H2N C H H COOH H2N C CH2 OH H COOH H2N C CH2 OH H COOH H2N C CH CH3 H OH COOH H2N C CH CH3 H OH COOH H2N C CH2 H OH COOH H2N C CH2 H OH COOH H2N C CH2 SH H COOH H2N C CH2 CH2-C H O NH2 Serina-Ser Treonina-Trp Tirosina-Tyr Asparragina-Asn Cisteína-Cys COOH H2N C CH2 C H O NH2 COOH H2N C CH2 C H O NH2 Glutamina-Gln
- 6. I) Biomoléculas 6) Proteínas ELENLACE PEPTÍDICO Cuando reacciona el grupo ácido de un aminoácido con el grupo amino de otro ambos aminoácidos quedan unidos mediante un enlace peptídico. Se trata de una reacción de condensación en la que se produce una amida y una molécula de agua. La sustancia que resulta de la unión es un dipéptido. CARACTERÍSTICAS DEL ENLACE PEPTÍDICO 10) El enlace peptídico es un enlace covalente que se establece entre un átomo de carbono y un átomo de nitrógeno. Es un enlace muy resistente, lo que hace posible el gran tamaño y estabilidad de las moléculas proteicas. J. L. Sánchez Guillén Página I-6-6 Fig. 12 Reacción de formación del enlace peptídico. H N C C O H H R1 H O H N C C O H H R2 H O + H N C C H R1 H O N C C O H H R2 H O H2O Aminoácido 1 Aminoácido 2 dipéptido Fig. 13 El enlace C-N se comporta como un doble enlace y no permite el giro.
- 7. I) Biomoléculas 6) Proteínas 20) Los estudios de Rayos X de las proteínas han llevado a la conclusión de que el enlace C-N del enlace peptí dico se comporta en cierto modo como un doble enlace y no es posible, por lo tanto, el giro libre alrededor de él. 30) Todos los átomos que están unidos al carbono y al nitrógeno del enlace peptídico mantienen unas distancias y ángulos característicos y están todos ellos en un mismo plano. PÉPTIDOS, POLIPÉPTIDOS y PROTEÍNAS Cuando se unen dos aminoácidos mediante un enlace peptídico se forma un dipéptido. A cada uno de los aminoácidos que forman el dipéptido les queda libre o el grupo amino o el grupo carboxilo. A uno de estos grupos se le podrá unir otro aminoácido formándose un tripéptido. Si el proceso se repite sucesivamente se formará un polipéptido. Cuando el número de aminoácidos unidos es muy grande, aproximadamente a partir de 100, tendremos una proteína. 2 aa Dipéptido 3 aa Tripéptido de 4 a 10 aa Oligopéptido de 10 a 100 aa Polipéptido más de 100 aa Proteí na Toda cadena polipeptídica tendrá en uno de sus extremos un aminoácido con el grupo amino libre. Este será el aminoácido amino terminal (H-). En el otro extremo quedará libre el J. L. Sánchez Guillén Página I-6-7 Fig. 14 Características del enlace peptídico. Fig. 15 Modelo de esferas de la insulina, un péptido.
- 8. I) Biomoléculas 6) Proteínas grupo carboxilo del último aminoácido, aminoácido carboxilo terminal (-OH). Toda cadena proteica tendrá por lo tanto una polaridad indicada mediante una H- y un -OH. Ejemplo: H-Gly-Ala-Pro-Leu-Trp-Met-Ser-OH. Muchas sustancias naturales de gran importancia son péptidos; por ejemplo: ciertas hormonas, como la insulina, que regula las concentraciones de glucosa en la sangre y que está formada por dos cadenas de 21 y 30 aminoácidos unidas por puentes disulfuro; la encefalina (5 aminoácidos) que se produce en las neuronas cerebrales y elimina la sensación de dolor o las hormonas del lóbulo posterior de la hipófisis: vasopresina y oxitocina (9 aa) que producen las contracciones del útero durante el parto; también son péptidos algunos antibióticos como la gramicidina. ESTRUCTURA O CONFORMACIÓN DE LAS PROTEÍNAS La conformación de una proteína es la disposición espacial que adopta la molécula proteica. Las cadenas peptídicas, en condicio- nes normales de pH y temperatura, poseen solamente una conformación y ésta es la responsable de las importantes funciones que realizan. La compleja estructura de las proteínas puede estudiarse a diferentes niveles. A saber: prima- rio, secundario, terciario y cuaternario. I) NIVEL O ESTRUCTURA PRIMARIA- Viene dada por la secuencia: orden que siguen los aminoácidos de una proteína. Va a ser de gran importancia, pues la secuencia es la que determina el resto de los niveles y como consecuencia la función de la proteína. La alteración de la estructura primaria por eliminación, adición o intercambio de los ami- J. L. Sánchez Guillén Página I-6-8 Fig. 18 La insulina, una hormona de carácter peptídico, está formada por dos cadenas polipeptídicas. Fig. 17 Modelo de bolas de la ubicuitina, una proteína. Fig. 16 Modelo de barras y esferas de la oxitocina, una hormona peptídica.
- 9. I) Biomoléculas 6) Proteínas noácidos puede cambiar la configuración general de una proteína y dar lugar a una proteína diferente. Como, además, la función de la proteína depende de su estructura, un cambio en la estructura primaria podrá determinar que la proteína no pueda realizar su función. Veamos, a continuación, un ejemplo de estructura primaria: H-Ala-Gly-Ser-Lys-Asp-Asn-Cys-Leu-Met-Ala- Ile-Trp-Gly-......-Pro-Asn-Glu-OH II) NIVEL O ESTRUCTURA SECUNDARIA- Las característi cas de los enlaces peptídicos imponen determinadas restricciones que obligan a que las proteínas adopten una determinada estructura secundaria. Ésta puede ser en hélice α, hélice de colágeno o en conformación ß. Es de destacar que las tres son configuraciones en hélice diferenciandose en el número de aminoácidos por vuelta (n) y en el diámetro de la hélice. En la hélice α, n=4; en la hélice de colágeno, n=3 y en la conformación ß, n=2. A continuación estudiaremos solo la hélice α y la conformación ß por ser las configuraciones más frecuentes. a) Estructura en hélice α. Se trata de la forma más simple y común. En este tipo de estructura la molécula adopta una disposición helicoidal, los restos (R) de los aminoácidos se sitúan hacia el exterior de la hélice y cada 3,6 aminoácidos ésta da una vuelta completa. Este tipo de organización es muy estable, por- que permite la formación de puentes de hidrógeno entre el grupo C=O de un aminoácido y el grupo N-H del cuarto aminoácido situado por debajo de élen la hélice. b) Conformación ß. Se origina cuando la molécu- la proteica, o una parte de la molécula, adoptan una disposición en zig-zag. La estabilidad se consigue mediante la disposición en paralelo de varias cadenas con esta conformación, cadenas J. L. Sánchez Guillén Página I-6-9 Fig. 20 1) Hélices alfa; 2) conformaciones beta; 3) enlaces de hidrógeno; 4) puentes disulfuro; 5) zonas irregulares. Fig. 21 Hélice alfa. Mediante flechas se indican algunos enlaces de hidrógeno. R) restos de los aminoácidos. Fig. 19 Modelo de cintas de la ubicuitina.
- 10. I) Biomoléculas 6) Proteínas que pueden pertenecer a proteínas diferentes o ser partes de una misma molécula. De esta manera pueden establecerse puentes de hidrógeno entre grupos C=O y -N-H. Los restos van que- dando alternativamente hacia arriba y hacia abajo. No obstante, si la molécula presenta próximos entre sí restos muy voluminosos o con las mismas cargas eléctricas se desestabilizará. Una molécula no tiene que estar constituida exclusi- vamente por un tipo de conformación. Lo normal es que las moléculas protei- cas presenten porciones con hélices α, otras partes con conformaciones ß y partes que no tienen una conformación definida y que se llaman zonas irregulares. III) NIVEL O ESTRUCTURA TERCIARIA- Las proteínas no se disponen linealmente en el espacio sino que normalmente sufren plegamientos que hacen que la molécula adopte una estructura espacial tridimensional llamada estructura terciaria. Los pliegues que originan la estructura terciaria se deben a ciertos aminoácidos, como: la prolina, la serina y la isoleucina, que distorsionan la hélice generando una curvatura. La estructura terciaria se va a estabilizar por la formación de las siguientes interacciones: 1) Enlaces o puentes de hidrógeno. 2) Interacciones ácido base. 3) Puentes disulfuro. Estos últimos se forman entre grupos -SH pertenecientes a dos moléculas de cisteína que reaccionan entre sí para dar cistina. -Cis-SH + HS-Cis- ----- -Cis-S-S-Cis- J. L. Sánchez Guillén Página I-6-10 Fig. 23 Conformación beta o lámina plegada beta. En la figura se observan dos fragmentos de lámina plegada beta asociados por enlaces de hidrógeno. Fig. 24 Estructura de una proteína. a) hélices alfa; b) conformaciones beta; c) zonas irregulares. Fig. 22 Visión superior de una hélice alfa. Los números indican los aminoácidos.
- 11. I) Biomoléculas 6) Proteínas En la estructura terciaria los restos se van a disponer en función de su afinidad con el medio. En medio acuoso, los restos hidrófobos se sitúan hacia el interior de la molécula mientras que los restos hidrófilos lo hacen hacia el exterior. Básicamente se distingen dos tipos de estructura terciaria: la filamentosa y la globular, aunque muchos autores consideran que las proteínas filamentosas son proteínas que carecen de estructura terciaria. Las proteínas con conformación filamentosa suelen tener función estructural, de protección o ambas a la vez y son insolubles en agua y en soluciones salinas. Por ejemplo, tienen esta conformación: la beta-queratina, el colágeno y la elastina. Las proteínas con conformación globular suelen ser solubles en agua y/o en disoluciones salinas. Son globulares las enzimas, las proteínas de membrana y muchas proteínas con función transportadora. Las proteínas globulares suelen tener diferentes fragmentos con alfa-hélices y conformaciones beta, pero las conformaciones beta suelen disponerse en la periferia y las hélices alfa en el centro de la molécula. Además, las proteínas globulares se doblan de tal manera que, en solución acuosa, sus restos hidrófilos quedan hacia el exterior y los hidrófobos en el interior y, por el contrario, en un ambiente lipídico, los restos hidrófilos quedan en el interior y los hidrófobos en el exterior. IV) ESTRUCTURA CUATERNARIA- Cuando varias cadenas de aminoácidos, iguales o diferentes, se unen para formar un edificio proteico de orden superior, se disponen según lo que llamamos estructura cuaternaria. También se considera estructura cuaternaria la unión de una o varias proteínas a otras moléculas no proteicas para formar edificios macromoléculares complejos. Esto es frecuente en proteínas con masas moleculares superiores a 50.000 Cada polipéptido que interviene en la formación de este complejo proteico es un protómero y según el número de protómeros tendremos: dímeros, tetrámeros, pentámeros, etc. J. L. Sánchez Guillén Página I-6-11 Fig. 25 Estructura terciaria de una proteína. a) hélices alfa b) conformaciones beta; c) zonas irregulares. Fig. 26 Los anticuerpos tienen estructura cuaternaria pues están formados por la unión, mediante puentes disulfuro, de cuatro protómeros o dominios; dos de cadena larga y dos de cadena corta Glúcido Glúcido
- 12. I) Biomoléculas 6) Proteínas La asociación o unión de las moléculas que forman una estructura cuaternaria, se consigue y mantiene mediante enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones electrostáticas y algún que otro puente disulfuro. Un ejemplo de estructura cuaternaria es la hemoglobina, formada por las globinas o parte proteica (dos cadenas alfa y dos cadenas beta, con un total de 146 aminoácidos) más la parte no proteica o grupos hemo. O los anticuerpos, formados también por cuatro cadenas, dos cadenas cortas y dos largas. PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS Las propiedades de una proteína, incluso su carga eléctrica, dependen de los restos o radicales de los aminoácidos que quedan en su superficie y que podrán interaccionar mediante enlaces covalentes o no covalentes con otras moléculas. A continuación veremos las propiedades más importantes: Solubilidad. Las proteínas solubles en agua, al ser macromoléculas, no forman verdaderas disoluciones sino dispersiones coloidales. Cada macromolécula proteica queda rodeada de moléculas de agua y no contacta con otras macromoléculas gemelas con lo que no puede producirse la precipitación. Especificidad. La especificidad de las proteínas puede entenderse de dos maneras. Por una parte, existe una especificidad de función. Esto es, cada proteína tiene una función concreta, diferente, normalmente, de la del resto de las moléculas protéicas. Esta es la razón de que tenganos tantas proteínas distintas, unas 100 000. Ahora bien, ciertas proteínas que realizan funciones similares en los seres vivos, por ejemplo: la hemoglobina de la sangre, presentan diferencias entre las distintas especies. Estas diferencias se han producido como consecuencia del proceso evolutivo y cada especie o incluso cada individuo, puede tener sus propias proteínas específicas. No obstante, estas diferencias se producen en ciertas regiones de la proteína llamadas sectores variables de las que no depende directamente se función. Mientras que otros sectores, de los que si depende la función de la proteína, tienen siempre la misma secuencia de aminoácidos. La especificidad de las proteínas dependerá por lo tanto de los sectores variables y a ellos se deben, por ejemplo, los problemas de rechazos en los transplantes de órganos. Por ejemplo: La insulina consta de 51 aminoácidos en todos los mamíferos, que están distribuidos en dos cadenas, de 21 y 30 aminoácidos respectivamente, unidas mediante dos enlaces disulfuro; de éstos 51 aminoácidos, la mayoría son los mismos en todas las especies, pero unos pocos (tres de la cadena corta) varían de unas a otras. J. L. Sánchez Guillén Página I-6-12 Fig. 27 Modelo de anticuerpo.
- 13. I) Biomoléculas 6) Proteínas Los diferentes papeles biológicos de éstas moléculas van a depender de la forma que adopten en su conformación espacial. DESNATURALIZACIÓN DE LAS PROTEÍNAS Las alteraciones de la concentración, del grado de acidez, de la temperatura (calor); pueden provocar la desnaturalización de las proteínas. La desnaturalización es una pérdida total o parcial de los niveles de estructura superiores al primario y se debe a la desaparición de los enlaces débiles tipo puente de hidrógeno, Van der Waals, etc. y en realidad no afecta a los enlaces peptídicos y por tanto a la estructura primaria. Sin embargo al alterarse su conformación espacial, la proteína perderá su funcionalidad biológica. En las proteínas globulares, solubles en agua, la desnaturalización está acompañada de una pérdida de la solubilidad y la consiguiente precipitación de la disolución. Puede existir una renaturalización casi siempre, excepto cuando el agente causante de la desnaturalización es el calor (coagulación de la leche, huevos fritos, "permanente" del cabello, etc.). RELACIÓN ENTRE LA CONFORMACIÓN Y LA ACTIVIDAD DE LAS PROTEÍNAS La función de las proteínas depende de su conformación. Algunas proteínas, particular- mente las enzimas, tienen una o varias zonas en su molécula de las que depende su función llamadas: centro activo o locus. El centro activo de la proteína actúa uniéndose a la molécula sobre la que se va a realizar la tranformación, molécula que llamaremos ligando, que debe encajar en el centro activo. El ligando y el centro activo interaccionan mediante fuerzas químicas. Estas interacciones se deben a que ciertos radicales de los aminoácidos de la proteína, que están en el centro activo de la molécula, tienen afinidad química por determinados grupos funcionales presentes en el ligando. Algunas veces la unión proteína-ligando es irreversible como ocurre con las reacciones antígeno-anticuerpo. Otras veces es perfectamente reversible. J. L. Sánchez Guillén Página I-6-13 Fig. 29 Variación de la actividad de una enzima con la temperatura. A partir de 451C la enzima se desnaturaliza, por alterarse su conformación, y al destruirse el centro activo deja de actuar. Actividadenzimática Temperatura óptima Fig. 30 Variación en la actividad de una enzima medida en función de la cantidad de substrato (ligando) transformado a 37oC. En t se ha aumentado la temperatura hasta 70oC. t Variacióndelaactividadenzimática tiempo Fig. 28 Diferencias en la estructura primaria de la insulina de diferentes vertebrados. B30A10A9A8 AlaValSerAlaVaca AlaThrAsnHisPollo AlaValGlyAlaCarnero AlaIleGlyThrCaballo ThrIleSerThrHombre AlaIleSerThrCerdo Aminoácidos Especies
- 14. I) Biomoléculas 6) Proteínas Los aminoácidos cuyos restos constituyen el centro activo pueden estar muy distantes unos de otros en la secuencia primaria de la proteína, pero que debido a los pliegues y repliegues de la estructura terciaria, quedan localizados, espacialmente, muy próximos unos de otros y, sobre todo, formando una especie de hueco donde encajará el ligando. El resto de los aminoácidos de la proteína tienen como misión mantener la forma y la estructura que se precisa para que el centro activo se encuentre en la posición correcta. Para que una proteína y un ligando se unan o se reconozcan deben establecerse entre ambas moléculas varios puntos de interacción del tipo enlaces débiles, especialmente fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno, etc. La conformación de una proteína y por lo tanto su centro activo y su función pueden alte- rarse si se producen cambios en las estructura primaria. Así, por ejemplo, en la anemia falciforme, el 61 aminoácido de una de las cadenas proteicas que forman la hemoglobina, el glutámico, ha sido sustituído por valina. Como consecuencia la hemoglobina pierde su funcionalidad y no puede transportar convenientemente el oxígeno y los heritrocitos (glóbulos rojos) adquieren forma de hoz. Como ya hemos visto, la conformación puede también alterarse si la proteína se desnaturaliza por la acción de agentes como el calor y los ácidos y las bases fuertes. La desnaturalización irreversible destruye el centro activo y la proteí na no puede ya realizar su función. J. L. Sánchez Guillén Página I-6-14 Fig. 31 Ajuste entre el ligando y el centro activo de una enzima. coenzima sustrato enzima Ligando o sustrato centro activo