Germán Tenorio

Biología NM-Diploma BI

Tema 1. Biología Molecular1.4 Proteínas

Idea Fundamental: Las proteínastienen una amplia variedad defunciones en los organismos vivos.

Proteínas Grupo de moléculas orgánicas más abundantes de los seres vivos

(50% del peso celular seco), formadas por C, H, O y N, y en ocasionesaparecen P y S.

Concepto: Polímeros denominados polipéptidos, constituidos por launión de moléculas denominadas aminoácidos (monómeros). Juntocon los ácidos nucleicos son portadores de información genética,ya que el ordenamiento de sus monómeros (Aa) no obedece al azar, sinoa instrucciones heredadas de nuestros antecesores a lo largo delproceso evolutivo.

Las proteínasejecutan lasórdenes dadaspor los ácidosnucleicos.

Importancia biológica: No radica exclusivamente en su abundancia,sino sobre todo, en su multifuncionalidad, ya que realizan infinidad defunciones, siendo imprescindibles para el mantenimiento de los procesosvitales.

Aminoácidos Los aminoácidos son las unidades básicas (monómeros) que se

unen entre si mediante condensación para formar polipeptidos. Seobtienen por tanto, a partir de la hidrólisis de polipéptidos o proteínas.

En la naturaleza existen muchos Aa que no forman parte de las proteínas yque tienen funciones propias. Sólo hay 20 Aa diferentes en lospolipétidos sintetizados en los ribosomas y se denominanaminoácidos proteicos. Diéz de ellos son esenciales y hay que incluirlos enla dieta al no poder sintetizarlos.

Existe una cadena R para cada Aa, que al ser químicamente distintas, lesproporcionan propiedades químicas diferentes a los distintos Aa.

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Todos los Aa tienen en común ungrupo amino (-NH2) y un grupo ácidocarboxílico (-COOH), unidoscovalentemente a un átomo decarbono (carbono alfa), al cual tambiénse une un átomo de hidrógeno y unacadena lateral (R), que es lo quediferencia a una Aa de otro.

Clasificación de los aminoácidos Hay veinte aminoácidos diferentes en los polipéptidos sintetizados

en los ribosomas, que se diferencian en sus cadenas laterales R.

En función de la polaridad de dichas cadenas al interaccionar en medioacuoso, los Aa se clasifican en tres grupos:

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- apolares

- polares sin carga

- polares con carga(ácidos o bases).

NATURALEZA CIENCIAS: Búsqueda de patrones,

tendencias y discrepancias Un hecho llamativo es que la mayoría de los organismos, aunque

no todos, construyen las proteínas a partir de los mismos 20aminoácidos.

IMAGEN: http://recursos.cnice.mec.es

- Estos 20 aminoácidos fueron losprimeros en haber sidoproducidos mediante procesosquímicos en la Tierra antes delorigen de la vida, de manera quetodos los organismos lo hancontinuado usando desdeentonces, al ser los dispoibles.

Se ha excluido la posibilidad deque esta tendencia se deba alazar, habiéndose propuesto variashipótesis para tratar de explicarlo:

NATURALEZA CIENCIAS: Búsqueda de patrones,

tendencias y discrepancias

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IMAGEN: https://classconnection.s3.amazonaws.com

- Son los 20 aminoácidos ideales parafabricar un amplio rango deproteínas, por lo que la selecciónnatural siempre favorecerá a losorganimos que los usen frente a losque no.

- Todos los organismos hanevolucionado de una misma especieancestral que usaba estos mismos20 aminoácidos, y dada la forma enla que los polipéptidos sonfabricados en los ribosomas, esdifícil para cualquier organismocambiar su repertorio deaminoácidos.

Una discrepancia en este sentido, lo constituyen algunas especies queusan uno de los codones STOP (UGA) para fabricar un aminoácido extradenominado selenocistenina o el codón (UAG) para pirrolosona.

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HABILIDAD: diagrama formación enlace peptídico

Enlace que se establece entre el grupo carboxilo (-COOH) de unaminoácido con el grupo amino (-NH2) de otro aminoácido.

Su formación es una reacción de condensación donde se pierde unamolécula de agua. Mediante la reacción inversa, de hidrólisis, se liberanlos Aa.

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Péptidos, polipéptidos y proteínas Los aminoacidos se unen

entre si mediantecondensación para formarpolipeptidos. En los enlacespeptídicos no participan losradicales de los Aa, quequedan “colgando” delpolipéptido.

Se suele usar el término(oligo)péptido cuando lacadena contiene menos de 20Aa y polipéptido cuando elnúmero es mayor. Porconvenio se suele considerarque una proteína es unpolipéptido con más de 100Aa.

La insulina es una pequeña proteína formada de dos polipéptidos de 21 y30 aminoácidos.

Niveles de organización estructural de las proteínas Cada proteína posee una estructura o conformación tridimensional

única que le confiere una actividad biológica específica.

La secuencia de aminoácidos determina la conformacióntridimensional de una proteína.

Se pueden describir cuatro niveles distintos de complejidad crecienteen la conformación tridimensional de una proteína, cada uno de los cualesse puede construir a partir del anterior: Estructura primaria o secuenciaencadenada de aminoácidos; estructura secundaria, formada por elplegamiento de la estructura primaria; estructura terciaria, cuando sepliega sobre sí misma la secundaria; y estructura cuaternaria, cuandovarias cadenas se asocian entre sí.

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Estructura primaria Es la disposición lineal de los Aa unidos mediante enlaces peptídicos. Es

distinta para cada proteína y se denomina secuencia de Aa: número, tipoy orden en la cadena polipeptídica.

Como el Aa de un extremo tiene un grupo amino libre y el Aa del otroextremo un grupo carboxilo libre, por convenio, los Aa se enumeran desdesu extremo amino inicial hasta el extremo carboxilo terminal.

Los Aa se pueden unir entre sí en cualquiersecuencia, lo que proporciona una variedadenorme de posibles polipéptidos.

NH2-

-COOH

Para un polipéptidode n aminoácidosexisten 20n

posibles secuenciasdiferentes.

Estructura primaria La secuencia de aminoácidos en la

cadena polipeptídica está determinadapor la información codificada yalmacenada en el ADN de loscromosomas en el núcleo, vía ARNm.En otras palabras, la secuencia deaminoácidos de los polipéptidosestá codificada por los genes.

La estructura primaria o secuencia deaminoácidos, es la conexión entre elmensaje genético contenido en el ADNy la configuración tridimensional queperfila la función biológica de laproteína a través del código genético.

No todo el ADN codifica aaminoácidos. La secuencia de basesque codifica para un polipéptido sedenomina marco abierto de lectura(ORF). Animación3

Estructura secundaria

Las cadenas polipeptídicasse pliegan en estado naturala medida que se sintetizan enlos ribosomas, hasta adoptarespontáneamente laconfiguración espacial másestable para el medio en elque se encuentre, adquiriendola forma tridimensional máscómoda.

La sucesión de placas planasde la estructura primariaqueda estabilizada cuandoadopta dos conformacionessecundarias espacialesposibles: α hélice y lámina β.

Estructura terciaria Es la conformación espacial

definitiva que adoptan las diferentesregiones de la cadena polipeptídica(cada una con su correspondienteestructura secundaria) comoconsecuencia de las interaccionesentre las cadenas R.

La estructura terciaria confiere auna proteína su actividad biológica.

El resultado es diferente según setrate de proteínas globulares, enlas cuales la estructura secundaria sepliega sobre sí misma, como unovillo, hasta formar una proteínaesferoidal, compacta y, por logeneral, soluble en agua, o deproteínas fibrosas, que sonalargadas, muy resistentes einsolubles en agua.

Péptidos, polipéptidos y proteínas

Una proteína puede consistir en un único polipéptido o en variospolipéptidos unidos entre sí.

Todas las proteínas formadas de un único polipéptido tienen estructuraterciaria. Cuando una proteína está formada por la combinación devarios polipéptidos (cada uno con estrcutura terciaria) se dice quepresenta estructura cuaternaria.

Proteína Resumen Número de polipéptidos

Estructuratridimensional

Lisosima Enzima que digiere elpeptidoglicano de lapared celular bacteriana.

1Terciaria

Anticuerpos Proteínas producidas porlos linfocitos B enrespuesta a antígenos.

4Cuaternaria

Estructura cuaternaria Sólo se manifiesta en la proteínas

fibrosas o globulares formadas por laasociación de más de una cadenapolipeptídica (iguales o diferentes),denominas cada una de ellassubunidades proteicas.

Las fuerzas que estabilizan dichaestructura son de la misma índoleque las que estabilizan la estructuraterciaria (interacciones hidrofóbicas,puentes de hidrógeno, fuerzas de Vander Waals, fuerzas electrostáticas ypuentes disulfuro), pero en este caso,se establece entre las cadenas Rde los Aa pertenecientes adistintas cadenas o subunidades.

Tienen estructura cuaternaria lahemoglobina y los anticuerpos(ambos 4 cadenas).

Niveles estructurales de las proteínas

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La desnaturalización consiste en la pérdida de la conformación espacial(estructura 2ª, 3ª y 4ª) característica de una proteína y, comoconsecuencia de ello, en la anulación de su funcionalidad biológica.

Se produce por cambios excesivos de temperatura, pH, salinidad oagentes físicos (presión, electricidad, etc.). Dichas circunstancias puedenprovocar una alteración de las interacciones entre las cadenas laterales Rde los aminoácidos (enlaces débiles), desestabilizando y rompiendo laestructura tridimensional de la proteína.

La forma de una proteína depende su secuencia de Aa (estructuraprimaria) y del medio en el que se encuentra. La desnaturalización puedese reversible o irreversible dependiendo de la intensidad del agente.

APLICACIÓN: Propiedades proteínas (desnaturalización)

El proceso de desnaturalización proteica suele ser permanente, de maneraque las proteínas no recuperan su forma original. Así, las proteínassolubles, suelen volverse insolubles y precipitan, debido a la exposiciónhacia el exterior de los aminoácidos con grupos R hidrofóbicos que seencontraban hacia el interior de la proteína. Esto puede verse con lasproteínas de la clara cuando se fríe un huevo.

Las proteínas se desnaturalizan por el calor o por desviación del pH delvalor optimo.

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APLICACIÓN: Propiedades proteínas (desnaturalización)

IMAGEN:

tmarticles.com

Animación4

APLICACIÓN: Propiedades proteínas (desnaturalización)

El calor (elevación de la temperatura) provoca un aumento de lavibración en la moléculas que puede romper los enlaces o interaccionesintermoleculares.

La mayoría de proteínas se desnaturalizan a temperaturas inferiores.

Las proteínas presentandistinta tolerancia al calor.Así, las arqueobacteriastermófilas pueden vivir atemperaturas de 80 ºC ysus proteínas mantenerseintactas, siendo el ejemplomás conocido la Taqpolimerasa usada en laPCR.

IMAGEN: www1.lsbu.ac.uk/

Los valores de pH extremos, ya sean ácidos o básicos, tambiénprovocan la desnaturalización de las proteínas.

Esto es debido a cambios en los grupos R con carga eléctrica, lo quealtera las interacciones electrostáticas entre ellos.

APLICACIÓN: Propiedades proteínas (desnaturalización)

Al igual que con el calor, la proteína pierde suconformación tridimensional, y por tanto suactividad biológica.

Sin embargo, hay excepciones, como la de laenzima pepsina (digiere proteínas), que nosolo no se desnaturaliza con el pH ácido de 1.5del estómago, sino que ese pH es óptimo parasu actividad.

IMAGEN: alimentosmanipulacion.blogspot.com.es

Funciones de las proteínas Los organismos vivos sintetizan muchas proteínas diferentes con

un amplio rango de funciones.

1. Hormonal. Algunas hormonas importantes son de naturaleza proteica, como lainsulina, el glucagón o la hormona del crecimiento.2. Estructural. Las proteínas se consideran los elementos plásticos a partir de loscuales se construyen la mayoría de las estructuras celulares, como el colágeno queaporta fuerza tensora en tendones, histonas para empaquetar el ADN, la tubulina en elcitoesqueleto, etc.3. Catálisis enzimática. Todos los enzimas son proteínas, biocatalizadores de lasreacciones químicas que forman el metabolismo celular, como la amilasa o catalasa.4. Homeostática: tamponante y osmótica. Las proteínas, según los casos, puedenaceptar o desprender H+, por lo que son importantes tampones intracelulares. Tambiénintervienen en el mantenimiento del equilibrio osmótico.

Funciones de las proteínas

5. Nutrición y reserva. Algunas proteínas como la ovoalbúmina de laclara de huevo o la caseina de la leche constituyen una reserva deaminoácidos dispuestos para ser utilizados durante el desarrollo comoelementos nutritivos y como unidades estructurales.6. Transporte y almacenamiento. Muchas moléculas e iones sontransportados por el organismo mediante proteína. La hemoglobina O2 enla sangre, la seroalbúmina transporta y almacena ácidos grasos, fármacosy tóxicos en la sangre, las lipoproteínas (LHD y LDL) transportan en lasangre el colesterol.

Funciones de las proteínas

7. Movimiento y contracción. El movimiento y la locomoción en losorganismos uni y pluricelulares depende de proteínas contráctiles, como laactina y la miosina.

8. Defensa. Algunas proteínas desempeñan funciones de protección. Losanticuerpos son proteínas que controlan a los posibles antígenos que puedenpenetrar en el organismo. La trombina y el fibrinógeno intervienen en laformación de coágulos durante la hemorragia.9. Reconocimiento celular. Muchas glucoproteínas situadas en la caraexterna de las membranas celulares, sirven de antenas que determinan el lugarde anclaje de otras células, hormonas, bacterias y virus.10. Adhesión celular. Muchas proteínas de embrana están implicadas en launión de las células en los tejidos.

Funciones de las proteínas

11. Regulación expresión génica. Algunas proteínas intervienen en losprocesos de activación e inactivación de la expresión génica, participandoen la diferenciación celular.12. Generación de impulsos nerviosos. Las respuestas de las célulasnerviosas a los estímulos específicos vienen mediadas por receptoresproteicos, como la rodopsina del ojo a la luz, o los receptores de losneurotransmisores.

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Funciones de las proteínas

APLICACIÓN: Funciones de las proteínas Las siguientes 6 proteínas ilustran algunas de las funciones de las

proteínas.Proteína Características

Rubisco La Ribulosa BifosfatoCarboxilasa Oxigenasa,es la enzima responsablede la fijación del CO2

atmosférico en lafotosíntesis. Posiblementela proteína másabundante en la Tierra.

Función enzimática.

Tiene estructuracuaternaria al estarformada por lacombinación de 16cadenas polipeptídicas.

APLICACIÓN: Funciones de las proteínas

Proteína Características

Insulina Hormona producida por lascélulas beta del páncreas,como señal para que lascélulas absorban la glucosa(poseen receptoresespecíficos), reduciendo suconcentración en la sangre.

Función hormonal.

Tiene estructura cuaternariaal estar formada por lacombinación de 2 cadenaspolipeptídicas (A y B).

APLICACIÓN: Funciones de las proteínas

Proteína Características

Inmunoglobulinas Proteínas globularesdenominadas anticuerpos, queposeen dos sitios de unión aantígenos, y un extremo por elque son reconocidos por losmacrófagos para su fagocitosis.Son producidos por los linfocitosB.

Función defensiva.

Tiene estructura cuaternaria alestar formada por la combinaciónde 4 cadenas polipeptídicas.

APLICACIÓN: Funciones de las proteínasProteína Características

Rodopsina La visión depende de pigmentos que absorben la luz, comola rodopsina, proteína de membrana de las células bastónde la retina. La rodopsina presenta una molécula noproteica fotosensible denominada retinal, rodeada delpolipéptido opsina. Cuando el retinal capta un fotón de luz,cambia su conformación que a su vez cambia la de larodopsina, que envía una estímulo nervioso al cerebro.

Colágeno Proteína más abundante en el cuerpo humano (1 de cada4 es colágeno), que presenta forma de cuerda y estáformada por la combinación de 3 (superhélice). Es flexibley aporta Resistencia en tendones, piel, vasos sanguíenos,dientes, etc.

Seda de araña

La seda de araña es una fibra proteica que las arañasbiosintetizan y secretan a través de sus glándulas dehilado. Diferentes sedas con diferentes funciones sonproducidas por las arañas. Algunas sedas son más fuertesque el acero del mismo grosor.

Un proteoma es el conjunto de todas las proteínas producidas por unacélula, tejido o individuo, al igual que el genoma es el conjunto de genes.

Proteoma

Para saber cuántasproteínas distintas se estánproduciendo, puedensepararse medianteelectroforesis en gel a partirde un extracto de proteínas.

Para determinar si unaproteína concreta estápresente o no en el extracto,se usan anticuerposespecíficos para la misma,que llevan incorporados unmarcador fluorescente, demanera que si fluorece alser estimulado, significa quela proteína está presente.

Mientras que el genoma de un individuo es fijo, el proteoma es variable,dado que diferentes células en un organismo fabrican proteínasdiferentes.

Incluso en una misma célula, las proteínas fabricadas pueden variar a lolargo del tiempo en función de la actividad celular. El proteoma indica portanto, lo que está sucediendo en una célula.

El proteoma es muy similar entre los individuos de una misma especie, sibien existen diferencias.

Proteoma

Cada individuo tieneun proteoma singular(único), debido en partea las diferencias deactividad y en parte apequeñas diferencias enla secuencia deaminoácidos. Incluso elproteoma de individuosgemelos, se hacendiferentes con la edad. IMAGEN: pubs.rsc.org

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