UD 4. PROTEÍNAS

Marta Gómez Vera

Profesora de Biología y Geología

ÍNDICE

1. Aminoácidos 1. Características y clasificación 2. Propiedades de aminoácidos

2. Enlace peptídico 3. Estructura de proteínas

1. Primaria 2. Secundaria 3. Terciaria 4. Cuaternaria

4. Propiedades 5. Funciones 6. Clasificación

1. Holoproteínas 2. Heteroproteínas

1. Aminoácidos 1.1. Características y clasificación • Son los monómeros que constituyen las proteínas.

• Compuestos orgánicos de bajo peso molecular. Sólidos, cristalinos, solubles en agua, con punto de fusión elevado y actividad óptica.

• Se caracterizan por poseer un grupo carboxilo (-COOH) y uno amino (-NH2)

• Aminoácidos primarios: – Son los que constituyen las proteínas.

– El grupo -NH2 se encuentra unido al mismo carbono que el grupo –COOH, el Cα.

– Según sea el radical R vamos a encontrar 20 tipos diferentes de aminoácidos primarios

– Para designar a estos aminoácidos se utilizan abreviaturas de sus nombres (Ala, Gly, Ser, Thr,…)

– Aminoácidos esenciales: No se pueden sintetizar, deben ser incorporados en la dieta (Val, Leu, Ile, Lis, Phe, Thr, Met, Trp)

• Clasificación: – Aminoácidos no polares o hidrofóbicos: El radical R es una cadena hidrocarbonada

– Aminoacidos polares sin carga: El radical R es una cadena con radicales que forman enlaces de hidrógeno con el agua. Son solubles.

– Aminoácidos polares con carga positiva: Son básicos y el radical R presenta un grupo básico (-NH2). Puede tomar protones del medio, por lo que el aminoácido tendrá carga positiva.

– Aminoácidos polares con carga negativa: Son ácidos y el radical R presenta un grupo ácido (-COOH). Tienen carga eléctrica negativa pues desprenden protones.

1.2. Propiedades de aminoácidos • Isomería: si el grupo amino (-NH2) se encuentra a la derecha son formas D-, y

si está a la izquierda formas L-. En la naturaleza la forma L es la más abundante, todos los aminoácidos primarios son formas L.

• Actividad óptica: excepto la glicina, todos los aminoácidos tienen el carbono alfa asimétrico (4 sustituyentes distintos) siendo capaces de desviar la luz polarizada hacia la derecha (forma dextrógira o +) y hacia la izquierda (forma levógira o -), fenómeno denominado isomería óptica .

• Comportamiento anfótero:

– Los aminoácidos en disolución se comportan como ácidos y como bases.

– Se debe a que el grupo carboxilo libera protones (Comportamiento ácido) y el grupo amino los capta (Comportamiento básico)

-COOH -COO- + H+

-NH2 + H + . –NH 3

+

– Se origina una forma dipolar iónica. El pH al cual un aminoácido adopta esta forma se denomina punto isoeléctrico

– Efecto amortiguador o efecto tampón: mantienen constante el pH del medio

• Si se acidifica: el grupo carboxilo capta los protones, se comporta como una base y amortigua la acidificación.

• Si se basifica (si disminuye el número de H+): el grupo amino los libera, se comporta como un ácido.

2. Enlace peptídico

• Es un enlace covalente entre un grupo NH2 de un aminoácidos y el grupo COOH de otro, liberándose una molécula de agua.

• El enlace C-N es aquí más fuerte que otros enlaces entre el carbono y el nitrógeno, lo que confiere cierta rigidez e inmoviliza en un plano los átomos que lo forman.

Video enlace peptídico

3. Estructura de las proteínas

• Son moléculas formadas por largas cadenas de aminoácidos (más de 50, pm>5.000)

• Las proteínas constituyen el grupo orgánico más abundante en la célula. Sus funciones son muchas y muy variadas, y están en estrecha relación con la estructura que tenga cada proteína.

• Existen 4 niveles estructurales que vienen definidos por la composición y forma de las proteínas:

3.1. Estructura primaria • Es la disposición lineal de aminoácidos en la proteína.

• Nos indica el número, el tipo y el orden por lo que será determinante de su especificidad y función.

• Los aminoácidos de los extremos llevan un grupo NH2 libre y otro grupo COOH libre, denominándose extremo N-inicial y C-terminal. Se comienzan a enumerar los aminoácidos siempre en el extremo N-terminal.

• Todas las proteínas tienen estructura primaria

N-inicial

C-terminal

3.2. Estructura secundaria • Es la disposición de la secuencia de aminoácidos en el espacio. Esto es

debido a la capacidad de giro del enlace peptídico lo que permite que, durante la síntesis proteica, la cadena adopte una determinada disposición espacial estable.

• El tipo de estructura secundaria que adopte depende del número de enlaces de H que se establecen entre los diferentes aminoácidos de la proteína.

• Tres tipos de estructura secundaria

Estructura en α- hélice • Formada al enrollarse sobre sí misma

la estructura primaria con un giro dextrógiro (rota a derechas) debido a la formación de puentes de hidrógeno entre el oxígeno del –CO- de un aminoácido y el hidrógeno del –NH- del cuarto aminoácido siguiente.

• Si desaparecen estos puentes de hidrógeno la hélice se desorganiza. Los radicales se disponen hacia el exterior para no desestabilizarla. Cada vuelta de hélice tiene 3,6 aminoácidos. Las proteínas con esta estructura son las llamadas proteínas fibrosas, insolubles en agua, con función estructural. Ejemplos son las alfa-queratinas del pelo, uñas...

Estructura de la hélice de colágeno • Caso particular de α -hélice. La

presencia del aminoácido prolina y de un derivado, la hidroxiprolina, dificulta la formación de la puentes de hidrógeno como en la α -hélice, apareciendo una hélice más extendida (3 aa/vuelta)enrollada esta vez hacia la izquierda (levógira).

• La asociación de tres hélices origina una triple hélice (tropocolágeno). Muchas moléculas de tropocolágeno forman el colágeno, una proteína fibrosa insoluble en agua que es la proteína más abundante en animales superiores apareciendo en tejido conectivo, piel, hueso, tendones, vasos sanguíneos...

Conformación β

• La disposición adoptada en zig-zag pues no hay puentes de hidrógeno intracatenarios entre aminoácidos. Si la cadena se repliega, pueden establecerse enlaces de Hentre segmentos antes distantes, que al plgarse quedan próximos.

• Lámina en zig – zag muy estable denominada β - lámina plegada

• Son también proteínas fibrosas, de función estructural, insolubles en agua.

• Ejemplos son las llamadas beta-queratinas como la fibroína de la seda y tela de arañas.

3.3. Estructura terciaria de proteínas • Es el resultado del plegamiento sucesivo de la estructura secundaria como un ovillo

hasta formar una estructura globular, más estable y que ocupa el mínimo espacio.

• Los radicales apolares se sitúan en el interior y los polares en el exterior, lo que facilita su solubilidad.

• De la estructura terciaria depende la funcionalidad de la proteína por lo que si aquélla se pierde puede dejar de ser activa.

• Las conformaciones globulares se mantienen estables debido a los enlaces entre los radicales (R) de los aminoácidos: enlaces disulfuro, puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Walls, interacciones hidrofóbicas e interacciones iónicas

• Existen dos tipos de conformaciones tridimensionales:

– Conformación fibrosa:

• Mantienen la estructura secundaria alargada, solo ligeramente retorcida.

• Son insolubles en agua y disoluciones salinas.

• Realizan funciones esqueléticas.

• Ejemplos son el colágeno, beta-queratina, alfa queratina....

– Conformación globular:

• La estructura secundaria se pliega adoptando formas que parecen esféricas.

• Son solubles en agua y disoluciones salinas.

• Realizan funciones de transporte, enzimáticas, hormonales, etc.

• Los tramos rectos de las proteínas con estructura terciaria tienen estructura secundaria de alfa-hélice o de beta lámina plegada. En las zonas de codos o giros no tienen estructura secundaria.

• Existen ciertas combinaciones de alfa hélice y beta lámina que aparecen repetidamente en una misma proteína o en proteínas diferentes, denominadas dominios estructurales.

• Son abundantes en proteínas enzimáticas donde se corresponden con su centro activo lo que posibilita, cuando los dominios se separan, la introducción del sustrato y, al acercarse, su fijación para actuar sobre él.

• Evolutivamente se consideran como “clichés estructurales” de probada eficacia biológica que sirven como unidades modulares para construir diferentes tipos de proteínas.

Animaciones estructura proteínas

Video 1

Video 2

3.4. Estructura cuaternaria • Proteínas constituidas por varias

cadenas polipeptídicas con estructura terciaria, iguales o no, unidas mediante enlaces débiles no covalentes (puentes de hidrógeno, Van der Waals) y a veces por enlaces fuertes covalentes (puentes disulfuro). Dichas cadenas o subunidades se denominadas protómeros.

• La proteína resultante se denomina proteína oligomérica y suelen ser de tipo regulador, no estructural.

• Dímeros , trímeros, tetrámeros (hemoglobina), pentámeros…

4. Propiedades de proteínas • Solubilidad: al ionizarse los

radicales establecen puentes de hidrógeno con las moléculas de agua, quedando recubiertas por dichas moléculas (solvatación iónica) lo que impide su unión a otras proteínas y su consiguiente precipitación. Si dicho recubrimiento se pierde, las proteínas se unen entre sí y precipitan. En general las proteínas fibrosas son insolubles en agua mientras que las globulares son hidrosolubles y dan lugar a dispersiones coloidales

• Desnaturalización: Perdida de la estructura de la proteína, debido a la rotura de los enlaces que la mantienen. Causada por variaciones de pH, de concentración, incremento de temperatura, agitación molecular, etc. Únicamente permanece la estructura primaria y la proteína adopta una conformación filamentosa. Al no recubrir totalmente las moléculas de agua a la proteína, reaccionan con otras moléculas proteicas y precipitan . A veces, al restablecer las condiciones normales, se consigue la renaturalización, pero generalmente es irreversible.

• Especificidad: Las proteínas presentan una estructura tridimensional específica y unos aminoácidos concretos en lugares determinados que les permite diferenciar unas moléculas de otras parecidas.

• En enzimas el conjunto de aa que reconoce y contacta con las moléculas que modificaran se denomina centro activo.

• Capacidad amortiguadora: debido a su comportamiento anfótero, pudiendo comportarse como ácidos o bases, donando o retirando protones al medio.

5. Funciones de proteínas • Estructural: en membrana plasmática

(glucoproteínas), en el citoesqueleto, queratinas, elastina, colágeno, fibroína.

• Transporte: por ejemplo las permeasas (regula el paso a través de membranas), hemoglobina (transporte de O2 en sangre de vertebrados)

• Enzimática: biocatalizadores o enzimas. Función importantísima.

• Hormonas. Insulina y glucagón hormona del crecimiento

• Reguladora. Algunas proteínas regulan la expresión de ciertos genes o la división celular (ciclina).

• Defensa o inmunitaria: inmunoglobulinas (constituyen los anticuerpos), la trombina y el fibrinógeno (formación del trombo o coágulo para evitar hemorragias), las mucinas (efecto germicida y protector en mucosas), venenos y toxinas (botulismo).

• Homeostática: regulando la constancia del medio interno en cuanto a mantenimiento del equilibrio osmótico y constancia de pH (junto con otros sistemas). Función muy importante.

• Contráctil: en músculo (actina y miosina), en bacterias (flagelina).

• Reserva. Ovoalbúmina (clara de huevo), lactoalbúmina (leche), gluten (semillas de cereales)...

6. Clasificación de proteínas

• Holoproteínas: Formadas únicamente por polipéptidos (en definitiva por aminoácidos). Atendiendo a su estructura 3ª se clasifican en: – Proteínas fibrosas o filamentosas: Realizan funciones estructurales o

protectoras. Insolubles en agua, se presentan principalmente en animales. Ejemplos:

• Colágeno, en tejidos conjuntivos, cartilaginoso, tegumentario, en la matriz extracelular, tendones y córnea. Por despolimerización e hidratación se consiguen gelatinas alimenticias.

• Alfa y beta queratinas, ricas en el aminoácido cisteína, se sintetizan en la epidermis. Forman uñas, cabello, cuernos, plumas, lana...

• Elastinas, en tendones y vasos sanguíneos. Su conformación la hace muy flexible.

• Fibroínas, en la seda. Gran resistencia mecánica.

• Miosina, participa en la contracción muscular junto con la actina.

– Proteínas globulares o esferoproteínas. Generalmente son solubles en agua y disoluciones polares y son responsables de las principales funciones biológicas de la célula.

• Histonas y protaminas. Proteínas de carácter básico asociadas al ADN, las histonas están en el núcleo celular y las protaminas en los espermatozoides. Su función es mantener la estructura y favorecer la compactación del mismo.

• Glutenina, insoluble en agua. No coagula por calor (glutenina del trigo).

• Albúminas, son proteínas transportadoras o de reserva de aminoácidos como la seroalbúmina (plasma sanguíneo), la ovoalbúmina (clara de huevo) y la lactoalbúmina (leche).

• Globulinas, como las seroglobulinas de la sangre, la lactoglobulina y la ovoglobulina. También se incluyen en este grupo la parte proteica de algunas heteroproteínas. Así por ejemplo, la α- globina es una proteína globular que conformará la heteroproteína hemoglobina o las inmunoglobulinas (gamma-globulinas) que son proteínas globulares que constituyen los anticuerpos y que llevan restos glucídicos.

• Heteroproteínas: En su composición presentan una parte proteica (grupo

proteico) y otra fracción no proteica (grupo prostético). Según el grupo prostético se clasifican en:

– Cromoproteínas. Su grupo prostético es una sustancia coloreada o pigmento.

• Porfirínicas. Su grupo prostético es un anillo tetrapirrólico o porfirina, en cuyo centro aparece un catión metálico: se forma una metalporfirina. Gran interés biológico. A este grupo pertenecen la hemoglobina (transporta O2 en sangre) y mioglobina (transporta O2 en músculo) cuyo grupo prostético es el grupo hemo caracterizado por llevar un catión ferroso Fe2+.

• No porfirínicas.

– Hemocianina, contiene cobre. Constituye un pigmento respiratorio en crustáceos y moluscos.

– Rodopsina, cuyo grupo prostético es el retinal un derivado de la vitamina A (otro terpeno). Interviene en el ciclo visual al captar la luz.