Proteínas

Las proteínas son biomoléculas compuestas por Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno. Suelen contener azufre y, algunos tipos de proteínas, pueden presentar fósforo, hierro, cobre, magnesio o yodo. Están constituidas por moléculas de aminoácidos que se unen entre sí mediante enlaces peptídicos.

Péptidos y Proteínas

Según el número de aminoácidos, los péptidos se clasifican en:

• Oligopéptidos: Menos de 10 aminoácidos.
• Polipéptidos: Más de 10 aminoácidos.

Las proteínas son polipéptidos constituidos por más de 50 aminoácidos, y su masa molecular es muy elevada. Pueden contener otros tipos de moléculas:

• Los polipéptidos constituidos exclusivamente por aminoácidos se denominan holoproteínas.
• Si además de aminoácidos presentan algún otro tipo de molécula o grupo prostético se llaman heteroproteínas.

Aminoácidos

Son compuestos orgánicos de baja masa molecular, y son las unidades estructurales que constituyen las proteínas. Son compuestos sólidos, cristalinos, solubles en agua, con elevado punto de fusión y actividad óptica.

Solo 20 aminoácidos constituyen las proteínas (denominados aminoácidos proteicos). El resto de aminoácidos se encuentran libres y se denominan aminoácidos no proteicos; muchos son intermediarios del metabolismo.

Estructura de los Aminoácidos

Se caracterizan por poseer un carbono α, que es un carbono asimétrico con las cuatro valencias saturadas, siendo en todos los casos los mismos radicales:

• Grupo carboxilo: –COOH
• Grupo amino: –NH₂
• Átomo de hidrógeno: H
• Radical R: Distinto en cada aminoácido.

Aminoácidos Esenciales

Los animales no son capaces de sintetizar todos los tipos de aminoácidos. Los que no pueden sintetizar se denominan aminoácidos esenciales y deben ser ingeridos con la dieta. En los seres humanos hay ocho aminoácidos esenciales: isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina.

Clasificación de los Aminoácidos

Al poseer un Cα, presentan estereoisomería, según la posición del grupo amino. Son L-aminoácidos, ya que presentan el grupo amino a la izquierda del carbono. Para clasificarlos, se agrupan según sea el radical R:

• Aminoácidos neutros apolares: El R es hidrófobo, lo que disminuye su solubilidad en agua. Presentan cadenas de naturaleza alifática o con anillos aromáticos.
• Aminoácidos neutros polares: El R es hidrófilo, con grupos polares sin carga, lo que permite formar puentes de hidrógeno con el agua y aumenta su solubilidad.
• Aminoácidos ácidos: El R contiene un grupo carboxilo, que puede ceder hidrogeniones y cargarse negativamente, según el pH del medio.
• Aminoácidos básicos: El R contiene un grupo amino, que puede aceptar hidrogeniones y cargarse positivamente, según el pH del medio.

Propiedades de los Aminoácidos

Actividad Óptica

Debido a la presencia del Cα, todos los aminoácidos, excepto la glicina, presentan actividad óptica. Si desvían el plano de luz polarizada a la derecha son dextrógiros (+) y si lo hacen hacia la izquierda son levógiros (–). Pueden tener configuración D o L y ser + o –, pero los que forman las proteínas son L (–) aminoácidos.

Comportamiento Anfótero

Los aminoácidos en disolución acuosa se comportan a la vez como ácidos y como bases. El grupo ácido o carboxilo libera protones, mientras que el grupo básico o amino capta protones. Se origina así una forma iónica dipolar a pH 7. Gracias a esta propiedad, los aminoácidos mantienen constante el pH, teniendo un efecto amortiguador o efecto tampón.

• En medio ÁCIDO: Se comportan como una BASE. Si se acidifica el medio, el grupo carboxilo ionizado capta protones.
• En medio BÁSICO: Se comportan como un ÁCIDO. Si se basifica el medio, el grupo amino ionizado libera protones.

Los grupos ácidos y básicos pueden neutralizarse formando iones dipolares, llamados iones híbridos o zwitterion, por poseer igual número de cargas positivas que negativas. El pH al que el aminoácido tiende a adoptar una forma dipolar neutra se denomina punto isoeléctrico (pI).

Enlace Peptídico

La unión de aminoácidos se realiza mediante un enlace químico llamado enlace peptídico, que da lugar a cadenas denominadas péptidos. Dicho enlace se establece entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente, con liberación de agua.

Características del Enlace Peptídico

• Es un enlace covalente muy resistente, de gran tamaño y estabilidad.
• Es un enlace más corto que la mayor parte de los enlaces C–N; se dice que tiene carácter parcial de doble enlace. Esto impide que se efectúen torsiones alrededor del mismo, confiriendo rigidez y determinando que los átomos del grupo carboxilo (C=O) y del grupo amino (N–H) que intervienen en el enlace peptídico se sitúen en un mismo plano.
• Los únicos enlaces que pueden girar, y no del todo, son los formados por C(ALFA)–C y N–C(ALFA).

Niveles Estructurales de las Proteínas

La organización de una proteína viene determinada por cuatro niveles estructurales: la primaria, la secundaria, la terciaria y la cuaternaria.

Estructura Primaria

Corresponde a la secuencia de aminoácidos de la proteína. Indica qué aminoácidos la constituyen y el orden en que se disponen en la cadena. La función de la proteína dependerá de esta secuencia de aminoácidos.

El extremo inicial se considera aquel que presenta el aminoácido con el grupo amino libre (extremo N-inicial), y el extremo final aquel cuyo aminoácido tiene el grupo carboxilo libre (extremo C-terminal).

Estructura Secundaria

Es la disposición de la cadena de aminoácidos en el espacio. La cadena polipeptídica adopta una disposición espacial estable. La forma que presenta una cadena polipeptídica depende del número de enlaces de hidrógeno que se pueden formar y de los aminoácidos que la constituyen. Existen tres tipos principales:

• Alfa-hélice (α-hélice): La estructura primaria se enrolla en forma de hélice sobre sí misma. Se forman puentes de hidrógeno entre el oxígeno del grupo CO– de un aminoácido y el hidrógeno del grupo amino del cuarto aminoácido siguiente, dando estabilidad a la hélice. La hélice es dextrógira y presenta 3,6 aminoácidos por vuelta.
• Hélice de colágeno: Es una hélice levógira, más alargada, con 3 aminoácidos por vuelta. El colágeno presenta muchos aminoácidos del tipo glicina, cuya estructura dificulta la formación de puentes de hidrógeno. Está formada por tres hélices, unidas por enlaces covalentes y puentes de hidrógeno.
• Conformación Beta (Lámina β plegada): En este caso, la cadena de aminoácidos no forma una hélice, sino una cadena extendida en forma de zigzag. En ocasiones, la conformación β se encuentra plegada, uniéndose, mediante enlaces de hidrógeno, fragmentos que antes del plegamiento estaban distantes entre sí. Es una estructura muy estable.

Estructura Terciaria

Es la disposición de la estructura secundaria en el espacio, plegada sobre sí misma y adoptando una forma globular. En ella, los radicales apolares se sitúan en el interior y los polares se orientan hacia el exterior, confiriendo solubilidad a las proteínas.

La estabilidad de las proteínas se obtiene por la formación de enlaces entre los grupos R de los aminoácidos:

• Enlace fuerte: Enlace disulfuro (entre grupos S–).
• Enlaces débiles: Puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, fuerzas de Van der Waals.

Estructura Cuaternaria

Este nivel estructural se presenta solo en proteínas formadas por dos o más cadenas polipeptídicas (subunidades) unidas entre sí.

Propiedades de las Proteínas

Las propiedades dependen de los radicales –R de los aminoácidos que sobresalen de la cadena y de su capacidad de reaccionar con otras moléculas.

Solubilidad

Se debe a la elevada proporción de aminoácidos con radicales polares. Estos radicales establecen puentes de hidrógeno con las moléculas de agua, y así, cada radical queda recubierto de una capa de moléculas de agua que impide que se pueda unir a otras moléculas. Los cambios de pH modifican el grado de ionización de los R, lo que repercute en la solubilidad. Las proteínas globulares tienen una elevada masa molecular, que da lugar a dispersiones coloidales, no a disoluciones.

Desnaturalización

Es la pérdida de la estructura terciaria y cuaternaria, y en ocasiones de la secundaria, debido a la rotura de los enlaces débiles. Esta rotura se produce por cambios de pH, concentración salina, por agitación molecular o por variaciones de temperatura. Al volver a las condiciones normales, si la desnaturalización es reversible, se produce una renaturalización.

Especificidad

Las proteínas tienen unos aminoácidos concretos y presentan una estructura tridimensional que les permite diferenciar unas moléculas de otras.

• Especificidad de función: Es necesaria en los casos de las proteínas que interactúan con otras moléculas (proteínas enzimáticas, hormonas proteicas y anticuerpos).
• Especificidad de especie: Existe una especificidad de proteínas propia de cada especie de ser vivo e incluso de cada individuo. Esto se pone de manifiesto en los procesos de rechazo de órganos trasplantados y transfusiones sanguíneas o alergias. La semejanza entre proteínas (proteínas homólogas) indica el grado de parentesco entre especies.

Capacidad Amortiguadora

Las proteínas tienen un comportamiento anfótero para neutralizar o amortiguar las variaciones de pH, ya que, dependiendo de los radicales que queden libres, pueden comportarse como un ácido o una base y, por tanto, liberar o retirar protones del medio.

Clasificación de las Proteínas

Si la proteína está constituida exclusivamente por aminoácidos se denomina holoproteína, y si presenta algún otro tipo de componente (Grupo Prostético) se llama heteroproteína.

Holoproteínas (Solo Aminoácidos)

Según su estructura, se clasifican en:

Proteínas Filamentosas o Fibrosas

Carecen de estructura terciaria, son insolubles y se encuentran principalmente en los animales. Tienen función estructural.

• Colágeno: Presente en el tejido conjuntivo, cartilaginoso, óseo y piel. Ofrece gran resistencia al estiramiento.
• Queratina: Rica en aminoácidos cisteína. Se encuentra en las células de la epidermis (pelo, uñas).
• Elastinas: Proteínas fibrosas y flexibles, presentes en tendones y vasos sanguíneos.
• Miosina: Participa activamente en la contracción de los músculos.
• Fibrina: Proteína sanguínea, esencial en la coagulación.

Proteínas Globulares

Presentan conformación globular y son solubles.

• Protaminas: Proteínas básicas, muy pequeñas, unidas al ADN de los espermatozoides.
• Histonas: Proteínas básicas, de baja masa molecular, unidas al ADN del núcleo de las células eucariotas (excepto espermatozoides).
• Prolaminas: Proteínas de reserva en semillas vegetales, insolubles.
• Albúminas: Proteínas de gran tamaño, con función de reserva de aminoácidos o de transporte de otras moléculas (ej. seroalbúminas de la sangre, ovoalbúminas del huevo).
• Globulinas: Proteínas muy grandes y solubles (ej. seroglobulinas de la sangre, ovoglobulinas del huevo).
• Actina: Junto con la miosina, es responsable de la contracción muscular.

Heteroproteínas

Constituidas por dos partes: una proteica y una no proteica o grupo prostético, que determina la función de la proteína. En función del grupo prostético se clasifican en:

• Cromoproteínas: Su grupo prostético es una sustancia con color, por eso también se les llama pigmentos. Se dividen en:
  • Pigmento porfirínico: La porfirina es un anillo tetrapirrólico (ej. hemoglobina, mioglobina).
  • Pigmento no porfirínico: Pigmentos con un grupo prostético diferente a la porfirina (ej. hemocianina, hemeritrina).
• Glucoproteínas: Su grupo prostético es un glúcido y realizan gran variedad de funciones (ej. proteoglucanos, protrombina, inmunoglobulinas, enzimas como la ribonucleasa).
• Lipoproteínas: El grupo prostético está constituido por lípidos (ej. lipoproteínas de la membrana plasmática, transportadores de lípidos).
• Fosfoproteínas: El grupo prostético es ácido fosfórico (ej. caseína de la leche, vitelina de la yema de huevo).
• Nucleoproteínas: El grupo prostético es un ácido nucleico (ej. protaminas de los espermatozoides, histonas en el ADN nuclear).

Enzimas: Biocatalizadores

En los seres vivos ocurren numerosas reacciones químicas que en conjunto constituyen el metabolismo. Las moléculas orgánicas tienen enlaces covalentes. Hay dos métodos para acelerar la velocidad de una reacción química:

1. Elevar la temperatura: No es factible en los seres vivos porque el calor desnaturaliza las proteínas.
2. Usar un catalizador: Una sustancia que se combina con los reactivos y ayuda a realizar la reacción.

Los enzimas son biocatalizadores de acción específica; esto significa que son catalizadores biológicos, biomoléculas orgánicas (proteínas), que fabrica la propia célula y que actúan cada uno en una reacción, rompiendo y reorganizando los enlaces covalentes de forma controlada.

El Enzima como Catalizador y Biocatalizador

Características de un Catalizador Químico

• Facilitan y aceleran las reacciones químicas.
• Se requieren en pequeña cantidad.
• No se alteran en la reacción y quedan libres para volver a utilizarse.

Características Específicas de un Biocatalizador (Enzima)

• Gran actividad catalítica: Elevan la velocidad de reacción entre 10⁸ y 10¹⁴ veces.
• Actividad regulable: Su acción está controlada dentro del metabolismo celular.
• Actúan en condiciones suaves: Operan en condiciones suaves de pH y temperatura; cualquier modificación que supere unos valores límite las desnaturaliza.
• Especificidad: Cada enzima actúa sobre uno o muy pocos sustratos.

Naturaleza Química de las Enzimas

La mayoría de las enzimas son proteínas, aunque también existen otros tipos de moléculas que desarrollan actividad catalítica, como los ribozimas (moléculas de ARN).

La mayoría de las enzimas son heteroproteínas, ya que necesitan estar unidas a una sustancia no proteica para funcionar (cofactor). Estas reciben el nombre de holoenzimas, donde la parte proteica es el apoenzima. Tanto el apoenzima como el cofactor son inactivos por separado; deben estar unidos para que el holoenzima sea activo.

Hay distintos tipos de cofactores:

• Grupos Prostéticos: Moléculas orgánicas que se unen de forma permanente al apoenzima.
• Coenzimas: Moléculas orgánicas cuyas uniones son débiles y que se separan tras la catálisis.
• Cationes Metálicos: Cofactores inorgánicos que actúan de forma similar al coenzima.

Las ribozimas son ARN con actividad catalítica. Son importantes herramientas biotecnológicas para degradar ARN.

Mecanismo de Acción Enzimática

La razón por la que los enzimas catalizan las reacciones es porque disminuyen la energía de activación. En una reacción catalizada por enzimas, las sustancias iniciales (llamadas sustrato) se convierten en productos, pasando por una etapa intermedia inestable y altamente energética (etapa de transición). La presencia de enzimas reduce drásticamente la energía necesaria para alcanzar esta etapa.

Formación del Complejo Enzima-Sustrato (E-S)

La unión del sustrato o sustratos con el enzima forma el llamado complejo enzima-sustrato. Al realizarse esta unión, se debilitan ciertos enlaces a la vez que se van formando otros nuevos. Tras estas modificaciones, los sustratos se transforman en productos. El complejo E-S se desintegra, quedando libre el enzima (que podrá volver a ser utilizado) y liberándose el producto.

Centro Activo

El enzima y el sustrato se unen por numerosos enlaces débiles, por lo que deben tener superficies complementarias. La unión se produce en el centro activo. El centro activo está constituido por un número reducido de aminoácidos y tiene una hendidura cuya estructura tridimensional se complementa o adopta la forma de la molécula del sustrato. En él se localizan dos tipos de aminoácidos:

• Aminoácidos de unión o fijación: Poseen grupos funcionales que pueden establecer interacciones débiles con grupos funcionales complementarios del sustrato. Su función es fijar la molécula de sustrato en la posición adecuada.
• Aminoácidos catalíticos: Constituyen el verdadero centro de acción del enzima, pues tienen peculiaridades químicas que los capacitan para desarrollar la función catalítica.

El resto de la cadena polipeptídica tiene una misión estructural, encargándose de mantener la conformación tridimensional del enzima; sin ella no existiría centro activo.

Modelos de Especificidad Enzima-Sustrato

Cada enzima cataliza un solo tipo de reacción y actúa sobre un sustrato o un grupo muy reducido. Esta especificidad se debe a la complementariedad que debe existir entre el sustrato y el centro activo. Se han propuesto varios modelos:

• El modelo de la llave y la cerradura: El centro activo tiene una forma tridimensional determinada y el sustrato debe ser complementario a él.
• El modelo del ajuste inducido: Es el más aceptado en la actualidad. No hay una adaptación predeterminada, sino una adaptación inducida por los aminoácidos de unión al interactuar con el sustrato.

Cinética Enzimática

Manteniendo la concentración del enzima constante, si aumenta la concentración del sustrato (S), la velocidad de la reacción (V) también aumenta. Este aumento es rápido para concentraciones bajas de sustrato, pero se va haciendo más lento hasta alcanzar un valor máximo (Vmax), momento en el que todas las moléculas del enzima están unidas al sustrato (el enzima está saturado).

La constante de Michaelis-Menten (Km) representa la concentración de sustrato cuando la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad máxima (Vmax/2).

Inhibidores de la Acción Enzimática

Son sustancias químicas que disminuyen o bloquean la actividad de los enzimas. Según el modo de acción, se distinguen dos tipos de inhibidores:

Inhibición Irreversible

Impiden la actividad enzimática de forma permanente, porque se unen con un fuerte enlace covalente o porque alteran su estructura. Estos inhibidores son toxinas, venenos (como pesticidas) o fármacos (que impiden trabajar a las enzimas que sintetizan la pared bacteriana).

Inhibición Reversible

Su efecto es temporal, porque el inhibidor solo se une por enlaces débiles al enzima y no lo destruye. Según la forma de actuación, se distinguen tres tipos:

• Competitivos: Si la estructura molecular es similar a la del sustrato, el inhibidor puede unirse al centro activo de la enzima, impidiendo que lo haga el sustrato. Ambos compiten por el centro activo. La acción del inhibidor puede contrarrestarse aumentando la concentración del sustrato.
• No competitivos: El inhibidor se une al enzima por un sitio diferente al que se une el sustrato, alterando su conformación e impidiendo el acceso del sustrato. Un aumento de la concentración del sustrato no conduce a la recuperación de la actividad.
• Acompetitivos: El inhibidor se une al complejo enzima-sustrato e impide la formación del producto.

Vitaminas

Las vitaminas son compuestos orgánicos de composición variada, indispensables en cantidades muy pequeñas para el correcto funcionamiento del organismo. El concepto es similar al de ácido graso o aminoácido esencial.

Algunas actúan como coenzimas o forman parte de ellas, y otras intervienen en funciones especializadas. Se destruyen por el calor, la luz o las variaciones de pH.

Las vitaminas son sintetizadas por vegetales y microorganismos, pero, con algunas excepciones (las aves sintetizan vitamina C), no por los animales. Por ello, deben ser ingeridas en la dieta, como vitaminas o en forma de provitaminas.

Tanto su déficit como su exceso originan trastornos metabólicos:

• Avitaminosis: Ausencia total de una vitamina.
• Hipovitaminosis: Déficit de alguna vitamina (estados carenciales).
• Hipervitaminosis: Exceso de vitaminas. Las vitaminas liposolubles A y D pueden resultar tóxicas por su dificultad para ser eliminadas.

Clasificación según Solubilidad

Atendiendo a su solubilidad, se dividen en dos grupos:

Vitaminas Liposolubles

Son de naturaleza lipídica (las vitaminas A, K y E son diterpenos y la vitamina D es un esteroide). No son solubles en agua, pero sí en disolventes orgánicos. Se pueden almacenar junto con las grasas, por lo que la hipovitaminosis es rara, aunque es más probable la hipervitaminosis.

• Vitamina A: Necesaria para la vista.
• Vitamina D: Necesaria para los huesos.
• Vitamina K: Necesaria para la coagulación sanguínea.
• Vitamina E: Es un potente antioxidante.

Vitaminas Hidrosolubles

Son moléculas polares y solubles en agua, lo que permite eliminar el exceso por la orina. Es muy rara la hipervitaminosis, pero es necesario ingerirlas diariamente porque no se almacenan, lo que hace más probable la hipovitaminosis.

• Vitamina C: Posee poder antioxidante.
• Vitaminas del complejo B: Son un amplio grupo que actúan como coenzimas. Es importante destacar:
  • Riboflavina (B₂): Forma parte del FAD y el FMN.
  • Nicotinamida (B₃): Forma parte del NAD y NADP (coenzimas que transportan hidrógenos en reacciones redox).
  • Ácido pantoténico (B₅): Forma la coenzima A, que transfiere grupos acetil de unos sustratos a otros.