1. Concepto

Las proteínas son macromoléculas formadas por C, H, O, N, S; algunas contienen fósforo y elementos metálicos como Fe, Cu, Mg. Se sintetizan en los ribosomas de las células. Son polímeros lineales no ramificados de unidades más sencillas (monómeros) denominadas aminoácidos, unidos mediante enlace peptídico. Son las moléculas orgánicas más abundantes en los seres vivos (50 % del peso seco de la materia viva). Su importancia radica en la variedad de funciones que pueden desempeñar.

2. Los Aminoácidos

Un aminoácido es un ácido orgánico que presenta un grupo amino (NH₂) y un grupo ácido o carboxilo (COOH) unidos a un mismo carbono que se denomina C_α. Su fórmula general es: En la naturaleza existe una gran cantidad de aminoácidos, de los cuales, unos forman parte de las proteínas y otros no. En las proteínas sólo se han encontrado 20 aminoácidos distintos, que reciben el nombre de aminoácidos proteicos. De estos 20 aminoácidos, los humanos podemos sintetizar doce; los 8 restantes debemos ingerirlos a través de la dieta, y se denominan por ello aminoácidos esenciales (valina, leucina, isoleucina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y lisina). Además de su participación en la formación de las proteínas, muchos aminoácidos y sus derivados desempeñan otras funciones en la comunicación celular, como la glicina, que es un neurotransmisor; otros, como citrulina y ornitina, forman parte de la pared de bacterias; otros son antibióticos, …

2.1. Propiedades

• a) Son sólidos, cristalizables, solubles en agua, incoloros y tienen puntos de fusión elevados (> 200 °C).
• b) Isomería espacial o estereoisomería: Por ser el carbono alfa asimétrico, los aminoácidos presentan estereoisomería (salvo la glicina), de modo que pueden adoptar dos configuraciones espaciales: Los aminoácidos que forman parte de las proteínas son todos L-αa.
• c) Isomería óptica: Desvían el plano de luz polarizada; si lo hacen a la izquierda son levógiros (-) y si lo hacen a la derecha son dextrógiros.
• d) Son anfóteros: El grupo carboxilo les da un carácter ácido, mientras que el grupo amino les da carácter básico, por lo que en disolución pueden comportarse como ácidos o como bases dependiendo del pH del medio.

Punto isoeléctrico (pI): Valor de pH en el que el número de cargas positivas es igual al número de cargas negativas, es decir, carga neta = 0. El valor de pI es característico de cada aminoácido, aunque en todos ellos tiene un valor en torno a 7. Si el pH del medio es > pI, el aminoácido cederá H⁺ al medio y se quedará con carga neta –. Por el contrario, si el pH del medio es < pI, el aminoácido captará H⁺ del medio y tendrá carga neta +. En medios fisiológicos con pH aproximadamente = 7, todos los aminoácidos tienen carga neta = 0.

En el laboratorio se utiliza una técnica de separación de moléculas según el tamaño de las mismas llamada electroforesis. Consiste en someterlas a un campo eléctrico y que éstas se dirijan hacia el polo opuesto a su carga. A lo largo del recorrido, se desplazarán más deprisa las de menor tamaño y más despacio las de mayor tamaño. Los aminoácidos con carga neta + se dirigirán hacia el polo – o cátodo; mientras que los aminoácidos con carga – irán hacia el polo + o ánodo. Si un aminoácido tiene carga neta = 0, NO migrará hacia ninguno de los polos.

2.2. Clasificación de los Aminoácidos

Basada en la naturaleza de su cadena lateral (R), ya que su grupo terminal es el mismo en todos los aminoácidos. Esa cadena lateral puede ser alifática (lineal o ramificada) o aromática (con ciclos). En cuanto a la solubilidad en agua, puede ser apolar, polar sin carga, o polar con carga:

• Aminoácidos apolares: Cadena lateral alifática (cadena abierta). Su cadena lateral R es hidrófoba (hidrocarbonada). Ej: glicocola (= glicina), leucina, isoleucina, valina.
• Aminoácidos polares sin carga (neutros): Su cadena lateral R contiene grupos polares o hidrofílicos (hidroxilo: OH, tiol: SH, o amida: CO-NH₂) capaces de formar puentes de hidrógeno con otros grupos polares, pero que no se ionizan, por lo que no presentan carga, como la serina y la cisteína.
• Aminoácidos polares con carga: La cadena lateral R se ioniza y puede ser ácida, al contener un grupo carboxilo extra (quedando con carga negativa), o básica, con un grupo amino extra (adquiriendo carga positiva).

3. El Enlace Peptídico

• Es el que une entre sí a los aminoácidos. Se establece entre el carboxilo de un aminoácido y el amino del siguiente (se elimina una molécula de H₂O).
• Se puede romper por hidrólisis con enzimas proteolíticas (proteasas).

3.1. Características del Enlace Peptídico

• Covalente tipo amida [enlace amida: entre grupos amino y carboxilo; enlace peptídico: es un enlace amida entre dos aminoácidos].
• Es un enlace simple pero con carácter parcial de doble enlace, rígido, sin rotación entre C=O y NH; los 4 átomos que intervienen en el enlace se encuentran en el mismo plano.
• O del carboxilo y H del amino en lados opuestos del enlace (configuración trans).

4. Estructura de las Proteínas

Las largas cadenas de proteínas necesitan doblarse y replegarse para que quepan en el interior de las células y para que así puedan realizar correctamente su función. Para ello, van adoptando diferentes niveles de plegamiento, de manera que se diferencian 4 niveles estructurales de complejidad creciente, y cada uno se construye a partir del anterior: estructura primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria (esta última sólo las formadas por más de una cadena peptídica).

4.1. Estructura Primaria

Es la secuencia lineal de aminoácidos. Refleja el número de aminoácidos, el tipo de aminoácidos y el orden en que se disponen. Cualquier cambio en la secuencia de los aminoácidos determina otra proteína. Está determinada genéticamente y es la que determina a los demás niveles.

• Enlace peptídico: Eje formado por el C_α, el C carboxílico y el N amino – NH – C_α – CO – que se repiten y se disponen en zigzag.
• Del eje salen las cadenas laterales de los aminoácidos, alternando a un lado y a otro.
• El primer aminoácido de la cadena peptídica es el que tiene el grupo amino libre (aminoácido N-terminal) y el último tiene el grupo carboxilo libre (aminoácido C-terminal).

4.2. Estructura Secundaria

Es la disposición que adoptan diferentes tramos de la cadena de aminoácidos en el espacio, en un primer plegamiento. Se debe a la capacidad de rotación de los enlaces del C_α de cada aminoácido. Las más frecuentes son:

• Hélice α: Al enrollarse helicoidalmente la cadena peptídica sobre sí misma, en sentido dextrógiro.
  • Se estabiliza mediante puentes de H intracatenarios entre grupos NH y CO del 4º aminoácido que le sigue.
  • 3,6 aminoácidos cada vuelta.
  • Cadenas laterales (R) hacia el exterior. No intervienen en los enlaces que estabilizan la hélice.
• Lámina β o lámina plegada: Al extenderse el eje de la cadena polipeptídica en zigzag, con los enlaces peptídicos en planos de inclinación alterna y las R hacia arriba y hacia abajo alternativamente. Varios fragmentos (de la misma o de distintas cadenas) se pueden disponer paralelos o antiparalelos, estableciendo puentes de H entre grupos NH y CO de enlaces peptídicos enfrentados. Normalmente, en las proteínas se encuentran -en diferentes proporciones- los dos tipos de estructura secundaria: unos tramos con hélice alfa y otros tramos con lámina beta y en las zonas de conexión entre unas y otras, giros o codos irregulares o aleatorios, en los que no hay una disposición espacial definida.

Un caso especial es la hélice de colágeno: es mucho más alargada que la hélice α debido a que abundan aminoácidos que no pueden formar puentes de H, como la prolina. La estabilidad del colágeno se debe a la agrupación de 3 hélices enrollándose para formar una superhélice.

4.3. La Estructura Terciaria

Es la disposición global que adopta la secundaria en el espacio, la conformación tridimensional final del polipéptido, en la que puede haber tramos con estructura secundaria en hélice alfa, lámina beta e irregulares. Se mantiene gracias a enlaces entre las R de los aminoácidos:

• Puentes disulfuro S-S entre grupos -SH de 2 cisteínas (enlace covalente).
• Puentes de hidrógeno.
• Interacciones iónicas (entre cargas + y – de las cadenas laterales).
• Fuerzas de Van der Waals (entre cadenas hidrófobas).

Es la responsable directa de las funciones biológicas de la proteína. En las proteínas que constan de una sola cadena polipeptídica, este es el máximo nivel estructural que se alcanza. Los dos tipos de estructura terciaria son:

• Estructura globular: La estructura secundaria se pliega adoptando una forma aproximadamente esférica, compacta, ya que no predomina una dimensión sobre las demás.
  • Las cadenas laterales de los aminoácidos que son apolares (hidrofóbicas) quedan en la parte interior, mientras que las cadenas laterales hidrofílicas (polares) quedan en la periferia, para poder estar en contacto con el agua (suelen ser proteínas solubles en agua).
  • Sin embargo, en las proteínas que se encuentran en las membranas celulares sucede lo contrario: los aminoácidos con cadenas apolares hidrofóbicas (apolares) se encuentran en la periferia por encontrarse en un ambiente lipídico en el interior de la doble capa lipídica.
  • Las proteínas globulares tienen en general funciones dinámicas, activas (enzimas, hormonas, transportadoras, ej. mioglobina).
• Estructura fibrosa: La cadena polipeptídica no se compacta y adopta una disposición “estirada”, donde una de las dimensiones es mucho mayor que la otra, formando una estructura alargada. Las proteínas fibrosas son insolubles y tienen funciones estructurales (colágeno, queratina, fibroína de la seda).

¿Por qué la estructura primaria o secuencia de aminoácidos determina la estructura final y, por tanto, la función de la proteína? Los plegamientos se producen y mantienen por la existencia de enlaces entre las cadenas laterales de los aminoácidos. Por esto, el orden de estos aminoácidos en la estructura primaria es fundamental en la conformación espacial de la proteína. Cualquier cambio en la posición de alguno de ellos puede alterar la estructura terciaria (al no poder establecerse esos enlaces que dan lugar a un determinado plegamiento) y, por tanto, la función de la proteína.

4.4. Estructura Cuaternaria

Solo se alcanza en aquellas proteínas de gran tamaño y peso molecular, que están formadas por la asociación de varias cadenas polipeptídicas iguales o diferentes, que forman subunidades. Estas cadenas peptídicas suelen tener una estructura terciaria generalmente globular; al formar la estructura cuaternaria, se unen las estructuras terciarias y se establecen enlaces entre las cadenas laterales de sus aminoácidos del mismo tipo que los que estabilizan la estructura terciaria (puentes disulfuro, puentes de H, atracciones iónicas y fuerzas de Van der Waals). Si están formadas por 2 subunidades se llaman dímeros (ej. queratina), 3 subunidades = trímeros (ej. colágeno), 4 subunidades = tetrámeros (ej. hemoglobina), y muchas subunidades se llaman polímeros (ej. filamentos de actina).

5. Propiedades de las Proteínas

Son moléculas de alto peso molecular y sus propiedades dependen sobre todo de las cadenas laterales y de que estas puedan interaccionar con el medio.

5.1. Solubilidad

Las proteínas fibrosas son insolubles y las globulares son solubles, aunque no forman verdaderas disoluciones en agua, sino dispersiones coloidales (debido a su gran tamaño). Cuando una proteína se solubiliza, dispone las cadenas laterales hidrófilas de sus aminoácidos hacia afuera, interaccionando con las moléculas de agua y queda recubierta de una capa de moléculas de agua (capa de solvatación) que impide que se una a otras moléculas, lo cual provocaría su precipitación por exceso de peso (insolubilización). Las cadenas laterales hidrófobas quedarían hacia el interior (rehuyendo el contacto con el agua).

5.2. Especificidad

Así como los lípidos y glúcidos son iguales en todos los seres vivos, las proteínas son específicas de cada especie e incluso algunas, de cada individuo. Esta especificidad se basa en la secuencia de aminoácidos que viene determinada por la secuencia de nucleótidos en los genes (en el ADN). Las proteínas homólogas (que desempeñan la misma función) presentan diferencias en su secuencia de aminoácidos, y éstas serán mayores cuanto más alejadas evolutivamente estén las especies. Ej. Será más parecida la hemoglobina humana con la del chimpancé que con la del perro. De ahí que la secuencia de aminoácidos de las proteínas se utilice en estudios evolutivos. Esta propiedad es la responsable de los rechazos en trasplantes e injertos. Al introducir proteínas “distintas”, el organismo las reconoce como extrañas y fabrica anticuerpos contra ellas.

5.3. Comportamiento Anfótero

Como los aminoácidos, las proteínas son sustancias anfóteras, pueden comportarse como un ácido o una base y, por tanto, liberar o retirar protones (H⁺) del medio donde se encuentran; por ello pueden amortiguar las variaciones de pH del medio en que se encuentren (citoplasma, sangre, líquido intersticial…). Esta propiedad se debe a los aminoácidos que contienen en su cadena lateral grupos NH₃ y los que contienen grupos COOH (los grupos amino y carboxilo unidos a los C_α NO intervienen, ya que se encuentran ocupados en los enlaces peptídicos).

5.4. Desnaturalización

Es la pérdida de la conformación tridimensional de la proteína cuando se la somete a cambios bruscos de pH o temperatura, agitación mecánica fuerte, acción de rayos UV, detergentes… Esto provoca la rotura de los enlaces que mantienen la estructura cuaternaria (si la tiene), terciaria y secundaria, y por tanto la pérdida de su función. NO AFECTA a la estructura primaria. NO resultan afectados los enlaces peptídicos (si no, hablaríamos de hidrólisis). Si la desnaturalización es suave, al restablecerse las condiciones iniciales, la proteína recupera su conformación inicial; al proceso se le denomina renaturalización. La desnaturalización provoca generalmente la pérdida de solubilidad y hace que la proteína precipite. Ej: La caseína, que es una proteína presente en la leche, se desnaturaliza cuando las bacterias del ácido láctico fermentan la lactosa y la transforman en ácido láctico; esto provoca una disminución del pH y la desnaturalización de la caseína, que provoca el “cuajado” de la leche. Es irreversible cuando los cambios de naturaleza son muy intensos y persistentes, y aunque vuelvan las condiciones normales, la proteína es incapaz de recuperar su última estructura. Ej. La desnaturalización irreversible de la albúmina del huevo por la cocción, que pasa de tener una estructura globular, soluble en agua, a una fibrosa insoluble en agua.