1. Las proteínas: clasificación

Las proteínas son biomoléculas orgánicas formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno; llevan fósforo, azufre y algunos elementos metálicos, como hierro y cobre. Son unos polímeros lineales no ramificados de aminoácidos (aa), que se unen mediante enlaces peptídicos.

Péptidos

Son cortas cadenas de entre dos y cien aminoácidos.

• Oligopéptidos: Son péptidos de entre dos y diez aminoácidos. Se denominan dipéptidos (dos aminoácidos), tripéptidos (tres aminoácidos) y así sucesivamente.
• Polipéptidos: Son péptidos de entre diez y cien aminoácidos. Un ejemplo es la insulina.

Proteínas

Son largas cadenas de más de cien aminoácidos.

• Homoproteínas: Se llaman proteínas simples y están formadas exclusivamente por aminoácidos. Un ejemplo es el colágeno.
• Heteroproteínas: Conocidas como proteínas conjugadas, poseen una parte proteica (la apoproteína) constituida por aminoácidos y una parte no proteica o grupo prostético. Un ejemplo es la hemoglobina.

2. Los aminoácidos

Los aminoácidos son las unidades o monómeros constituyentes de las proteínas. Su fórmula general: un carbono, que se conoce como carbono (α), unido covalentemente a un grupo amino (-NH₂) y a un grupo carboxilo (COOH).

Propiedades físicas de los aminoácidos

• Son sólidos, cristalinos e incoloros.
• Algunos tienen sabor dulce.
• Son solubles en agua, debido al grupo amino y al grupo carboxilo del carbono α.
• Presentan isomería espacial o estereoisomería.
• Tienen isomería óptica.

Propiedades químicas de los aminoácidos

Para cada aminoácido existe un pH, denominado punto isoeléctrico o pI. En él, el aminoácido es un ion dipolar neutro. La principal propiedad química de los aminoácidos es su carácter anfótero; en disolución acuosa pueden actuar como ácidos y como bases.

Carácter anfótero de los aminoácidos

• En medio ácido (pH < pI), el aminoácido se comporta como una base y capta protones.
• En medio básico (pH > pI), el aminoácido se comporta como un ácido y libera protones.

3. El enlace peptídico

Los aminoácidos se enlazan entre ellos mediante el enlace peptídico. Se trata de un enlace de tipo amida que se establece entre el grupo α-carboxilo de un aminoácido y el grupo α-amino de otro aminoácido, de tal modo que en la reacción se desprende una molécula de agua. El resultado es un dipéptido.

Formación del enlace peptídico

El extremo de un péptido que tiene el grupo -amino libre es el extremo amino terminal o N-terminal. El extremo situado en el lado opuesto de la cadena, que tiene el grupo α-carboxilo libre, es el extremo carboxilo terminal o C-terminal.

Características del enlace peptídico

1. Es un enlace covalente muy estable, más corto que otros tipos de enlaces.
2. Posee cierto carácter de doble enlace, por lo que es plano y rígido y carece de libertad de giro.
3. Solo existe posibilidad de libre giro en los enlaces C—C y N—C.
4. Los cuatro átomos que están implicados en el enlace (C=O-NH) se sitúan en el mismo plano.

4. Los niveles estructurales de las proteínas

Estructura primaria

La estructura primaria de una proteína viene determinada por la secuencia lineal concreta de aminoácidos. Esta secuencia es única para cada proteína, pues la información necesaria para construirla se encuentra codificada en el ADN. La alteración de la estructura primaria da lugar a una proteína distinta. La estructura primaria es mantenida por el enlace peptídico, solo se puede romper por hidrólisis ácida o enzimática.

Estructura secundaria

Modo en que una cadena polipeptídica se dispone en el espacio a lo largo de un eje. Es el nivel estructural superior que alcanzan las proteínas fibrosas.

• Hélice α: Incluye 3,5 aminoácidos por vuelta. La hélice queda estabilizada por enlaces de hidrógeno que se forman entre el grupo -NH de un aminoácido y el grupo -C=O del cuarto aminoácido que le sigue en la cadena. Las cadenas laterales (R) de los aminoácidos y los hidrógenos (H) se disponen hacia el exterior de la hélice. Ejemplo: α-queratinas (células epidérmicas).
• Lámina β: Disposición en zigzag y varias cadenas se disponen en paralelo, formando una lámina plegada. Se establecen enlaces de hidrógeno entre los grupos -C=O y -NH de las cadenas paralelas. Ejemplo: β-queratina (fibras de gusanos de seda y arañas).
• Hélice de colágeno: La cadena polipeptídica, que es rica en glicina, prolina e hidroxiprolina, incluye tres aminoácidos por vuelta. Tres de estas hélices levógiras, a su vez, se enrollan unas sobre otras en sentido dextrógiro y se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno. Ejemplo: los vasos sanguíneos.

Estructura terciaria

La estructura terciaria es la forma en que la estructura secundaria se pliega y repliega en el espacio, adquiriendo una disposición espacial esférica mediante enlaces covalentes tipo disulfuro y enlaces de hidrógeno. Las proteínas globulares poseen estructura terciaria, alternando tramos con estructura de hélice α y de lámina β, que se pliegan, adquiriendo una forma compacta y esférica. Es frecuente la repetición de combinaciones espaciales, muy estables y compactas, de hélice α y lámina β que se llaman dominios estructurales. Esta geometría muy concreta desempeña funciones importantes en la actividad biológica de las proteínas.

Estructura cuaternaria

Poseen estructura cuaternaria las proteínas que están formadas por varias cadenas polipeptídicas, cada una de las cuales, a su vez, presenta una estructura terciaria. Se denominan oligoméricas. Cada una de sus cadenas polipeptídicas se llama subunidad o protómero. Los enlaces son similares a los de la estructura terciaria.

Conformación nativa de las proteínas

La conformación nativa de una proteína resulta de la combinación de las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria que puedan coexistir en esa proteína. Adopta la conformación más estable posible, que se corresponde con su conformación o estructura nativa. Las proteínas solo manifiestan su actividad biológica cuando se encuentran en su estructura nativa. Algunas proteínas no pueden alcanzar su conformación funcional por sí mismas y requieren la ayuda de otras proteínas, llamadas chaperonas, para conseguir un plegamiento adecuado.

Interacciones en la estructura terciaria y cuaternaria de las proteínas

Las estructuras terciaria y cuaternaria están estabilizadas por diferentes tipos de enlaces intermoleculares.

• Enlaces intermoleculares débiles:
  • Interacciones electrostáticas o puentes salinos.
  • Interacciones hidrofóbicas.
  • Fuerzas de Van der Waals.
  • Enlaces de hidrógeno.
• Enlaces disulfuro: Se trata de un tipo de enlace intermolecular covalente que se establece entre dos grupos -SH de dos cisteínas.

5. Propiedades de las proteínas

Especificidad

La función de una proteína depende de su secuencia de aminoácidos que determina su conformación nativa.

• Especificidad de especie: Cada especie tiene sus propias proteínas, que difieren de las proteínas de otras especies en su secuencia de aminoácidos. Estas proteínas similares que desempeñan la misma función son las proteínas homólogas.
• Especificidad de función: Cada proteína, dada su secuencia de aminoácidos, está especializada en una única función. Esto se debe a que la funcionalidad proteica pasa por la interacción selectiva con otras moléculas, para lo cual resulta imprescindible una determinada secuencia de aminoácidos.

Solubilidad

La solubilidad de las proteínas depende de su forma, el pH del medio, la concentración de sales, etcétera.

Capacidad tamponadora

Las proteínas, al igual que los aminoácidos que las integran, tienen un carácter anfótero. Pueden neutralizar las variaciones de pH del medio comportándose como ácidos (liberan protones) o como bases (captan protones).

Desnaturalización

La desnaturalización es la pérdida de la conformación nativa de la proteína, lo que implica la pérdida de su funcionalidad. Se desnaturalizan cuando quedan sometidas a variaciones de pH, aumento de la temperatura o presencia de determinadas sustancias. Esto no implica la ruptura de los enlaces peptídicos ni la pérdida de la estructura primaria, pero sí provoca cambios en la forma que disminuyen la solubilidad de la proteína.

• Desnaturalización irreversible: La proteína, una vez desnaturalizada, es incapaz de recuperar su conformación nativa; por tanto, no recupera su funcionalidad.
• Desnaturalización reversible: La proteína recupera su conformación nativa y su funcionalidad cuando se restablecen las condiciones fisiológicas iniciales. Este proceso se llama renaturalización.

6. Funciones de las proteínas

• Estructural: Proporcionan fuerza y protección a las estructuras biológicas. Ejemplos: fibras del huso o queratina del pelo y de las uñas.
• Nutritiva y de reserva: Almacenan aminoácidos como elementos nutritivos. Destacan la ovoalbúmina del huevo y el gluten de la semilla de trigo.
• Transportadora: Las proteínas transportadoras unen moléculas o iones de forma específica y reversible para llevarlos donde sean necesarios. Por ejemplo: la hemoglobina transporta O₂.
• Contráctil: Se trata de proteínas que permiten al organismo cambiar de forma o desplazarse. Son la actina y la miosina de los músculos.
• Catalítica: Esta es la función principal. La llevan a cabo las enzimas o biocatalizadores, que intervienen en las reacciones metabólicas aumentando su velocidad.
• Reguladora: Se ocupan de integrar y coordinar todos los procesos bioquímicos del organismo.
• Inmunitaria: Las proteínas encargadas de la defensa inmunológica: los anticuerpos.

7. Tipos de proteínas

Homoproteínas

Están formadas únicamente por aminoácidos. Se clasifican en función de los niveles estructurales:

• Fibrosas o escleroproteínas:
  • Solo tienen estructura secundaria.
  • Su forma es filamentosa.
  • Son muy resistentes e insolubles en agua.
  • Poseen funciones estructurales. Las más importantes son:
    • Colágeno: Forma la matriz extracelular del tejido óseo y conjuntivo.
    • Elastina: Es una proteína muy flexible. Aparece en el tejido conjuntivo elástico de los vasos sanguíneos.
    • α-queratina: Se encuentra en la piel, el pelo, la lana, las plumas, los cuernos, las uñas, las pezuñas y las escamas.
    • β-queratina: Está presente en las fibras tejidas por las arañas y los gusanos de seda.
• Globulares o esferoproteínas:
  • Tienen estructura terciaria o cuaternaria.
  • Su forma es esférica.
  • Son solubles en agua y en disoluciones salinas.
  • Realizan funciones activas, de transporte, etcétera. Las más importantes son:
    • Albúminas: Constituyen la principal reserva de proteínas del organismo. Entre ellas se encuentra la ovoalbúmina de la clara del huevo.
    • Globulinas: Entre ellas destacan las γ-globulinas, unas inmunoglobulinas que forman los anticuerpos.
    • Protaminas e histonas: Son proteínas básicas que se encuentran asociadas al ADN. Las protaminas aparecen solo en los espermatozoides.
    • Prolaminas y gluteninas: Son proteínas de reserva que aparecen en semillas vegetales, como las del trigo.

La hemoglobina

La hemoglobina es una cromoproteína conjugada. Su fracción proteica es un tetrámero formado por cuatro cadenas polipeptídicas globulares: dos cadenas de α-globina de 141 aminoácidos y dos cadenas de β-globina de 146 aminoácidos. Cada una lleva en su interior un grupo prostético denominado grupo hemo. Se trata de la protoporfirina, en cuyo interior hay un catión Fe²⁺. Cada Fe²⁺ se puede unir de forma débil, reversible y no covalente a una molécula de O₂ o de CO₂. Así, cada molécula de hemoglobina puede transportar cuatro moléculas de O₂, desde los alvéolos pulmonares hasta las células, o de CO₂, desde las células hasta los alvéolos pulmonares, para poder expulsarlo al exterior.

Heteroproteínas o proteínas conjugadas

Son proteínas globulares formadas por una parte proteica (apoproteína) y una parte no proteica (grupo prostético). Se clasifican en función de la naturaleza química del grupo prostético.

• Cromoproteínas: El grupo prostético es una sustancia coloreada. Ejemplos de proteínas transportadoras:
  • Hemoglobina: Color rojo. Su función principal es el transporte de gases (oxígeno y dióxido de carbono) en vertebrados y en algunos invertebrados.
  • Mioglobina: Almacena oxígeno en las células del músculo esquelético y aumenta la velocidad de difusión de ese gas en las células.
  • Citocromos: Transportan electrones y se encuentran solo en células aeróbicas.
• Glucoproteínas: Su grupo prostético es un oligosacárido. Ejemplos de glucoproteínas:
  • Algunas proteínas que forman las membranas celulares.
  • Las inmunoglobulinas.
  • La protrombina de la sangre, intermediaria en el proceso de coagulación sanguínea.
• Lipoproteínas: Su grupo prostético es un lípido. En su superficie hay fosfolípidos, colesterol y la parte proteica. Destacan las lipoproteínas de la sangre, que transportan lípidos.
• Nucleoproteínas: Su grupo prostético es un ácido nucleico (ARN o ADN). Un ejemplo son las ribonucleoproteínas que forman los ribosomas celulares.

La hemoglobina y la muerte por asfixia

La muerte por asfixia ocurre cuando las células reciben una cantidad nula o insuficiente de oxígeno, por lo que se paraliza la cadena respiratoria de las mitocondrias. Este fenómeno se puede originar a varios niveles; uno de ellos afecta a la capacidad de transporte de oxígeno por parte de la hemoglobina.

• Causas:
  • Inhalación de monóxido de carbono: La hemoglobina tiene más afinidad por el monóxido de carbono (CO) que por el oxígeno.
  • Oxidación del grupo hemo: Ciertas sustancias químicas, como los nitratos, son altamente tóxicas, porque tienen la capacidad de oxidar de forma irreversible el ion Fe²⁺ del grupo hemo. Este grupo hemo, cuando su hierro está oxidado en forma de ion Fe³⁺, se denomina hemina. El ion Fe³⁺ del grupo hemina es incapaz de unir el oxígeno.

8. Las enzimas

Las enzimas son biocatalizadores específicos que incrementan la velocidad de las reacciones metabólicas. La mayoría tiene naturaleza proteica, aunque también se han descubierto moléculas de ARN catalíticas, las ribozimas. Las moléculas en las que las enzimas ejercen su acción específica se denominan sustratos.

Tipos de enzimas según su estructura

• Sencillas: Están formadas por una fracción proteica y no requieren la interacción con ningún otro tipo de molécula o grupo químico para desempeñar su función.
• Conjugadas u holoenzimas: Fracción proteica, la apoenzima, que precisa la interacción con un componente no proteico, el cofactor.
  • Cofactores: Moléculas no proteínicas de bajo peso molecular, imprescindibles para el funcionamiento de las enzimas conjugadas.
    • Cofactores inorgánicos: Se trata de iones metálicos como Fe²⁺, Mg²⁺ y Zn²⁺.
    • Cofactores orgánicos: Pueden ser de dos tipos:
      • Coenzimas: Son cofactores orgánicos unidos a la apoenzima por enlaces débiles no covalentes. Ejemplos: NAD⁺, FAD y coenzima A.
      • Grupos prostéticos: Son cofactores orgánicos unidos a la apoenzima por enlaces covalentes. Ejemplo: el grupo hemo.

Características de las enzimas

• Especificidad: Las enzimas son específicas, es decir, cada enzima actúa sobre un sustrato concreto. La especificidad de las enzimas deriva de su conformación nativa.
• Efectividad: Las enzimas son muy eficientes.
• Regulación: La regulación de las rutas metabólicas es a través de mecanismos de activación-desactivación. La forma más frecuente de regulación es el alosterismo, que consiste en modificaciones de la estructura tridimensional de la enzima por la unión específica de una molécula, el modulador, a un centro regulador distinto de su centro activo.
• Rendimiento: Las enzimas conducen a unos rendimientos del 100%. Solo catalizan un tipo de reacción química.

Factores que afectan a la actividad enzimática

• Temperatura y pH: Cada enzima tiene una temperatura y un pH óptimos para los cuales su actividad es máxima.
• Concentración de sustrato: La velocidad (v) de una reacción catalizada enzimáticamente indica el número de moléculas de sustrato que se convierten en producto por unidad de tiempo. Para una determinada concentración de enzima, la velocidad de la reacción se incrementa tendiendo a un valor máximo, que es la velocidad máxima de la reacción. La afinidad de cada enzima por su sustrato se mide a través de la constante de Michaelis-Menten.
• Inhibidores: Son sustancias que se unen a la enzima para impedir que esta actúe sobre su sustrato.
  • Inhibidores irreversibles: Se unen de forma covalente y permanente al centro activo de la enzima, que queda inutilizado.
  • Inhibidores reversibles competitivos: Se unen de forma no covalente al centro activo de la enzima, debido a su similitud química con el sustrato.
  • Inhibidores reversibles no competitivos: Se fijan de forma no covalente al complejo E-S, impidiendo la formación de productos.

9. Las vitaminas

• Las vitaminas son pequeñas moléculas orgánicas que actúan como coenzimas en las reacciones metabólicas o bien tienen otras funciones muy específicas.
• No aportan energía a la célula y no se usan como unidades estructurales de otras biomoléculas.
• Debido a que el cuerpo no las produce o lo hace en cantidades insuficientes, deben obtenerse en la alimentación. Por ejemplo, la vitamina D se produce en pequeñas cantidades en la piel, mientras que otras vitaminas, como las B y K, son producidas por la flora intestinal.
• La carencia o deficiencia de una vitamina concreta acarrea cuadros patológicos de avitaminosis o hipovitaminosis, que pueden remitir con el suministro de vitaminas.

Vitaminas hidrosolubles

• Forman derivados que actúan como coenzimas en múltiples reacciones metabólicas.
• Son pequeñas moléculas solubles en agua.
• Muchas incluyen en su estructura nucleótidos, como las vitaminas del complejo B.
• Su exceso no se almacena en el organismo.
• Es necesario aportarlas diariamente con la dieta, ya que se eliminan a través de la orina.
• Las deficiencias se manifiestan rápidamente.

Entre ellas destacan:

• La tiamina (Vit B1): Es imprescindible en la transformación del PEP en acetil CoA durante la decarboxilación oxidativa. Produce beriberi (debilidad muscular).
• La riboflavina (Vit B2): Es necesaria para la fabricación de FAD (flavín adenín dinucleótido) y NAD (nicotin adenín dinucleótido) necesarios en el ciclo de Krebs durante la respiración celular.
• La piridoxina (Vit B6) y cianocobalamina (Vit B12): Son cofactores de enzimas que participan en el metabolismo de aminoácidos. Producen anemias.
• El ácido ascórbico (Vit C): Participa en la hidroxilación de la prolina del colágeno. Produce escorbuto.

Vitaminas liposolubles

• Comprende las vitaminas A, D, E y K que no actúan como coenzimas, sino que desempeñan otras funciones específicas.
• Se incluyen en el grupo de los lípidos, por lo que son de baja densidad, insolubles en agua y solubles en disolventes orgánicos.
• Gracias a su solubilidad, se almacenan en el tejido adiposo, por lo que no es necesaria su ingesta diaria. Las vitaminas A y D también se almacenan en el hígado.
• Su acumulación excesiva en los tejidos puede resultar tóxica y causar trastornos graves, ya que no se excretan fácilmente.
• Las deficiencias se manifiestan con lentitud.

Destacan:

• La vitamina A (antixeroftálmica): Procede del beta-caroteno tomado en la dieta y presente en zanahorias. La vitamina A es un componente fundamental del pigmento visual de los bastones de la retina que permite captar la luz de muy baja intensidad, permitiendo la visión nocturna. También es importante para la conservación de los epitelios. Su deficiencia produce ceguera nocturna.
• La vitamina D (antirraquítica): Es segregada por la piel bajo la acción de la luz ultravioleta en cantidades insuficientes, por lo que debe ser completada en la dieta. Ambas formas de vitamina D son inactivas en su forma original y deben activarse gracias a la acción de enzimas del hígado y riñones. La vitamina D estimula la absorción intestinal de calcio. Produce raquitismo.
• La vitamina E: Tiene una importante acción antioxidante de los ácidos grasos.
• La vitamina K (antihemorrágica): Es necesaria para la producción de protrombina, que es una proteína que participa en el proceso de coagulación de la sangre.