En este video vamos a comentar las particularidades de las proteínas. Las proteínas realizan la mayoría de las funciones a nivel celular. Por ejemplo, se encargan del transporte del oxígeno a los tejidos, participan del sistema inmunológico para el reconocimiento y eliminación de microorganismos a través de los anticuerpos, transmiten señales a nivel sistémico con hormonas, forman canales a través de la membrana plasmática, permitiendo el pasaje de moléculas a través de las membranas. Participan en el sistema complejo de la contracción muscular.
Forman parte de la estructura de las células al componer el citoesqueleto. Y son la mayor parte de las enzimas, por lo que son responsables de acelerar la velocidad de un sinfín de reacciones a nivel celular. Y estas son solo algunas de las muchas funciones en las que participan las proteínas. Ahora bien, ¿cómo están constituidas las proteínas?
Son polímeros o cadenas de aminoácidos con longitud y secuencia variable. Los aminoácidos se mantienen unidos por enlaces peptídicos, que más adelante comentaremos en detalle. Los aminoácidos son moléculas que cuentan con un carbono alfa central, el cual tiene unido un grupo amino, un grupo carboxilo, un hidrógeno y un grupo R o lateral, que es específico de cada aminoácido.
Existen 20 aminoácidos estándares en la naturaleza con distintas propiedades fisicoquímicas. Por ejemplo, Los aminoácidos con grupos apolares, como son la leucina, valina e isoleucina, donde sus grupos laterales están compuestos por carbono e hidrógenos, por lo que participan en interacciones hidrofóbicas. Estos aminoácidos en las proteínas suelen ubicarse en el interior. Otros aminoácidos contienen grupos laterales polares sin carga.
En este caso tienen grupos funcionales como carbonilos o alcoholes, que pueden establecer enlaces de hidrógeno con el agua, por lo que suelen ubicarse en la superficie de las proteínas. Y aminoácidos con grupo R polares con carga, que tienen grupos aminos o carboxilos, pudiendo formar interacciones iónicas. A nivel celular, las proteínas están codificadas en el ADN.
Los diferentes genes que codifican para las proteínas se transcriben a moléculas de ARN mensajero, que se transportan al citosol, donde el ribosoma traduce y forma la cadena polipeptídica utilizando diferentes ARN de transferencias específicos para cada aminoácido. El enlace peptídico es un enlace tipo amida entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del aminoácido adyacente. La formación de este enlace implica la eliminación de una molécula de agua, como observamos en el video. Esta cadena lineal de aminoácidos contiene la información para plegarse y adquirir una estructura tridimensional precisa y específica, la cual va a determinar la función de las proteínas. Hasta el momento hemos comentado cómo se obtiene la secuencia de aminoácidos de una proteína de manera lineal, pero las proteínas contienen estructura y conformación tridimensional.
Sin esa estructura, la proteína no puede cumplir con su función. Un dato interesante es que si a una proteína lineal aislada se la deja en solución, empieza a probar diferentes conformaciones posibles hasta que llega a obtener la única estructura, la conformación nativa. En este video estamos observando ese proceso acompañado de un gráfico en tres dimensiones sobre la energía que posee la cadena polipeptídica en esa posición.
A medida que la cadena polipeptídica adopta una conformación, se indica qué energía tiene, como se puede observar, hasta que no adopta y cae en el pozo energético de baja energía, La proteína sigue intentando diferentes conformaciones. La conformación final, que corresponde a la de menor energía, suele ser la conformación lativa, la conformación a la cual encontramos a la proteína en condiciones fisiológicas. Generalmente, corresponde a la conformación que más enlace de hidrógeno logra formar.
Al examinar cuidadosamente la contribución de las interacciones débiles a la estabilidad de las proteínas, observamos que suele predominar las interacciones hidrofóbicas. El agua genera una red de aguas unidas por enlace de hidrógeno cuando queda una molécula hidrofóbica expuesta al agua. El resultado da una capa de solvatación altamente estructurada en la inmediata proximidad de las moléculas.
El incremento del orden de las moléculas de agua en la capa de solvatación tiene como consecuencia un descenso desfavorable en la entropía del agua. Sin embargo, cuando los grupos hidrofóbicos se agrupan, se reduce esta capa de solvatación al no ofrecer cada uno de los grupos su entera superficie a la disolación. Como resultado de ello, se produce un aumento del desorden de las moléculas del agua.
Y eso favorece la segunda ley de la termodinámica que establece que el universo tiende a su máximo desorden, siendo la entropía la magnitud termodinámica que indica el grado del desorden molecular de un sistema. Por esta razón, las cadenas laterales hidrofóbicas de los aminoácidos tienden a empaquetarse en el interior de las proteínas, evitando su interacción con el agua. En condiciones celulares, el plegamiento de una proteína es asistido por proteínas que le permiten adoptar su conformación nativa.
Dichas proteínas se llaman chaperonas. Sería inviable dejarlas probar todas las combinaciones posibles a las proteínas hasta que adopten la conformación correcta desde el punto de vista del tiempo que insumiría. Una manera de estudiar la estructura de las proteínas es dividiéndolas por niveles. El primer nivel corresponde con la secuencia de la cadena polipeptídica.
La estructura secundaria de las proteínas corresponde al arreglo espacial local de la cadena polipeptídica, mientras que la estructura terciaria se refiere a la estructura tridimensional. Algunas proteínas tienen estructura cuaternaria, la misma se refiere a las interacciones entre cadenas polipeptídicas. Profundizando la estructura primaria, la misma corresponde con la secuencia lineal de aminoácidos, lo que incluye también a los enlaces peptídicos. Por convención, la manera de nombrar la cadena polipeptídica es del aminoácido con el amino terminal libre al aminoácido con el carboxilo terminal. Podemos definir también a los átomos de la cadena principal como aquellos que forman parte del enlace peptídico sin incluir a los átomos de las cadenas laterales grupos R.
Los enlaces peptídicos son planos y rígidos, no rotan, pero sí existe una rotación alrededor de estos planos rígidos entre los enlaces covalentes del nitrógeno y el carbono alfa. y el carbono alfa con el carbono del carboxilo. En este diagrama, llamado Ramachandran, se observan los giros permitidos entre los residuos de aminoácidos en un enlace peptídico, dependiendo de entre qué aminoácidos se encuentra formado el enlace peptídico y el ángulo que podrá realizar. Es por eso que no todas las secuencias polipeptídicas podrán adoptar todos los ángulos de giros posibles.
Como comentamos anteriormente, la estructura secundaria corresponde con una conformación local, formada por interacciones débiles entre los átomos de la cadena principal. Existen patrones regulares como son las alfa-hélices, las hojas betas y los giros. Como se puede ver en la imagen, las alfas-hélices se dibujan como pequeñas hélices, mientras que las hojas betas como flechas.
La disposición más sencilla que puede adoptar una cadena polipeptídica es una estructura en hélice. La hélice alfa es una estructura regular que se repite cada 5,4 Armstrong y cuyo giro es de estrógero. Implica que el esqueleto polipeptíco se encuentra compactamente enrollado alrededor del eje longitudinal y los grupos R sobresalen del esqueleto helicodal.
Cada giro de la hélice tiene 3,6 residuos. La alfa hélice se estabiliza por enlace de hidrógeno entre el hidrógeno unido al nitrógeno. el enlace peptídico y el oxígeno carbonílico del cuarto aminoácido del lado N terminal de la misma cadena.
Se forma así una trama de enlaces de hidrógeno entre los enlaces peptídicos. Por cada vuelta se terminan formando de 3 a 4 enlaces de hidrógeno, lo que le da gran estabilidad. Hay aminoácidos que afectan la estabilidad de la hélice, grupos con una igual carga yacente, residuos de prolina y glicina, y es por esto que no todas las proteínas van a contener esta conformación. En la figura se observa el giro del alfa hélice y como se observa el enlace de hidrógeno entre el oxígeno del carbonilo que forma parte de la cadena principal actuando como aceptor de dicha interacción y el nitrógeno que actúa como donador del hidrógeno unido que forma parte del enlace peptídico de la cadena principal.
En esta imagen podemos observar una estructura de alfa hélice. La misma tiene una zona A la cual es interior a la proteína y una zona B. la cual se encuentra en contacto con el solvente.
Como se puede observar, los grupos R de los aminoácidos que componen la alfa hélice se encuentran hacia afuera de la hélice. En el caso de la zona A, los grupos R son más hidrofóbicos, tienen grupos R apolares, mientras que los grupos R de los residuos que se encuentran en la zona superficial son polares. El giro de la hélice hace que se hallan los grupos R del aminoácido mirando la misma cara cada 3-4 aminoácidos en la secuencia lineal, Es decir...
Residuos con carga positiva a menudo están a 3 residuos de los residuos cargados negativamente para formar interacciones iónicas. Algo similar ocurre con los residuos hidrofóbicos. La hoja beta corresponde con las conformaciones más extendidas de las cadenas polipeptídicas.
En este caso, el esqueleto de la cadena polipeptídica se dispone adyacente de forma zigzag. En esta disposición de hoja beta se forman enlaces de hidrógeno entre los átomos de la cadena principal de segmentos adyacentes de la cadena polipeptídica. Los grupos R de los residuos aminoácidos sobresalen de la estructura en zigzag en direcciones opuestas, es decir, de forma perpendicular al plano de la hoja.
En la figura se muestran las cadenas en zigzag. Y cómo se mantienen interaccionando mediante enlaces de hidrógeno entre el oxígeno del carbonilo, que forma parte de la cadena principal, y el hidrógeno unido al nitrógeno de la otra parte de la cadena. Las flechas se utilizan en algunos modelos gráficos para visualizar las hojas beta. La punta de la flecha indica la dirección de la cadena. Se dicen que son antiparalelas cuando quedan las dos flechas en direcciones opuestas, mientras que paralelas es cuando los dos tramos de la cadena van en la misma dirección.
Es bastante frecuente observar los giros beta, correspondientes a elementos de conexión que unen tramos sucesivos de las hélices beta. Los mismos corresponden a giros cerrados de 180°, que a menudo contienen los aminoácidos glicina y prolina. La estructura terciaria de las proteínas corresponde a la disposición global de todos los átomos de la proteína. Incluyen aspectos de largo alcance en la secuencia de aminoácidos. permiten la clasificación de las proteínas en globulares y fibrosas, siendo la proteína de la derecha globular y la de la izquierda un ejemplo de fibrosa.
La estructura terciaria se estabiliza por interacciones débiles entre los grupos R de los aminoácidos. Las interacciones pueden ser enlaces de hidrógeno, interacciones iónicas, interacciones dipolo-dipolo e interacciones hidrofóbicas, de manera de obtener la conformación de menor energía como vimos anteriormente, Una proteína forma el mayor número posible de este tipo de interacciones. Otro tipo de interacción no débil y que permite estabilizar a la proteína son los puentes de isulfuro. Los mismos se forman entre átomos de azufre presentes en las esteínas.
El puente de isulfuro es un enlace covalente, pero al reducirse se rompe. Mientras que los residuos hidrofóbicos se encuentran sobre todo dentro de la cadena polipeptica, Se exponen al solulente grupos polares capaces de interaccionar con agua, como ya hemos mencionado anteriormente. Con respecto a la estructura cuaternaria, esta estructura es exclusiva para proteínas que presentan múltiples subunidades, más de una cadena polipeptídica.
Las subunidades pueden ser iguales o diferentes. Estas cadenas polipeptídicas se mantienen en contacto por interacciones débiles. Cuando son dos cadenas se denomina dímero, tres cadenas trímero y así sucesivamente.
De manera genérica se le conoce como oligómeros. La disposición de estas subunidades proteicas en complejos tridimensionales constituye la estructura cuaternaria. Ahora vamos a un ejemplo particular de estructura fibrosa, que es el colágeno, que se encuentra, por ejemplo, en el tejido conjuntivo de tendones, cartílagos, matriz orgánica de los huesos y córnea del ojo.
La hélice del colágeno es una estructura secundaria única. Solo el colágeno la tiene. Bastante distinta de la hélice alfa. Por ejemplo, es levógira y tiene 3 aminoácidos por vuelta.
El colágeno es una estructura súper enrollada, con estructura terciaria y cuaternaria específica. Son 3 cadenas denominadas alfa que están súper enrolladas una alrededor de la otra. El estrecho empaquetamiento de las cadenas alfa en la triple hélice del colágeno contiene más fuerza de tensión que un cable de acero de igual sección.
Ahora vamos a otra particularidad de las proteínas. Las proteínas pueden contener una parte no aminoacídica que se le denomina grupo prostético. Un ejemplo es el grupo hemo, estructura de color rojo en la proteína, que se muestra en la imagen que corresponde a átomos de carbono e hidrógeno con un hierro coordinados por nitrógenos.
El grupo hemo está presente en la hemoglobina y sin este grupo prostético la proteína no puede transportar oxígeno. Otro grupo epestético se señala en la tabla y van desde lípidos, carbohidratos hasta metales. A modo de ejemplo, los anticuerpos son glucoproteínas. Necesitan de su parte glucocídica para ser más solubles y poder transportarse a la sangre.
Existen modificaciones a las proteínas que ocurren después de ser sintetizadas. Dichas modificaciones se denominan modificaciones postraduccionales. Algunas de ellas corresponden a la adición de un grupo metilio.
un grupo acetilio, un grupo nitro o la adición de un lípido o un glúcido, entre otras. Pero una de las que ocurre con mayor frecuencia a nivel celular es la fosforilación. La fosforilación implica la adición de un grupo fosfato a partir del ATP a aminoácidos con grupo R que contengan grupo funcional alcohol, como son la tirosina, la serina y la trionina. La adición de este grupo fosfato puede inducir la pérdida o la ganancia de una actividad para la proteína. Es por esto que la fosforilación y desfosforilación...
Suele ser un proceso que se utiliza a nivel celular para regular la función proteica. Las quinazas son las enzimas que se encargan de catalizar el proceso de la fosforilación, mientras que las fosfatazas son las enzimas encargadas de quitar el grupo fosfato en las proteínas. La función de las proteínas depende de que la misma se encuentre en su estado nativo, con su estructura terciario-cuaternaria, si tiene más de una cadena polipeptídica, correcta. En esta tabla se puede observar lo diverso de las proteínas que van, desde una única cadena a muchas, así como también el número de aminoácidos de las proteínas, existiendo proteínas de cientos de aminoácidos a proteínas de miles de residuos.
La pérdida de la estructura implica la pérdida de su función. Se denomina desnaturalización al proceso por el cual una proteína pierde su conformación nativa. Existen varios agentes desnaturalizantes que generan este proceso.
como es el calor, los cambios de pH, agentes químicos como la urea y el cloruro de guanidinio, todos ellos lo que hacen es romper las interacciones débiles que como vimos anteriormente, son las que permiten formar las estructuras secundarias y terciarias, sin romper los enlaces peptídicos, es decir, sin alterar la estructura primaria. Esta proteína cuenta con enlaces de sulfuro, las que estamos observando en imagen, los mismos están marcados en color amarillo. Para romperlos, es necesario agregar un agente reductor, como es el beta-mercaptoetanol, o BME, como está escrito en la diapositiva.
Hasta el momento, hemos comentado la manera de desnaturalizar las proteínas, es decir, la pérdida de las estructuras, secundaria, terciaria y cuaternaria, mediante la ruptura de las interacciones débiles. Pero también es posible romper los enlaces peptídicos, liberando péptidos más pequeños, e incluso aminoácidos libres. A nivel fisiológico, ese proceso es catalizado por las proteasas. Ejemplo de proteasas son las digestivas, como la pepsina, tripsina y quimiotripsina, que rompen los enlaces peptídicos de las proteínas que ingerimos en la dieta, proceso que permite obtener aminoácidos libres que posteriormente podrán ser absorbidos a nivel intestinal. Las proteasas no rompen cualquier enlace peptídico.
Las proteasas tienen especificidad y la especificidad depende de los aminoácidos que forman parte de dicho enlace. Por ejemplo, la tripsina corta los enlaces peptídicos posteriores a los aminoácidos arginina o lisina. En el ejemplo de la diapositiva, vemos que el aminoácido que se encuentra en la región del amino terminal es arginina, por lo que la tripsina puede cortar después del mismo.
Ahora bien, Si queremos estudiar la estructura de alguna proteína de interés, existe un banco de proteínas, el conocido Protein Data Bank, en donde se ha ido depositando las distintas estructuras que se van obteniendo de las proteínas. A diario se va actualizando la información de la estructura, de la función y de la localización de las diversas proteínas. En la portada de la página del PDB, observamos las proteínas del mes, correspondiente en este caso a la estructura de la proteína Spike del coronavirus, y un anticuerpo contra el mismo. En la barra superior se puede buscar proteínas de interés con el código de la misma o el nombre.
En este caso pusimos el código. Primero, podés observar a quién corresponde, que es lo que estoy señalando. En este caso, es citocromocé, una proteína mitocondrial que participa en el transporte de electrones a la cadena respiratoria, entre otras muchas funciones que posee. Si marcamos en 3D View, podemos ver la estructura de la proteína.
Ahora bien, podemos observar que tiene una única cadena, por lo que no tendrá estructura cuaternaria. Al mismo tiempo, observar que tiene un grupo prostético, que como comentamos anteriormente, eran moléculas no aminoacídicas. Al señalarlo, podemos ver que corresponde con un grupo hemo. Si queremos ver en detalle una estructura secundaria, al hacer clic sobre ella, nos permite ver los enlaces de hidrógenos entre los átomos de la cadena principal.
Además observar cómo los grupos R quedan por fuera de la hélice y cómo los mismos pueden interaccionar con agua, que son las moléculas señaladas en rojo. Al mismo tiempo, si queremos observar algún átomo aminoáceo en particular, lo podemos marcar en el margen superior donde está la secuencia de la proteína. De esta forma podemos observar y estudiar la estructura de las diversas.
proteínas. Resumiendo en este vídeo estudiamos cinco puntos importantes de la estructura de las proteínas. El primero, la estructura tridimensional de una proteína nativa plegada fisiológicamente se haya especificado por su estructura primaria, secuencia aminoáceos, de modo que existe un conjunto de características que la hacen singular. Experimentalmente se mostró que las proteínas que eran desnaturalizadas podían de manera reversible volver a su conformación. Proceso conocido como renaturalización.
Otro punto es que la función de las proteínas depende de su estructura. Si una proteína no adquiere la conformación nativa o adopta otras, puede perder su función. Incluso puede llegar a adoptar otras nuevas funciones. Como vimos, existen patrones estructurales comunes a las proteínas, como son las hélices, hojas beta y giro, que se repiten en muchas proteínas.
Y observamos que la fuerza que estabiliza la estructura son enlaces no covalentes. Interacciones débiles.