fisiología

proteína

Una mirada a la química.

Las proteínas se pueden colocar en primer lugar en el "mundo biológico" porque, dadas sus muchas funciones, no habría vida sin ellas.

El análisis elemental de proteínas da los siguientes valores promedio: 55% de carbono, 7% de hidrógeno y 16% de nitrógeno; está claro que las proteínas difieren unas de otras, pero su composición elemental promedio difiere poco de los valores indicados anteriormente.

Constitutivamente, las proteínas son macromoléculas formadas por α-aminoácidos naturales; Los aminoácidos se combinan a través del enlace amida que se establece por reacción entre un grupo amino de un a-aminoácido y el carboxilo de otro a-aminoácido. Este enlace (-CO-NH-) también se denomina enlace peptídico, ya que se une a los péptidos (aminoácidos en combinación):

el obtenido es un dipéptido porque está formado por dos aminoácidos. Como un dipéptido contiene un grupo amino libre en un extremo (NH2) y un grupo carboxilo en el otro (COOH), puede reaccionar con uno o más aminoácidos y alargar la cadena tanto de la derecha como de la izquierda, con la misma reacción que se vio anteriormente.

La secuencia de reacciones (que, de hecho, no son tan simples) puede continuar indefinidamente: hasta tener un polímero llamado polipéptido o proteína . La distinción entre péptidos y proteínas está vinculada al peso molecular: por lo general, para pesos moleculares superiores a 10.000, se habla de proteínas.

La unión de aminoácidos para obtener incluso proteínas de tamaño pequeño es una tarea difícil, aunque recientemente se ha desarrollado un método automático para producir proteínas a partir de aminoácidos que ofrece excelentes resultados.

La proteína más simple, por lo tanto, está formada por 2 aminoácidos: por convención internacional, la numeración ordenada de los aminoácidos en una estructura de proteína comienza a partir del aminoácido con el grupo a-amino libre.

Estructura proteica

Las moléculas de proteínas tienen una forma que permite vislumbrar hasta cuatro organizaciones distintas: generalmente se distinguen, una estructura primaria, una secundaria, una terciaria y una cuaternaria.

Las estructuras primarias y secundarias son esenciales para las proteínas, mientras que las terciarias y las cuaternarias son "accesorias" (en el sentido de que no todas las proteínas pueden equiparse).

La estructura primaria está determinada por el número, tipo y secuencia de aminoácidos en la cadena de proteínas; por lo tanto, es necesario determinar la secuencia ordenada de los aminoácidos que forman la proteína (sabiendo que esto significa saber la secuencia exacta de las bases de ADN que codifican esa proteína) que no tiene dificultades químicas despreciables.

Fue posible determinar la secuencia ordenada de aminoácidos degradando a Edman: la proteína reacciona con el fenil isotocianato (FITC); Inicialmente, el doblete de α-amino nitrógeno ataca el isotiocianato de fenilo que forma el derivado de tiocarbamilo; Posteriormente, el producto obtenido se cicla dando el derivado de feniltioidantoína que es fluorescente.

Edman ideó una máquina llamada secuenciador que regula automáticamente los parámetros (tiempo, reactivos, pH, etc.) para la degradación y proporciona la estructura primaria de las proteínas (para esto recibió el Premio Nobel).

La estructura primaria no es suficiente para interpretar completamente las propiedades de las moléculas de proteína; se cree que estas propiedades dependen, de una manera esencial, de la configuración espacial que las moléculas de las proteínas tienden a asumir, doblando de varias maneras: es decir, asumiendo lo que se ha definido como la estructura secundaria de las proteínas. La estructura secundaria de las proteínas es tremolable, es decir, tiende a eliminarse por calentamiento; luego las proteínas se desnaturalizan al perder muchas de sus propiedades características. Además de calentar por encima de 70 ° C, la desnaturalización también puede ser causada por la irradiación o por la acción de los reactivos (de ácidos fuertes, por ejemplo).

La desnaturalización de las proteínas por efecto térmico se observa, por ejemplo, al calentar la clara de huevo del huevo: se ve que pierde su apariencia gelatinosa y se convierte en una sustancia blanca insoluble. Sin embargo, la desnaturalización de las proteínas conduce a la destrucción de su estructura secundaria, pero deja la estructura primaria inalterada (la concatenación de los diversos aminoácidos).

Las proteínas adquieren la estructura terciaria cuando su cadena, aunque todavía flexible a pesar de la flexión de la estructura secundaria, se pliega de tal manera que se crea una disposición tridimensional torcida en forma de un cuerpo sólido. Los responsables de la estructura terciaria son, sobre todo, los enlaces disulfuro que pueden establecerse entre las cisteínas -SH dispersas a lo largo de la molécula.

La estructura cuaternaria, por otro lado, solo compite con proteínas formadas por dos o más subunidades. La hemoglobina, por ejemplo, está compuesta por dos pares de proteínas (es decir, en las cuatro cadenas de proteínas) ubicadas en la parte superior de un tetraedro para dar lugar a una estructura de forma esférica; Las cuatro cadenas de proteínas se mantienen unidas por fuerzas iónicas y no por enlaces covalentes.

Otro ejemplo de una estructura cuaternaria es la insulina, que parece consistir en seis subunidades de proteínas dispuestas en pares en la parte superior de un triángulo en el centro del cual se ubican dos átomos de zinc.

PROTEÍNAS DE FIBROSE: son proteínas con cierta rigidez y un eje mucho más largo que el otro; La proteína fibrosa presente en mayor cantidad en la naturaleza es el colágeno (o colágeno).

Una proteína fibrosa puede adoptar varias estructuras secundarias: hélice α, hojuela β y, en el caso del colágeno, hélice triple; La hélice α es la estructura más estable, seguida por la hoja β, mientras que la menos estable es la triple hélice.

α-hélice

Se dice que la hélice es diestra si, siguiendo el esqueleto principal (orientado de abajo hacia arriba), se realiza un movimiento similar al atornillado de un tornillo de la derecha; mientras que la hélice es zurda si el movimiento es análogo al atornillado de un tornillo zurdo. En las hélices α de la derecha, los sustitutos -R de los aminoácidos son perpendiculares al eje principal de la proteína y se giran hacia el exterior, mientras que en las hélices de la izquierda los sustituyentes -R se giran hacia el interior. Las a-hélices diestras son más estables que las de la mano izquierda porque hay menos interacción y menos volumen estérico entre las células -R. Todas las hélices α encontradas en las proteínas son diestras.

La estructura de la hélice α se estabiliza por los enlaces de hidrógeno (puentes de hidrógeno) que se forman entre el grupo carboxilo (-C = O) de cada aminoácido y el grupo amino (-NH) que se encuentra cuatro residuos más adelante en el secuencia lineal

Un ejemplo de una proteína que tiene estructura de hélice α es la queratina del cabello.

β-hoja

En la estructura de la hoja β es posible formar enlaces de hidrógeno entre aminoácidos que pertenecen a diferentes cadenas polipeptídicas pero paralelas entre sí o entre aminoácidos de la misma proteína también numéricamente distantes entre sí pero que fluyen en direcciones antiparalelas. Sin embargo, los enlaces de hidrógeno son más débiles que los que estabilizan la forma de hélice α.

Un ejemplo de una estructura de hoja β es la fibrina de seda (también hay telarañas).

Extendiendo la estructura de la hélice α, se lleva a cabo la transición de la hélice α a la hoja β; también el calor o la tensión mecánica permiten pasar de la estructura de la hélice α a esa hoja β.

Por lo general, en una proteína, las estructuras de los folletos β están cerca unas de otras porque los enlaces inter-hidrógeno pueden establecerse entre las porciones de la proteína en sí.

En las proteínas fibrosas, la mayor parte de la estructura de la proteína está organizada en hélice α o lámina β.

PROTEÍNAS GLOBULARES: tienen una estructura espacial casi esférica (debido a los numerosos cambios de dirección de la cadena polipeptídica); algunas partes del ser se pueden remontar a una hélice α o estructura de hoja β y otras partes, sin embargo, no son atribuibles a tales formas: la disposición no es aleatoria sino organizada y repetitiva.

Las proteínas referidas hasta ahora, son sustancias de constitución totalmente homogénea: también son secuencias de aminoácidos combinados; Tales proteínas se llaman simples ; hay proteínas que consisten en una parte proteica y una parte no proteica (grupo prostático) llamadas proteínas conjugadas .

El colágeno

Es la proteína más abundante en la naturaleza: está presente en los huesos, en las uñas, en la córnea y en el ojo cristalino, entre los espacios intersticiales de algunos órganos (por ejemplo, el hígado) y así sucesivamente.

Su estructura le confiere capacidades mecánicas particulares; tiene una gran resistencia mecánica asociada con una alta elasticidad (por ejemplo, en los tendones) o una alta rigidez (por ejemplo, en los huesos) dependiendo de la función a realizar.

Una de las propiedades más curiosas del colágeno es su simplicidad constitutiva: se forma alrededor del 30% de prolina y alrededor del 30% de glicina ; los otros 18 aminoácidos solo deben compartir el 40% restante de la estructura de la proteína. La secuencia de aminoácidos del colágeno es notablemente regular: cada tres residuos, el tercero es glicina.

La prolina es un aminoácido cíclico en el que el grupo R se une al nitrógeno α-amino y esto proporciona cierta rigidez.

La estructura final es una cadena repetitiva que tiene la forma de una hélice; Dentro de la cadena de colágeno, no hay enlaces de hidrógeno. El colágeno es una hélice de la mano izquierda con un paso (longitud correspondiente a un giro de la hélice) mayor que la hélice-a; La hélice de colágeno es tan suelta que tres cadenas de proteínas pueden enrollarse unas con otras formando una sola cuerda: estructura de triple hélice.

Sin embargo, la triple hélice de colágeno es menos estable que la estructura tanto de la hélice α como de la lámina β.

Veamos ahora el mecanismo por el cual se produce el colágeno ; Considere, por ejemplo, la ruptura de un vaso sanguíneo: esta ruptura está acompañada por una gran cantidad de señales para cerrar el vaso y luego formar el coágulo. La coagulación requiere al menos treinta enzimas especializadas. Después de la coagulación, el tejido debe ser reparado; Las células cercanas a la herida también producen colágeno. Para hacer esto, primero se induce la expresión de un gen, es decir, que los organismos comienzan a operar a partir de la información de un gen, son capaces de producir la proteína (la información genética se transcribe en el ARNm que sale de la proteína). núcleo y llega a los ribosomas en el citoplasma donde la información genética se traduce en proteínas). Por lo tanto, el colágeno se sintetiza en los ribosomas (aparece como una hélice de la mano izquierda compuesta por aproximadamente 1.200 aminoácidos y tiene un peso molecular de aproximadamente 150000 d) y luego se acumula en los lúmenes donde se convierte en un sustrato para enzimas capaces de realizar modificaciones en el post -translaciones (modificaciones del lenguaje traducidas del ARNm); En el colágeno, estas modificaciones consisten en la oxidación de algunas cadenas laterales, especialmente de prolina y lisina.

La falla de las enzimas que conducen a estos cambios causa escorbuto: es una enfermedad que causa, inicialmente, la ruptura de los vasos sanguíneos, la ruptura de los dientes a la que pueden seguir las hemorragias interintestinales y la muerte; Puede ser causado por el uso continuo de alimentos de larga duración.

Posteriormente, debido a la acción de otras enzimas, se producen otros cambios que consisten en la glicosidación de los grupos hidroxilo de la prolina y la lisina (al oxígeno de OH se une un azúcar); estas enzimas se encuentran en otras zonas además del lumen, mientras que la proteína sufre modificaciones, migra dentro del retículo endoplásmico para terminar en sacos (vesículas) que se cierran sobre sí mismos y salen de la red: en el interior están contenidas el monómero del glucósido pro-colágeno; este último llega al aparato de Golgi, donde determinadas enzimas reconocen la cisteína presente en la parte carboxi terminal del glicosidato de pro-colágeno y hacen que las diferentes cadenas se acerquen entre sí y formen puentes disulfuro: obteniendo así tres El colágeno glucósido se une y este es el punto de partida del cual las tres cadenas, interpenetrando, espontáneamente, dan lugar a la triple hélice. Las tres cadenas de glicóxido de pro-colágeno unidas entre sí alcanzan, luego, una vesícula que, al acelerarse sobre sí misma, se desprende del aparato de Golgi que transporta las tres cadenas hacia la periferia de la célula donde, a través de la fusión con la membrana plasmática, trimmer es expulsado de la celda.

En el espacio extracelular, hay enzimas particulares, las pro-colágeno peptidasas, que se eliminan de las especies expulsadas de la célula, tres fragmentos (uno para cada hélice) de 300 aminoácidos cada uno, de la parte carboxi terminal y tres fragmentos (uno para cada hélice). hélice) de aproximadamente 100 aminoácidos cada una, en el lado aminoterminal: sigue siendo una triple hélice que consta de aproximadamente 800 aminoácidos para la hélice conocida como tropocollageno .

El tropocolágeno tiene la apariencia de un bastón bastante rígido; Los diferentes trímeros están asociados con enlaces covalentes para dar estructuras más grandes: microfibrillas . En las microfibrillas, los distintos trímeros están dispuestos de manera desplazada; Muchas microfibrillas constituyen haces de tropocolágeno.

En los huesos, entre las fibras de colágeno, hay espacios intersticiales en los que se depositan sulfatos y fosfatos de calcio y magnesio: estas sales también cubren todas las fibras; esto hace que los huesos se pongan rígidos.

En los tendones, los espacios intersticiales son menos ricos en cristales que en los huesos, mientras que hay proteínas más pequeñas que el tropocolágeno: esto le da elasticidad a los tendones.

La osteoporosis es una enfermedad causada por la falta de calcio y magnesio que hace imposible reparar las sales en las áreas intersticiales de las fibras de tropocolágeno.