Proteínas: Estructura tridimensional y función

Proteínas: Estructura tridimensional y función

 Las proteínas tienen diversas formas. Muchas son macromoléculas aproximadamente esféricas, hidrosolubles y compactas cuyas cadenas polipeptídicas están dobladas de manera apretada. Esas proteínas globulares tienen un interior hidrofóbico y una superficie hidrofílica, en forma característica. Poseen penetraciones o fisuras que reconocen en forma específica a otros compuestos y se unen a ellos en forma transitoria. Al enlazarse selectivamente con otras moléculas, dichas proteínas sirven como agentes dinámicos de la acción biológica. Varias proteínas globulares son enzimas, los catalizadores bioquímicos de las células. Más o menos 31% de los polipéptidos en la E. coli se consideran enzimas metabólicas, como las que se describirán en los siguientes capítulos. Hay otros tipos de proteínas globulares que incluyen diversos factores, proteínas portadoras y proteínas reguladoras; el 12% de las proteínas conocidas en la E. coli caen en estas categorías. También los polipéptidos pueden ser partes de grandes estructuras subcelulares o extracelulares, como ribosomas, flagelos y cilios, músculos y cromatina.

 Las proteínas fibrosas son una clase particular de proteínas estructurales que proporcionan soporte mecánico a las células u organismos. En el caso típico, las proteínas fibrosas se ensamblan en grandes cables o hebras. Como ejemplos de proteínas fibrosas están la a-queratina, el componente principal de cabello y uñas, y la colágena, el componente proteínico.

 Los cuatro niveles de estructura de las proteínas

la estructura primaria describe la secuencia lineal de residuos de aminoácidos en una proteína. Recuérdese que las secuencias de aminoácidos siempre se escriben desde el amino terminal (N-terminal) hasta el carboxilo terminal C- (C-terminal). La estructura tridimensional de una proteína se describe con tres niveles adicionales: estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. Las fuerzas que mantienen, o estabilizan, estos tres niveles son no covalentes, de manera primordial. La estructura secundaria se refiere a las regularidades en las conformaciones locales mantenidas por puentes de hidrógeno entre los hidrógenos de amida y los oxígenos de carbonilo en la columna vertebral del péptido. Las estructuras secundarias principales son las hélices a y las hebras b. La estructura terciaria describe la cadena polipeptídica totalmente plegada y compactada. Muchos polipéptidos plegados consisten en varias unidades distintas unidas por un tramo corto de residuos de aminoácidos,  dichas unidades se les conoce como dominios. Las estructuras terciarias se estabilizan por las interacciones de cadenas laterales de aminoácidos en regiones no vecinas de la cadena polipeptídica. La formación de la estructura terciaria acerca partes lejanas de las estructuras primaria y secundaria. Algunas proteínas poseen estructura cuaternaria, que implica la asociación de dos o más cadenas polipeptídica en una multisubunidad, o proteína oligomérica u oligómera. Las cadenas polipeptídicas de una proteína oligómera pueden ser idénticas o distintas.

 Métodos para determinar la estructura de las proteínas

Como se estudió en el capítulo 3, la secuencia de aminoácidos en los polipéptidos (es decir, la estructura primaria) se puede determinar por métodos químicos, como la degradación de Edman, o en forma indirecta, a partir de la secuencia del gen. La técnica acostumbrada para determinar la conformación tridimensional de una proteína es la cristalografía con rayos X. En esta técnica se apunta un haz de rayos X colimados, o paralelos, a un cristal de moléculas de proteína. Los electrones en el cristal difractan los rayos X, que se registran entonces en una película, o mediante un detector electrónico. El análisis matemático de la figura de difracción produce una imagen de las nubes de electrones que rodean a los átomos en el cristal. Este mapa de densidad electrónica revela la forma general de la molécula y las posiciones de cada uno de los átomos en el espacio tridimensional. Al combinar esos datos con los principios del enlazamiento químico es posible deducir el lugar de todos los enlaces en una molécula y en consecuencia su estructura general. La técnica de cristalografía con rayos X se ha desarrollado hasta el punto en que es posible determinar la estructura de una proteína sin tener un conocimiento preciso de la secuencia de aminoácidos. En la práctica ese conocimiento facilita mucho el ajuste del mapa de densidad electrónica en la etapa en la que se determinan los enlaces químicos entre los átomos.

Aminoacidos

Los aminoácidos y
la estructura primaria
de las proteínas

Estructura general de los aminoácidos

Todos los organismos emplean los mismos 20 aminoácidos como bloques constructivos para armar las moléculas de proteína. A estos 20 aminoácidos se les llama aminoácidos comunes, estándar o normales. A pesar de la poca cantidad de los aminoácidos, se puede obtener una variedad enorme de distintos polipéptidos al unir los 20 aminoácidos comunes para formar distintas combinaciones. Los aminoácidos se llaman así porque son derivados aminados de ácidos carboxílicos. En los 20 aminoácidos comunes, los grupos amino y carboxilo están unidos al mismo átomo de carbono: el átomo de carbono a. Así, todos los aminoácidos estándar que contienen las proteínas son a-aminoácidos. Al carbono ase unen otros dos sustituyentes: un átomo de hidrógeno y una cadena lateral (R) que es única para cada aminoácido. En los nombres químicos de los aminoácidos, los átomos de carbono se identifican con números que comienzan en el átomo de carbono del grupo carboxilo.

El sistema RS de nomenclatura de configuración también se

usa a veces para describir los centros quirales en los aminoácidos.

Este sistema RS se basa en asignar una secuencia de

prioridades a los cuatro grupos unidos a un átomo de carbono

quiral. Una vez asignadas, las prioridades de grupo se usan

para establecer la configuración de la molécula. Las prioridades

se numeran del 1 al 4 y se asignan a grupos.

 Grupos R alifáticos

La glicina (Gly, G) es el aminoácido más pequeño porque su grupo R no es más que un átomo

de hidrógeno; en consecuencia, el carbono a de la glicina no es quiral. Los dos átomos

de hidrógeno del carbono a de la glicina imparten poco carácter hidrofóbico a la molécula.

Después habrá oportunidad de comprobar que la glicina desempeña un papel único en la

estructura de muchas proteínas porque su cadena lateral es lo bastante pequeña como para

tener cabida en nichos en los que a otros aminoácidos les resultaría imposible hacerlo.

Hay cuatro aminoácidos: alanina (Ala, A), valina (Val, V), leucina (Leu, L) y el

isómero estructural de la leucina, isoleucina (Ile, I), que tienen cadenas laterales alifáticas

saturadas. La cadena lateral de la alanina es un grupo metilo, mientras que la valina

presenta una cadena lateral ramificada con tres carbonos, y la leucina y la isoleucina

contienen una cadena lateral ramificada de cuatro carbonos cada una. Los átomos de

carbono a y b de la isoleucina son asimétricos. Ya que la isoleucina tiene dos centros

quirales, posee cuatro estereoisómeros posibles. El estereoisómero que presentan las

proteínas se denomina L-isoleucina, y el aminoácido que difiere en el carbono a se llama

L-aloisoleucina. Los otros dos estereoisómerosson la D-isoleucina y la D-aloisoleucina. La alanina, valina, leucina e isoleucina desempeñan un papel importante en el establecimiento

y mantenimiento de las estructuras tridimensionales de las proteínas por

su tendencia a agruparse lejos del agua.

Grupos R aromáticos

La fenilalanina (Phe, F), tirosina (Tyr, Y) y el triptófano (Trp, W) presentan cadenas laterales

con grupos aromáticos. En el caso de la fenilalanina es una cadena hidrofóbica

bencílica. La tirosina se parece estructuralmente a la fenilalanina; en la tirosina, un grupo

hidroxilo sustituye al hidrógeno para de la fenilalanina lo que la convierte

en un fenol. El grupo hidroxilo de la tirosina es ionizable, pero bajo condiciones fisiológicas

normales retiene su hidrógeno. La cadena lateral del triptófano contiene un grupo

indol bicíclico. La tirosina y el triptófano no son tan hidrofóbicos como la fenilalanina

porque en sus cadenas laterales hay grupos polares.

Los tres aminoácidos aromáticos absorben luz ultravioleta (UV) porque, a diferencia

de los aminoácidos alifáticos, los aromáticos contienen electrones p deslocalizados.

A pH neutro tanto el triptófano como la tirosina absorben luz a una longitud de onda de

280 nm, mientras que la fenilalanina es casi transparente a 280 nm y absorbe débilmente

luz a 260 nm. Dado que la mayor parte de las proteínas contienen triptófano y tirosina

éstas absorben luz a 280 nm. La absorbencia a 280 nm se usa en forma rutinaria para

estimar la concentración de proteínas en las soluciones.

 Grupos R sulfurados

La metionina (Met, M) y la cisteína (Cys, C) son los dos aminoácidos azufrados. La

metionina contiene un grupo tioéter metilo, no polar, en su cadena lateral, lo que la convierte

en uno de los aminoácidos más hidrofóbicos. La metionina desempeña un papel

especial en la síntesis de proteínas porque casi siempre representa el primer aminoácido

en una cadena de polipéptido. La estructura de la cisteína se parece a la de la alanina,

con un átomo de hidrógeno reemplazado por un grupo sulfhidrilo

Aunque la cadena lateral de la cisteína es algo hidrofóbica, también es muy reactiva.

Debido a que el átomo de azufre es polarizable, el grupo sulfhidrilo de la cisteína

puede formar puentes de hidrógeno débiles con el oxígeno y el nitrógeno. Además, el

grupo sulfhidrilo de la cisteína es un ácido débil, lo cual le permite perder un protón y

transformarse en un ion tiolato con carga negativa.

Cadenas laterales con grupos alcohol

La serina (Ser, S) y la treonina (Thr, T) tienen cadenas laterales polares sin carga que

contienen grupos b-hidroxilo. Estos grupos alcohol dan carácter hidrofílico a las cadenas

laterales alifáticas. Además de la cadena lateral fenólica más ácida de la tirosina, los

grupos hidroxilo de la serina y la treonina despliegan las propiedades débiles de ionización

de los alcoholes primarios y secundarios. El grupo hidroximetilo de la serina

(—CH2OH) no se ioniza en forma apreciable en soluciones acuosas; empero, este alcohol

puede reaccionar dentro de los sitios activos de varias enzimas como si estuviera

ionizado. La treonina, como la isoleucina, cuenta con dos centros quirales, los átomos

de carbono a y b. La L-treonina es el único de los cuatro estereoisómeros que se encuentra

con frecuencia en las proteínas. (Los otros estereoisómeros son D-treonina,

L-alotreonina y D-alotreonina).

Grupos R básicos

La histidina (His, H), lisina (Lys, K) y arginina (Arg, R) presentan cadenas laterales

hidrofílicas que son bases nitrogenadas y tienen carga positiva a pH 7. La cadena lateral

de la histidina contiene un sustituyente de anillo de imidazol. La forma protonada de

este anillo se llama ion imidazolio. La lisina es un diaminoácido y tiene

grupos amino a y e al mismo tiempo. El grupo e-amino existe como ion alquilamonio a pH neutro y confiere una carga positiva a las proteínas.

 La argininaes el más básico de los 20 aminoácidos porque su cadena lateral de ion guanidinio está

protonada bajo todas las condiciones que se encuentran de manera habitual dentro

de una célula. Las cadenas laterales de arginina también aportan cargas positivas a

las proteínas.

Hidrofobicidad de las cadenas laterales de aminoácidos

Las diversas cadenas laterales en los aminoácidos van desde muy hidrofóbicas hasta muy

hidrofílicas pasando por débilmente polares. La hidrofobicidad o hidrofilicidad (o hidrofilia)

relativas de cada aminoácido se llama hidropatía. Hay varias formas de medir la

hidropatía, pero la mayor parte de ellas se basa en calcular la tendencia del desempeño de

un aminoácido en un ambiente hidrofóbico o uno hidrofílico.

Unión de aminoácidos por enlaces peptídicos

en las proteínas

La secuencia lineal de aminoácidos en una cadena polipeptídica se llama estructura

primaria de una proteína. A los niveles más altos de estructura se les llaman estructura

secundaria, terciaria y cuaternaria. La estructura de las proteínas se describirá con más

detalle en el siguiente capítulo, pero es importante comprender los enlaces peptídicos y

la estructura primaria antes de describir algunos de los temas restantes en este capítulo.

El enlace que se forma entre los aminoácidos es un enlace de amida y se llama enlace

peptídico, o enlace de péptido (figura 3.9). Esta unión se puede concebir como el

resultado de una condensación simple del grupo carboxilo a de un aminoácido con el

grupo amino a del otro. Observe que se pierde una molécula de agua de los aminoácidos

que se condensan en la reacción. (Recuérdese, de la sección 2.6, que esas reacciones

sencillas de condensación son en extremo desfavorables en soluciones acuosas debido

al gigantesco exceso de moléculas de agua. La ruta real de síntesis de proteína implica

intermediarios reactivos que superan esta limitación). A diferencia de los grupos carboxilo

y amino de los aminoácidos libres en solución, los grupos que intervienen en los

enlaces peptídicos no tienen cargas iónicas.

Ionización de los aminoácidos

Las propiedades físicas de los aminoácidos reciben influencias de los estados iónicos

de los grupos a-carboxilo y a-amino y de todos los grupos ionizables que haya en las

cadenas laterales. Cada grupo ionizable guarda relación con un valor específico de pKa,

que corresponde al pH al que son iguales las concentraciones de las formas protonada y

no protonada . Cuando el pH de la solución es menor que el pKa, predomina

la forma protonada y el aminoácido es entonces un ácido real, capaz de donar un

protón. Cuando el pH de la solución es mayor que el pKa del grupo ionizable, la forma

no protonada de ese grupo predomina, y el aminoácido existe en forma de base conjugada,

que es aceptora de protones. Cada aminoácido tiene al menos dos valores de pKa

que corresponden a la ionización de los grupos a-carboxilo y a-amino. Además, siete

de los aminoácidos comunes tienen cadenas laterales ionizables con valores adicionales

y medibles de pKa. Esos valores difieren entre los aminoácidos. Así, a determinado pH,

con frecuencia los aminoácidos tienen cargas netas diferentes.

INTRODUCCIÓN A LA BIOQUÍMICA

Introducción a  la bioquímica

La bioquímica es el estudio de las moléculas y las reacciones químicas de la vida. Es la disciplina que emplea los principios y el lenguaje de la química a fin de explicar la biología a nivel molecular. Los bioquímicos descubrieron que los compuestos químicos y los procesos metabólicos centrales son los mismos que se encuentran en organismos tan distantes como las bacterias, plantas y humanos. Se sabe que los principios básicos de la bioquímica son comunes a todos los organismos vivos. Aunque en la práctica los científicos concentran sus esfuerzos de investigación en organismos particulares, sus resultados se pueden extrapolar a muchas otras especies.

Los elementos químicos de la vida

Existen seis elementos no metálicos oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre que representan más de 97% del peso de la mayoría de los organismos. Todos estos elementos pueden formar enlaces covalentes estables. Las cantidades relativas de estos seis elementos varían en cada organismo. El agua es el principal componente delas células y representa un alto porcentaje (en peso) de oxígeno. El carbono es mucho más abundante en los organismos vivos que en el resto del universo. Por otro lado, algunos elementos como el silicio, el aluminio y el hierro son muy comunes en la corteza terrestre pero están presentes en las células sólo en trazas. En conjunto, un total de 29 elementos diferentes se encuentran por lo común en los organismos vivientes.

La mayor parte del material sólido de las células está formado por compuestos que contienen carbono. El estudio de tales compuestos cae dentro del dominio de la química orgánica. Existe una coincidencia considerable entre las disciplinas de la química orgánica y la bioquímica, razón por la que es de gran utilidad un curso de química orgánica para entender la bioquímica. Los químicos orgánicos están más interesados en las reacciones que tienen lugar en el laboratorio, mientras que los bioquímicos se enfocan en comprender lo que ocurre en las reacciones dentro de las células vivas.

 Muchas macromoléculas importantes son polímeros.

Proteínas

Son veinte los aminoácidos comunes que forman parte de las proteínas de todas las células. Cada aminoácido contiene un grupo amino y un grupo carboxilato, así como una cadena lateral (grupo R) que es única para cada aminoácido Durante la síntesis de una proteína, el grupo amino de un aminoácido y el grupo carboxilato de otro se condensan para formar un enlace amida. La unión entre el átomo de carbono de un residuo de aminoácido y el átomo de nitrógeno del siguiente residuo se denomina enlace peptídico. La unión de extremo a extremo de muchos aminoácidos forma un polipéptido lineal que puede contener cientos de residuos de aminoácido. Una proteína funcional puede ser un solo polipéptido, o puede estar compuesta por varias cadenas de polipéptidos diferentes que están unidas fuertemente para formar una estructura más compleja.

Muchas proteínas funcionan como enzimas; otras son componentes estructurales de células y organismos. La forma tridimensional de una proteína está determinada en gran parte por la secuencia de sus residuos de aminoácidos. Esta información de secuenciase codifica en el gen para la proteína. La función de una proteína depende de su estructura tridimensional, o conformación. Se han determinado las estructuras de muchas proteínas y se han esclarecido varios principios que rigen la relación entre estructura y función. Por ejemplo, muchas enzimas contienen una hendidura, o ranura, que une los sustratos de una reacción. Esta cavidad contiene el sitio activo de la enzima  región donde tiene lugar la reacción química. 

Polisacáridos

Los carbohidratos, o sacáridos, están compuestos principalmente por carbono, oxígeno e hidrógeno. Este grupo de componentes incluye azúcares simples (monosacáridos) así como sus polímeros (polisacáridos). Todos los monosacáridos y los residuos de los polisacáridos contienen varios grupos hidroxilo y son por tanto polialcoholes. La mayoría de los monosacáridos comunes contiene ya sea cinco o seis átomos de carbono. Las estructuras de los azúcares se pueden representar de varias formas. Por ejemplo, la ribosa (el azúcar de cinco carbonos más común) se puede mostrar como una molécula lineal con un contenido de cuatro grupos hidroxilo y un grupo aldehído. La glucosa es el azúcar de seis carbonos más abundante. Es la unidad monomérica de la celulosa, un polisacárido estructural, y del glucógeno y el almidón, los cuales son polisacáridos de almacenamiento.

Ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos son grandes macromoléculas compuestas por monómeros llamados nucleótidos. El término polinucleótido constituye una descripción más exacta de una sola molécula de ácido nucleico, tal como polipéptido es un término más preciso que proteína para las moléculas individuales compuestas por residuos de aminoácidos .El término ácido nucleico se refiere al hecho de que estos polinucleótidos se detectaron por primera vez como moléculas acídicas en el núcleo de las células eucarióticas. Ahora se sabe que los ácidos nucleicos no están confinados a los núcleos eucarióticos y que son abundantes en el citoplasma y en los procariotas, que no tienen núcleo.

La estructura del nucleótido adenosin trifosfato (ATP) se muestra en la figura. El ATP está compuesto por una parte de adenina unida a la ribosa mediante un enlace glucosídico. Existen tres grupos fosforilo  esterificados al grupo hidroxilo del C-5 de la ribosa. La unión entre ribosa y el grupo a-fosforilo es un enlace fosfo-éster debido a que incluye un átomo de carbono y uno de fósforo, mientras que los grupos fosforilo en el ATP están conectados por enlaces fosfoanhídrido que no incluyen átomos de carbono. Todos los fosfoanhídridos poseen considerable energía química potencial y el ATP no es la excepción. Es el transportador central de la energía en las células vivientes. La energía potencial asociada con los enlaces entre los grupos fosforilo del ATP se puede utilizar directamente en reacciones bioquímicas o acoplarse a una reacción de una forma menos evidente. En las reacciones de condensación, por ejemplo, la transferencia de uno de los grupos fosforilos del ATP da como resultado la formación de un intermediario activado, que entonces participa en la reacción sintética.

Lípidos y membranas

El término “lípido” se refiere a una clase diversa de moléculas ricas en carbono e hidrógeno pero que contienen relativamente pocos átomos de oxígeno. La mayor parte de los lípidos no es soluble en agua, pero se pueden disolver en algunos solventes orgánicos .Los lípidos más simples son los ácidos grasos, que son hidrocarburos de cadena larga con un grupo carboxilato en un extremo. De manera habitual los ácidos grasos se encuentran formando parte de moléculas más largas denominadas glicerofosfolípidos, los cuales contienen glicerol 3-fosfato y dos grupos grasos acilo. Los glicero-fosfolípidos son los principales componentes de las membranas biológicas.

Las membranas se encuentran entre las estructuras celulares más largas y complejas. En términos estrictos, las membranas no son polímeros sino agregados. Sin embargo, la asociación de moléculas lipídicas entre sí crea estructuras que exhiben propiedades que no muestran las moléculas componentes individuales. Su insolubilidad en agua y la flexibilidad de los agregados lipídicos confieren a las membranas biológicas muchas de sus características. Segmento corto de una molécula de ADN. Dos diferentes polinucleótidos se asocian para formar una doble hélice. Las secuencias depares de bases en el interior de la hélice transportan la información genética. 

EL AGUA

EL AGUA

La vida en la Tierra se suele describir como un fenómeno basado en el carbono, pero  sería  igualmente  correcto  llamarlo  un  fenómeno  basado  en  el  agua.  Es probable que la vida se haya originado en el agua, hace más de tres mil millones de  años,  y  que  todas  las  células  vivientes  sigan  dependiendo  del  agua  para existir. En la mayor parte de las células el agua es la molécula más importante y forma  de  60  a  90%  de  su  masa,  aunque  hay  pocas  excepciones,  como  las semillas  y  las  esporas,  de  las  cuales  se  expulsa  el  agua.  Las  semillas  y  las esporas pueden permanecer latentes por largos periodos hasta “revivir” por la reintroducción   de   agua.   En   el   estudio   de   la   bioquímica   es   importante comprender  al  agua  y  sus  propiedades.  Los  componentes  macromoleculares  de las  células  proteínas,  polisacáridos,  ácidos  nucleicos  y  membranas  asumen  sus formas características como respuesta al agua.

Gran  parte  de  la  maquinaria  metabólica  de  las  células  debe  operar  en  un ambiente acuoso porque el agua es un  solvente esencial y también un sustrato de  numerosas  reacciones  celulares.  Es  importante  la  polaridad de  la  molécula de agua ya que dichas moléculas se atraen entre sí. La atracción entre uno de los  átomos  de  hidrógeno,  ligeramente  positivo,  de  una  molécula  de  agua  y  los pares  de  electrones  parcialmente  negativos  en  uno  de  los  orbitales  híbridos sp3,  produce  un “puente  de  hidrógeno”.  En  un  puente  de  hidrógeno  entre  dos moléculas de agua, el átomo de hidrógeno permanece enlazado covalentemente a su átomo de  oxígeno que es el donador  de hidrógeno. Al mismo tiempo, está unido  a  otro  átomo  de  oxígeno,  llamado  aceptor  de  hidrógeno. De  hecho,  el  átomo  de  hidrógeno  está  compartido  (en  forma  desigual)  entre los  dos  átomos de  oxígeno.  La  distancia  del  átomo  de  hidrógeno  al  átomo  de  oxígeno  aceptor tiene más o menos una longitud del doble que la del enlace covalente. También la abundancia de agua en las células y tejidos de todos los grandes organismos multicelulares evidencia que las fluctuaciones de temperatura dentro de las células se minimizan. Esta propiedad tiene importancia biológica crítica ya que las velocidades  de la mayor parte de las reacciones bioquímicas son sensibles a la temperatura.  El  calor  de  evaporación,  o  de  vaporización,  del  agua  también  es bastante mayor que el de varios otros líquidos.