02 Estructura y función de las proteínas (1)

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2) Estructura de las proteínas. 
 Cada tipo de molécula proteica posee, en su estado nativo, una forma 
tridimensional característica que es conocida como su conformación o estructura. 
 El mantenimiento de esta estructura es fundamental para el normal 
funcionamiento de la proteína en cuestión, y una pérdida de esta conformación 
suele implicar una alteración en la misión biológica de la molécula proteica. 
 La organización de la estructura de una proteína se realiza a cuatro niveles 
diferentes, a saber: 
 
+ Estructura primaria: Las proteínas están constituidas por una o varias cadenas 
polipeptídicas, cada una de las cuales puede poseer desde decenas a miles de 
aminoácidos (también denominados restos o residuos). Todas las proteínas están 
constituidas por un conjunto básico de 20 aa’s, ordenados en diversas secuencias 
específicas, unidas por un enlace covalente, denominado enlace peptídico. 
 El esqueleto de la proteína se constituye uniendo, el grupo amino de una 
unidad con el grupo carboxilo de la siguiente. La fusión se logra eliminando una 
molécula de agua, para formar un enlace carbono-nitrógeno, denominado enlace 
peptídico, y a cadena proteica recibe el nombre de polipéptido (figura 1). 
 
 
Figura 1. Formación del enlace peptídico. 
 Mediante estudios con rayos X se ha comprobado que en una cadena 
polipeptídica los átomos están dispuestos en forma de zig-zag con un ángulo de 
aproximadamente 120º, siendo Cα, C y N los átomos que se sitúan en la línea 
principal de la cadena, mientras que los grupos R, el O y el H se extienden hacia los 
lados de la cadena (figura 2). 
 
 
Figura 2. Formación de un triplete de aminoácidos. 
 
 La unión entre el C del grupo carboxilo y el N el grupo amino, en el enlace de 
tipo peptídico, se explica mediante la resonancia entre las estructuras (figura 3). 
 
Figura 3. Resonancia del enlace peptídico. 
 Por efecto de esta resonancia, los enlaces C-N y C-O son intermedios entre 
sencillo y doble. La propiedad fundamental del enlace peptídico es que todos los 
átomos que lo forman han de estar en un mismo plano, por lo que la cadena proteica 
solo puede girar por sus Cα, pero nunca por el enlace peptídico (figura 4). 
 
 
Figura 4. Rotación alrededor de los enlaces en una cadena polipeptídica. 
 
 La unión peptídica es plana, esta unidad planar que es rígida, es el resultado 
de la estabilización por resonancia del enlace peptídico, y es común a las 
estructuras proteicas. Además, la orientación del oxígeno del carbonilo y del 
hidrógeno amídico es “trans” con respecto a la unión peptídica, al igual que la de los 
Cα. La configuración “cis” no es favorable debido a impedimentos estéricos (figura 
5). Esto hace que los grupos R estén situados alternativamente a uno y otro lado de 
la cadena polipeptídica. El enlace peptídico impone, por tanto, restricciones 
significativas acerca del número de conformaciones que puede adoptar una cadena 
polipeptídica. 
 
 
 
 
Figura 5. Configuración trans y cis del enlace peptídico. 
 
 Cada unidad de enlace peptídico se encuentra en un plano, con lo que la 
cadena tiene que plegarse por medio de rotaciones de los enlaces establecidos con 
los Cα. 
 La información necesaria para definir la estructura en tres dimensiones de 
una proteína reside en su secuencia de aa’s. A medida que se construye la cadena 
en el ribosoma, se pliega en la conformación que minimiza la energía libre, en otras 
palabras, la cadena adopta la conformación más estable. 
 
+ Estructura secundaria: Se refiere a la ordenación regular y periódica en el espacio 
de las cadenas polipeptídicas a lo largo de una dirección. Los enlaces que 
mantienen esta estructura son no covalentes; lo que se pretende es adoptar 
conformaciones de menor energía libre y, por tanto, más estables. 
 Si las rotaciones para cada átomo Cα son las mismas, la cadena adopta de 
forma natural una hélice. Entre las posibles conformaciones de hélices tenemos: 
 
- Hélice π: Tiene 4.4 residuos de vuelta por hélice. Está estabilizada mediante 
puentes de hidrógeno entre el =CO de un residuo y el –NH del cuarto residuo que 
le sigue (figura 6). 
 
- Hélice α: La hélice α fue descrita por Linus Pauling en 1951, que hizo estudios de 
difracción de rayos X de cristales de aa’s y pequeños péptidos (figura 7). 
 Presenta 3.6 residuos de aa’s por vuelta de hélice. Los grupos R de los aa’s 
se proyectan hacia el exterior. 
 
 
Figura 6. Hélice π. 
 
 Los puentes de hidrógeno se establecen entre el =CO de un residuo y el –
NH del tercer residuo que sigue; estos enlaces de hidrógeno son paralelos al eje 
mayor de la hélice, ya que los grupos CO apuntan casi directos a los NH a los que 
están unidos. La ordenación α-helicoidal permite participar a cada enlace peptídico 
de la cadena en el establecimiento de enlaces de hidrógeno intracatenarios. 
 La localización habitual de la hélice α es a lo largo de la parte externa de la 
proteína, las cadenas laterales tienden a cambiar de hidrofóbicas a hidrofílicas cada 
3 o 4 residuos. 
 Los aa’s que permiten hélice α estable son Ala, Leu, Met, Phe, Tyr, Cis, His 
y Asn. Aquellos aa’s que inestabilizan la hélice α son Ser, Thr, Gly, Lys y Arg. 
Aquellos aa’s que rompen la hélice α son Pro e Hpro. 
 
- Hélice 310: Es la otra especie helicoidal importante en la estructura globular de 
proteínas (figura 8), Sus principales características son: tiene 3 residuos por vuelta 
(n = 3) y un puente de hidrógeno entre el =CO de un residuo y el –NH del segundo 
residuo que le sigue, lo que produce un bucle de 10 átomos. 
 Es mucho menos favorable que la hélice α para estructuras periódicas largas; 
sin embargo, pequeños trozos de 310 son frecuentes. 
 
Figura 7. Hélice α. 
 
 Los grupos =CO apuntan fuera del eje de la hélice y por lo tanto el puente de 
hidrógeno esta doblado y no es muy favorable. Pequeños trozos de 310 se han 
encontrado en lisozima, hemoglobina y anhidrasa carbónica (figura 8). 
 
Figura 8. Hélice 310. 
- Hélice levógira: Tiene tres residuos de aa’s por vuelta. Los grupos =CO y –NH 
están orientados casi perpendicularmente al eje de la hélice y no pueden formar 
puentes de hidrógeno con grupos de la misma cadena. 
 Estas cadenas forman puentes de hidrógeno intercatenarios perpendiculares 
a las cadenas. En el colágeno, 3 de estas hélices se arrollan una alrededor de otra 
formando una superhélice dextrógira. 
 Las secuencias que aparecen con mayor frecuencia son Gly-X-Pro, Gly-Pro-
X,Gly-X-Hpro, por lo cual esta hélice levógira se conoce como hélice poliprolina 
(figura 9). 
 
Figura 9. Hélice levógira. 
 
- Estructura β u hoja β: Es el otro elemento estructural importante encontrado en 
proteínas globulares. Estas hojas β están “plegadas”, con Cα sucesivamente arriba 
y abajo del plano de la hoja. Hay dos tipos de hojas β: paralelas y antiparalelas, que 
difieren en el patrón de puentes de hidrógeno (figura 10). 
 Las hojas antiparalelas tienen puentes de hidrógeno perpendiculares a las 
hebras, alternando los enlaces próximos con otros más espaciados. 
 Las hojas paralelas tienen enlaces de hidrógeno espaciados regularmente 
que forman ángulo respecto a las hebras al enlazarlas. 
 Las hebras β pueden combinarse formando una hoja paralela pura, una hoja 
antiparalela pura, o una hoja mixta con algunos pares de hebras paralelas y algunas 
antiparalelas. Sin embargo, hay un gran rechazo contra las hojas mixtas, quizá 
porque los dos tipos de puentes de hidrógeno necesitan orientaciones peptídicas 
diferentes. Solamente alrededor del 20% de las hebras dentro de las hojas β tienen 
uniones paralelas por un lado y antiparalelas por el otro. 
 Las estructuras β paralelas tienen lugar en hojas con un mínimo de 5 hebras. 
Están siempre completamente ocultas, protegidas a ambos lados, 
fundamentalmente por hélices α. Son menos estables que las antiparalelas. 
 Las estructuras β antiparalelas frecuentementetoman la disposición de un 
cordón torcido de 2 hebras solamente. Tienen un lado expuesto al solvente y el otro 
oculto, por lo que presentan alternancia de hidrofobicidad de cadenas laterales en 
la secuencia de aa’s. 
 Las proteínas en las que se descubrieron las hojas β fueron las queratinas, 
que se caracterizan por su abundancia en aa’s con grupos R relativamente 
pequeños, especialmente Gly y Ala. 
 
Figura 10. Estructuras en hoja β plegada. 
 
+ Estructura terciaria: la disposición e interrelación de los elementos de estructura 
secundaria de una proteína globular en una forma específica, mantenida por 
uniones salinas, enlaces de hidrógeno, puentes disulfuro, fuerzas de Van der Waals 
e interacciones hidrofóbicas, actuando conjuntamente, proporcionan gran 
estabilidad a la proteína y constituyen la estructura terciaria. Cada proteína globular 
posee una estructura terciaria característica, íntimamente relacionada con su 
función biológica específica (figura 11). 
 
 
 
Figura 11. Tipos de enlaces en proteínas. 
 
 Los enlaces que mantienen estas estructuras son: 
- Enlaces covalentes: consiste, en una compartición de electrones, siendo siempre 
un enlace fuerte, que da lugar a una gran estabilidad de la cadena proteica. El más 
importante es el llamado puente disulfuro, que se forma entre residuos de cisteína. 
- Enlace iónico: es un puente salino. Se debe a dos grupos polares de las cadenas 
de aa’s, que según el pH poseerán carga eléctrica positiva o negativa. Estos enlaces 
no son demasiado numerosos ya que al estar los aa’s en disolución, tendrán sus 
grupos polares saturados por los dipolos moleculares del agua. 
- Enlaces por puente de hidrógeno: se forma entre el C = O del grupo carboxilo y 
un grupo de la cadena que tenga H activo. Son muy numerosos y son de capital 
importancia en la estabilización de la molécula. 
- Enlace por fuerzas de Van der Waals: se forman entre las cadenas laterales que 
poseen radicales. Aunque los restos hidrocarbonados son apolares, tienen 
interacciones débiles por este tipo de fuerzas. Estas interacciones son debidas a 
irregularidades en la distribución de los electrones alrededor del núcleo dando lugar 
a dipolos instantáneos de tipo electrostático. 
- Enlaces hidrofóbicos: son interacciones entre las cadenas laterales no polares, 
dentro de envolturas de agua. Estas interacciones pueden tener lugar entre cadenas 
laterales de varias moléculas o se pueden presentar entre las cadenas de una 
misma molécula; ocurren ante la incapacidad de las cadenas laterales no polares 
de interaccionar con el agua, ya sea iónicamente o a través de enlaces hidrofóbicos. 
- Enlace coordinado: son enlaces en todas las interacciones entre metales de 
transición y biomoléculas (ej. Fe2+ en la hemoglobina y Co3+ en la vitamina B12). 
 
 En 1976 Michael Levitt y Cyrus Chothia demostraron que las proteínas cuyas 
estructuras se conocían hasta ese momento podían asignarse a una de cinco clases 
estructurales. Estas clases fueron definidas en función de la presencia y disposición 
de hélices α y hojas β, elementos estructurales mayoritarios de las proteínas 
globulares (figura 12). 
 
Figura 12. Clases estructurales de las proteínas globulares. 
 
- Clase I: las proteínas α totales, en las cuales sólo están presentes hélices α y se 
empacan juntas en una forma globular. 
- Clase II: las proteínas β totales, en las cuales sólo están presentes estructuras β 
generalmente como dos hojas β antiparalelas. 
- Clase III: las proteínas α + β, en las cuales están presentes estructuras α y β, pero 
segregadas en la estructura terciaria. 
- Clase IV: las proteínas α/β, en las cuales segmentos estructurales α y β se alternan 
en la estructura primaria dando una estructura terciaria que se caracteriza por una 
zona central de hebras β mayormente paralelas, flanqueada a ambos lados por 
hélices α. 
- Clase V: las proteínas en espiral, recubren aquellas moléculas, principalmente 
pequeñas ricas en puentes disulfuro o asociadas con un cofactor grande, y tienen 
una estructura secundaria pequeña. 
 
+ Estructura cuaternaria: la organización de las proteínas producida por ajuste de 
las estructuras arrollada y plegada, para formar una estructura funcional agregada, 
se llama estructura cuaternaria. En este nivel de organización, las subunidades de 
proteínas se conservan unidas esencialmente por influjo de fuerzas no covalentes, 
estas interacciones son esencialmente las mismas descritas para la estabilización 
de la estructura terciaria. La asociación de estructuras terciarias se denomina 
agregado estable. Solamente poseen este nivel aquellas proteínas formadas por 
varias cadenas polipeptídicas, y podemos definirla como la asociación de 
subunidades semejantes o diferentes de la proteína en oligómeros. 
 Las interacciones que se establecen entre las subunidades pueden tener 
distintas geometrías lo que condiciona la simetría de la estructura cuaternaria de la 
proteína (figura 13). 
 
Figura 13. Niveles estructurales de las proteínas. 
+ Desnaturalización de proteínas: Cada tipo de molécula posee, en su estado nativo 
una forma tridimensional característica que es conocida como su conformación o 
estructura. 
 El mantenimiento de esta estructura es fundamental para el normal 
funcionamiento de la proteína en cuestión, y una pérdida de esta conformación 
suele implicar una alteración en la misión biológica de la molécula proteica. 
 Esta pérdida de la estructura tridimensional de una proteína se conoce como 
desnaturalización (figura 14). De la desnaturalización se producen cambios en las 
propiedades físicas, químicas y biológicas de una molécula proteica. 
 
 
Figura 14. Desnaturalización de una proteína. 
 
 Las principales causas de la desnaturalización son: 
- Un cambio significativo en el pH de la solución de la proteína. 
- Cambios de temperatura, fundamentalmente a temperaturas altas. 
- Concentraciones altas de compuestos polares neutros como la urea o la guanidina, 
ya que estos compuestos rompen los enlaces de hidrógeno formando otros enlaces 
nuevos. 
- Tratamiento con disolventes orgánicos, etanol, acetona, etc. 
- Radiación ultravioleta. 
- Vibración ultrasónica, agitación energética de las soluciones acuosas. 
 
 Generalmente la desnaturalización es un proceso irreversible, dependiendo 
éste de la intensidad y duración del tratamiento desnaturalizante. 
 Sin embargo, puede afirmarse, en general, que la desnaturalización es 
reversible si no hay rotura de los enlaces disulfuro presentes en la proteína nativa, 
es decir, rotura de enlaces covalentes fuertes. 
 
 
+ Clasificación de las proteínas. 
 Las proteínas son polímeros lineales en los que las unidades monoméricas 
son los aa’s, que se pliegan en una notable diversidad de formas tridimensionales, 
que les proporcionan una correspondiente variedad de funciones. Su misión en el 
organismo es de dos tipos: 
 - de tipo estructural 
 - de tipo funcional 
 Por ello no existe un sistema universal para su clasificación, pueden 
clasificarse atendiendo a su composición, a sus propiedades físicas y solubilidad en 
soluciones salinas acuosas u orgánicas, su forma global, su estructura 
tridimensional o su función biológica. 
 
a) Por su composición. 
- Simples u holoproteínas: son aquellas que por hidrólisis total dan solo α-aa’s, o 
sus derivados. Se distinguen entre sí en función de sus propiedades físicas y 
químicas: 
* Albúminas 
* Globulinas 
* Glutelinas 
* Prolaminas 
* Protaminas 
* Histonas 
* Escleroproteínas (colágeno, elastina, queratina) 
 
- Conjugadas o heteroproteínas: son aquellas que por hidrólisis total producen no 
solamente aa’s sino también otros componentes orgánicos o inorgánicos. La 
porción no aminoacídica se denomina grupo prostético. Las proteínas conjugadas 
se clasifican de acuerdo con la naturaleza de su grupo prostético: 
 
* Nucleoproteínas: su grupo prostético son los ácidos nucleicos. 
* Lipoproteínas:su grupo prostético son fosfolípidos, colesterol, triglicéridos. 
* Glucoproteínas: cuyo grupo prostético son los hidratos de carbono. Por hidrólisis 
dan aminoazúcares y monosacáridos y/o derivados de éstos. 
* Fosfoproteínas: su grupo prostético contiene fósforo, en forma de ácido 
ortofosfórico. 
* Cromoproteínas: son proteínas conjugadas con un grupo cromóforo (sustancia 
coloreada que contiene un metal). 
* Metaloproteínas: contienen metales dentro de la misma molécula proteica. 
* Hemoproteínas: cuyo grupo prostético es la ferroprotoporfirina. 
* Flavoproteínas: cuyo grupo prostético es flavin-nucleótido. 
 
b) Por sus propiedades físicas y su solubilidad. 
- Albúminas: son solubles en agua y soluciones salinas diluidas. Coagulan por el 
calor. Precipitan en disoluciones con sulfato de amonio ((NH4)2SO4) a saturación. 
- Globulinas: Insolubles en agua. Coagulan por el calor. Precipitan con (NH4)2SO4 
por semisaturación. Solubles en soluciones de ácidos y bases fuertes. 
- Glutelinas: Solubles en soluciones de ácidos y bases diluidas. Insolubles en 
disolventes neutros. Coagulan por el calor. Se encuentran en el trigo. 
- Prolaminas: Solubles en alcohol al 70-80%. Insolubles en agua, disolventes 
neutros y alcohol absoluto. No son coagulables por el calor. Son ricas en prolina, de 
ahí su nombre. 
- Protaminas: Solubles en agua y en amoniaco diluido. No coagulan por el calor. 
Son polipéptidos básicos. 
- Histonas: Solubles en agua y ácidos diluidos. Insolubles en amoniaco diluido. No 
coagulan por el calor. Son muy básicas. 
- Escleroproteínas: Insolubles en agua, soluciones salinas, ácidos y bases diluidos 
y alcohol. Forman parte de los tejidos de sostén y revestimiento, poseen una 
estructura fibrosa. 
c) Por su conformación. 
 Conformación de una proteína es la forma tridimensional característica que 
posee en su estado nativo. 
- Fibrosas: constituidas por cadenas polipeptídicas ordenadas de modo paralelo a 
lo largo de un eje, formando fibras o láminas largas. Son resistentes, insolubles en 
agua o en disoluciones salinas diluidas. 
 Son los elementos básicos estructurales del tejido conjuntivo de los animales 
superiores: 
* Colágeno: tendones y matriz de los huesos. 
* Elastina: tejido conjuntivo elástico (ligamentos) 
* Queratinas: cabello, cuerno, uñas, plumas, pelos. 
 
- Globulares: constituidas por cadenas polipeptídicas plegadas estructuralmente de 
modo que adoptan formas esféricas o globulares compactas. Son solubles en agua. 
Su función en la célula es dinámica. 
* Enzimas (la mayor parte). 
* Anticuerpos. 
* Proteínas de transporte: albúminas y hemoglobina. 
 
d) Por su función biológica. 
- Enzimas: son catalizadores biológicos muy específicos. Algunas enzimas son más 
especializadas y además de su actividad catalítica tienen función reguladora, éstas 
son las enzimas alostéricas. La mayoría son proteínas globulares (ej. Hexoquinasa, 
fosforila la glucosa; DNA polimerasa, replica y repara el DNA). 
- Proteínas de reserva: almacenan aa’s como elemento nutritivo (ej. Ovoalbúmina, 
clara de huevo; Caseina, leche). 
- Proteínas transportadoras: son capaces de unirse y transportar tipos específicos 
de moléculas por la sangre (ej. Seroalbúmina, transporta ácidos grasos libres en la 
sangre entre el tejido adiposo y otros órganos; Hemoglobina, transporta O2 en la 
sangre; Mioglobina, transporta O2 en el músculo; β-Lipoproteína, transporta lípidos 
en sangre). 
- Proteínas protectoras: tienen funciones de defensa (ej. Anticuerpos, forman 
complejos con proteínas extrañas; Fibrinógeno, precursor de la fibrina en la 
coagulación; Proteína complemento, forman complejos con algunos sistemas 
extraños como las bacterias). 
- Proteínas contráctiles: actúan como elementos esenciales en sistemas motiles y 
contráctiles (ej. Miosina, filamentos estacionarios de las miofibrillas; Actina, 
filamentos móviles de las miofibrillas). 
- Hormonas: son moduladores de las funciones del organismo (ej. Insulina, regula 
el metabolismo de la glucosa; Hormona del crecimiento, estimula el crecimiento de 
los huesos. 
- Proteínas estructurales: actúan como elementos estructurales, son las 
Escleroproteínas (ej. Colágeno, tejido conectivo fibroso → tendones, hueso, 
cartílago; Elastina, tejido conectivo elástico → ligamentos; Queratinas, piel, plumas, 
uñas, pezuñas).