Las proteínas como polímeros con funciones

Vista previa del material en texto

Las proteínas como polímeros con funciones
Específicas
La evolución ha utilizado la virtualmente ilimitada capacidad de crear diversidad molecular, posible en los polímeros de secuencia específica, para satisfacer una gigantesca variedad de requerimientos funcionales. A partir de la utilización de un repertorio de 20 aminoácidos, los seres vivos construyen
macromoléculas de gran particularidad (en contraste con otras estructuras poliméricas cuyas propiedades son periódicas): poseen una estructura tridimensional específica, despliegan actividades frecuentemente evidentes y manifiestan propiedades fisicoquímicas definidas que han facilitado
su identificación y purificación. Tal vez sea por estas razones que el papel central de las proteínas en los sistemas biológicos ha sido reconocido desde el siglo pasado, antes que el de otras macromoléculas biológicas.
La diversidad de funciones que desempeñan las proteínas en los seres vivos es en verdad amplia. Prácticamente, toda transacción biológica muestra, a nivel molecular, la intervención de una o más proteínas. Algunas cadenas polipeptídicas forman glóbulos compactos, solubles en agua (proteínas globulares), otras se estructuran en fibras con propiedades de alta resistencia o elasticidad (proteínas fibrosas), otras más pueden embeberse en los ambientes hidrófobos de las membranas (proteínas membranales). En términos generales, podemos dividir también a las proteínas en grandes grupos funcionales, entre los que destacan aquellas que catalizan reacciones químicas (enzimas) y aquellas que median señalización molecular, sin afectar la estructura covalente de las moléculas con las que interactúan (factores). Se estima que en la especie humana existen no menos de 35,000 genes, la mayoría de los cuales codifican para proteínas, por lo que habría decenas de miles de proteínas diferentes involucradas en las funciones biológicas de un mamífero (tomando en cuenta que un solo gen puede codificar para más de una proteína mediante el proceso conocido como edición diferencial del RNA). Para cada uno de los tipos de proteínas referidas se mencionarán algunos ejemplos que ilustran la impresionante versatilidad y eficiencia que caracteriza a estos polímeros biológicos.
Existen muchas enzimas que aceleran reacciones químicas específicas a un nivel máximo, sólo limitado por la velocidad de difusión del sustrato a la región catalítica de la proteína. Desde las reacciones iniciales de degradación de compuestos alimentarios en el sistema digestivo, hasta la construcción, paso a paso, de las moléculas más complejas, las enzimas ejecutan las instrucciones plasmadas en el genoma para orquestar el flujo de materia y energía que subyace en el funcionamiento de todo ser vivo.
Utilizando desde estructuras de aparente simplicidad, como la triosa fosfato-isomerasa, hasta estructuras de gran tamaño y complejidad, en donde se reclutan también metales y otras moléculas orgánicas, como en la nitrogenasa, en la naturaleza han surgido máquinas catalíticas que han permitido afrontar el continuo reto adaptativo.
Otro tema recurrente en el uso de proteínas es su uso para emitir y recibir señales de todo tipo. En un nivel fundamental, moléculas de proteínas se asocian al material genético y convierten condiciones ambientales en señales para activar o desactivar genes específicos, como en el caso del famoso
represor de la vía metabólica para degradación de lactosa. Un gran número
de hormonas, tales como la insulina, tienen naturaleza proteica, así como la gran mayoría de los receptores que detectan las señales y las “transducen” hacia el interior de las células. Estos últimos están normalmente constituidos por proteínas con componentes transmembranales.
La función de las proteínas también puede resultar de propiedades periódicas, de manera análoga a lo que ocurre con polímeros artificiales. Tal es el caso de las proteínas fibrosas, que normalmente se conforman a partir de repeticiones de secuencias sencillas y cortas. La queratina, constitutiva de pelo y uñas, y la colágena, presente en tendones y tejido conectivo, son ejemplos de proteínas fibrosas. En el caso de algunas proteínas de los músculos, responsables de sus propiedades contráctiles, se observa una combinación de elementos catalíticos con componentes de tipo fibrilar y se acopla la hidrólisis de ATP con la generación de energía mecánica.
Tal vez uno de los ejemplos más elocuentes de la versatilidad de funciones que se pueden presentar en las proteínas sea la enzima sintasa de ATP, que participa en un proceso metabólico verdaderamente central.
Desde que se describió que el flujo de electrones desde las moléculas de NAD hasta el oxígeno resultaba en la síntesis neta de ATP, surgió una pregunta apremiante: ¿cómo ocurre el acoplamiento entre uno y otro fenómenos?
La teoría quimioosmótica definió que la cadena respiratoria genera una distribución asimétrica de iones en uno y otro lado de la membrana, y que el paso de protones a través de la sintasa de ATP resultaba en la generación de esta molécula de alta energía. Pero es sólo muy recientemente cuando se definió el mecanismo de acción de la sintasa de ATP. Esta enzima es transmembranal; la podríamos considerar como un canal iónico, selectivo para protones y, además, resulta en la generación de ATP a través de un proceso que involucra la formación de energía mecánica: es mediante el giro de varios componentes de la enzima que se da el proceso de unión de los sustratos y liberación de los productos. Por estas razones, a la sintasa de ATP se le ha llamado “nanomotor electroquímico-mecánico-químico”.
La diversidad de funciones de las proteínas proviene, en última instancia, de la interacción concertada de los aminoácidos asociados en un orden especificado por los genes. La proposición de C. Anfinsen, en el sentido de que la secuencia de aminoácidos de una proteína determina su estructura y su función, constituye un punto de partida, aún perfectamente vigente, para conceptualizar a estas macromoléculas. Para ayudar a desentrañar el papel que desempeñan los monómeros constituyentes de las proteínas —los aminoácidos— se puede partir de una clasificación de éstos de acuerdo a diversos atributos. Resulta imposible, sin embargo, arrojar luz sobre los diversos papeles que pueden desempeñar los aminoácidos en la estructuración o la funcionalidad de las proteínas, si se atiende a criterios únicos de